何蕾 汪惠芬 柳林燕 高昀稷

摘 要：智能制造新形勢(shì)下，高校作為自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)代化人才的培養(yǎng)搖籃，需要大力開發(fā)校內(nèi)智能工廠實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)?；诖?，智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該充分利用當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化物流技術(shù)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)流程，配備相應(yīng)的硬件設(shè)備。同時(shí)在此基礎(chǔ)上開發(fā)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng);根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備布局及生產(chǎn)流程。文章重點(diǎn)闡述開發(fā)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)的思路，包括平臺(tái)管理系統(tǒng)的需求分析、功能分析以及軟件系統(tǒng)與底層設(shè)備集成研究，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)信息化管理的初步探究。

關(guān)鍵詞：智能工廠;實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng);C/S結(jié)構(gòu);OPC通訊

中圖分類號(hào)：TP 3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-757X（2020）11-0157-04

Abstract：Based on the intelligent manufacturing experimental teaching platform developed by colleges and universities in the new situation of intelligent manufacturing， this paper fully understands the development of intelligent laboratories at home and abroad， introduces the equipment layout and production process of the experimental platform， and focuses on the ideas for developing the experimental platform management system. This paper analyzes platform management system， functions and the integration of software system， and the underlying equipment research. It realizes the preliminary exploration of experimental platform information management.

Key words：smart factories;laboratory management system;C/S architecture;OPC newsletter

0?引言

隨著信息化，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，各國制造業(yè)正將智能制造作為重點(diǎn)發(fā)展主題。自德國“工業(yè)4.0”理念在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出后，就在全球引發(fā)了積極反響及各國不同形式下驅(qū)動(dòng)的工業(yè)轉(zhuǎn)型。我國國務(wù)院在2015年印發(fā)了《中國制造2025》。提出了未來一定時(shí)期內(nèi)我國制造業(yè)發(fā)展的目標(biāo)：到中國建國一百周年時(shí)，中國從制造大國成為世界一流的制造強(qiáng)國。按照《中國制造2025》的要求，要把智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要突破口[1]。智能工廠就是實(shí)踐工業(yè)化和信息化“兩化融合”概念的發(fā)展載體，現(xiàn)已成為當(dāng)前“智能制造2025”的建設(shè)和發(fā)展方向。南京理工大學(xué)CIMS教研室切合這一政策，提出構(gòu)建智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)化物流技術(shù)，模擬工廠運(yùn)作流程，建立一條完整的生產(chǎn)線，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)際操作，了解生產(chǎn)線流程及軟硬件交互成果，進(jìn)一步提高對(duì)智能制造的認(rèn)知。本文研究?jī)?nèi)容即配合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生產(chǎn)流程，研究當(dāng)前軟硬件集成通訊OPC技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的生產(chǎn)智能化和管理信息化。

1?智能制造理念下的高校智能工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

1.1?智能工廠概述

“工業(yè)4.0”概念下項(xiàng)目的一大主題就是智能工廠。智能工廠的構(gòu)建包括智能化硬件設(shè)備和制造管理軟件，同時(shí)融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、工業(yè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化物流技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及智能處理等技術(shù)到生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)有的信息管理手段，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，優(yōu)化生產(chǎn)線上線下調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤追溯，設(shè)備維護(hù)與診斷記錄，生產(chǎn)過程跟蹤等功能，實(shí)現(xiàn)制造全面智能化生產(chǎn) [2]。

1.2?高校智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，大部分的教學(xué)式生產(chǎn)線通常只關(guān)注生產(chǎn)制造的某一個(gè)環(huán)節(jié)，而基于工業(yè)4.0的智能工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)想要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)再現(xiàn)產(chǎn)品“從無到有”的設(shè)計(jì)、制造與管理的完整過程。因此，許多高校已經(jīng)開始著手項(xiàng)目平臺(tái)設(shè)施建設(shè)，同時(shí)已有高校初步完成該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。2014年10月同濟(jì)大學(xué)建設(shè)成立全國首家“工業(yè)4.0—智能工廠實(shí)驗(yàn)室”。該實(shí)驗(yàn)室配有操作機(jī)器人、加工設(shè)備、傳送設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等硬件構(gòu)成高度自動(dòng)化生產(chǎn)線，并由服務(wù)器、傳感器、RFID、等設(shè)備構(gòu)建信息物聯(lián)網(wǎng)，通過上層軟件將整個(gè)系統(tǒng)連接起來成為一個(gè)高度集成的CPS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了在制品與機(jī)器，人與機(jī)器之間的實(shí)時(shí)通訊及協(xié)同工作。天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心已經(jīng)建設(shè)了虛擬啤酒生產(chǎn)線，模擬了生產(chǎn)線中包括制麥、糖化、過濾、罐裝、金檢等18個(gè)部分，可為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生提供47項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在國外，意大利卡塔尼亞大學(xué)工程學(xué)院、華盛頓大學(xué)等一些頂尖高校均建立了開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[3-4]。智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為響應(yīng)智能工廠的教學(xué)試驗(yàn)展示平臺(tái)，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、相關(guān)專業(yè)科研、以及對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)都具有著重要的意義。

2?智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體搭建

2.1.1?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體布局

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的在于建設(shè)一個(gè)校內(nèi)智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于學(xué)生試驗(yàn)及供平臺(tái)來訪者體驗(yàn)簡(jiǎn)單直接的生產(chǎn)過程。平臺(tái)以RFID卡片為原材料，設(shè)有6個(gè)生產(chǎn)工位，包括上下料機(jī)械手， AGV小車，RFID讀寫器，掃碼槍，視覺檢測(cè)儀，立體倉庫等設(shè)備，完成原材料的生產(chǎn)加工，模擬一條完整生產(chǎn)線，同時(shí)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)化物流技術(shù)，提高產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。通過仿真軟件，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布局，如圖1所示。

2.1.2?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)

因?qū)嶒?yàn)平臺(tái)用作教學(xué)及成果展示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用RFID卡片為加工原材料，根據(jù)來訪者個(gè)人信息設(shè)計(jì)卡片圖案并打印，共設(shè)六工位，完成原材料出入庫、錄入信息、打印圖案、張貼標(biāo)簽、成品出入庫等步驟的加工，完成生產(chǎn)過程的同時(shí)成品可用作紀(jì)念品給來訪者留存。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的生產(chǎn)模式分為單件生產(chǎn)和批量生產(chǎn)，主要不同在于其工藝路線制定，但不同生產(chǎn)模式最多涉及6個(gè)工位生產(chǎn)。基本生產(chǎn)布局，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生產(chǎn)流程，如圖3所示。

2.2?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)需求分析

2.2.1?系統(tǒng)功能需求

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，主要需求點(diǎn)如下。

1） 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息同步：操作人員可以及時(shí)了解原材料信息，根據(jù)信息下發(fā)訂單，同時(shí)實(shí)時(shí)查詢訂單完成進(jìn)度;

2） 物料狀態(tài)監(jiān)管：通過應(yīng)用RFID技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行物流跟蹤，隨時(shí)了解工件所處的工位和在制品狀態(tài);

3） 提高管理人員作業(yè)效率：減弱或消除管理人員的重復(fù)工作，消除重復(fù)信息錄入，減少手工匯總作業(yè)，提高信息處理準(zhǔn)確性;

4） 提供完善的實(shí)驗(yàn)車間設(shè)備運(yùn)行記錄：生成設(shè)備運(yùn)行記錄，包括運(yùn)行路線，指令等，記錄設(shè)備故障及維護(hù)記錄，便于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理;

5） 車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集：采集生產(chǎn)過程中的圖像信息、RFID采集信息、在制品質(zhì)量信息等， 并做相應(yīng)圖表反饋。

2.2.2?系統(tǒng)開發(fā)需求

系統(tǒng)開發(fā)需求如下。

1） 教學(xué)實(shí)用性：系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)靈活，學(xué)生和老師可以自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工信息，工藝路線，并且可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)現(xiàn);

2） 可靠性：保證運(yùn)行過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信息的可靠性;

3） 可拓展性：充分考慮現(xiàn)有功能需求，在系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件配置、網(wǎng)絡(luò)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方面預(yù)留可拓展空間，保證系統(tǒng)的靈活性、開放性和可拓展性;

4） 易維護(hù)性：有便捷的用戶界面，以便于系統(tǒng)管理人員維護(hù)和管理。

3?系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1?軟件架構(gòu)選擇

體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)各組成部分之間的相互關(guān)系，它的定義包含硬件、軟件、算法和計(jì)算機(jī)語言多種概念。目前軟件開發(fā)主流體系結(jié)構(gòu)主要有B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)兩種。兩種體系結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能對(duì)比，如表1所示[5]。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境是校內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)只允許局域網(wǎng)內(nèi)訪問操作，重要的是保證生產(chǎn)過程信息的傳輸速度和安全性。從表中不難看出，C/S結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重視的的訪問速度、安全性、和功能方面都比B/S結(jié)構(gòu)更適合。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)。

3.2?系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用SqlServer數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)主要包括管理員信息、訂單信息、設(shè)備信息、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以及物料出入庫等信息的處理。數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔度對(duì)軟件開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)處理難易程度至關(guān)重要，根據(jù)本平臺(tái)數(shù)據(jù)類型，設(shè)計(jì)了用戶信息表、訂單信息表、生產(chǎn)過程信息表、設(shè)備信息表、庫位及出入庫記錄表、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)信息表等主要庫表。

3.3?基于OPC的軟硬件集成技術(shù)

OPC（OLE For Process Control）是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為連接數(shù)據(jù)源（OPC服務(wù)器）和數(shù)據(jù)的使用者（OPC應(yīng)用程序）之間開放統(tǒng)一的嵌入式過程控制接口標(biāo)準(zhǔn)?？蛻舳丝梢詫?shí)現(xiàn)基于OPC協(xié)議與相應(yīng)OPC服務(wù)器的上位機(jī)與控制器間的數(shù)據(jù)交換，OPC服務(wù)端可以直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域及生產(chǎn)信息管理領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)OPC通訊示意圖以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)交換框架，如圖4、圖5所示。

通過OPC協(xié)議，是軟件系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基本流程如下。

（1） 創(chuàng)建服務(wù)器端連接：從客戶端創(chuàng)建與服務(wù)器端連接的OPC服務(wù)對(duì)象，為對(duì)象創(chuàng)建OPC服務(wù)器連接;

（2） 創(chuàng)建服務(wù)組：在服務(wù)器端為對(duì)象創(chuàng)建監(jiān)控組，其中添加用戶想要監(jiān)控的點(diǎn)位;

（3） 數(shù)據(jù)監(jiān)控：設(shè)置周期值，對(duì)監(jiān)控組的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)刷新;

（4） 周期性存儲(chǔ)：根據(jù)之前添加的點(diǎn)位，將點(diǎn)位監(jiān)控值和當(dāng)前監(jiān)控時(shí)間記入數(shù)據(jù)庫表。

4?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1?系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，以Visual Studio 2017為開發(fā)環(huán)境，分?jǐn)?shù)據(jù)層（DAL）、業(yè)務(wù)層（BLL）和表示層（UI）三層開發(fā)，表示層是用戶界面層，即用于操作的可視化界面，UI層采用.net平臺(tái)winform窗體開發(fā)， Winform可調(diào)用各類控件設(shè)計(jì)窗體界面，創(chuàng)建豐富的基于Windows的應(yīng)用程序;業(yè)務(wù)層是后臺(tái)對(duì)頁面操作的邏輯處理層，包括實(shí)體類和DAO數(shù)據(jù)訪問對(duì)象，數(shù)據(jù)訪問對(duì)象為實(shí)體對(duì)象提供連接數(shù)據(jù)層的接口方法;數(shù)據(jù)層采用ado.net數(shù)據(jù)訪問技術(shù)用于對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問及提供對(duì)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查基本操作方法。

4.2?系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)功能需求，將管理系統(tǒng)功能分為六個(gè)模塊設(shè)計(jì)，如圖6所示。

1） 基礎(chǔ)信息管理模塊

主要是對(duì)基本信息的定義和管理，設(shè)有系統(tǒng)管理、庫位定義和工藝路線制定幾個(gè)子模塊。其中，系統(tǒng)管理子模塊主要負(fù)責(zé)用戶的增刪改及用戶密碼權(quán)限管理等，庫位定義是對(duì)倉庫的基本信息作介紹，工藝路線制定是針對(duì)單個(gè)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)進(jìn)行的不同的工藝路線制定，用于訂單下達(dá)時(shí)的工藝路線選擇，其對(duì)應(yīng)路線代碼也會(huì)下達(dá)給設(shè)備。

2） 訂單管理模塊

訂單來源于來訪者的錄入信息，下達(dá)時(shí)會(huì)生成出庫準(zhǔn)備單，同時(shí)將相應(yīng)的工藝路線下發(fā)給設(shè)備，該模塊可查詢所有訂單及其完成狀態(tài)、所需物料等。

3） 倉庫管理模塊

主要是對(duì)倉庫的庫存管理及統(tǒng)計(jì)，記錄原材料和成品的出入庫，以及統(tǒng)計(jì)庫存，便于訂單下達(dá)時(shí)的出庫準(zhǔn)備等。

4） 生產(chǎn)跟蹤模塊

設(shè)有生產(chǎn)執(zhí)行控制、生產(chǎn)可視化及生產(chǎn)進(jìn)度查詢子模塊，生產(chǎn)執(zhí)行控制模塊主要是針對(duì)異常訂單的加工過程，進(jìn)行生產(chǎn)路線修改、訂單回收等操作，生產(chǎn)過程可視化是對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)視頻信息的采集與展示，生產(chǎn)進(jìn)度查詢是利用RFID識(shí)別技術(shù)，跟蹤生產(chǎn)過程，了解產(chǎn)品的實(shí)時(shí)生產(chǎn)位置等。

5） 設(shè)備管理模塊

設(shè)有設(shè)備信息管理、設(shè)備維護(hù)記錄和設(shè)備運(yùn)行記錄子模塊，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的基本信息管理，運(yùn)行狀態(tài)掌握和維護(hù)信息記錄。

6） 質(zhì)量管理模塊

主要包括生產(chǎn)過程中產(chǎn)品及設(shè)備的質(zhì)量記錄和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

4.3?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生產(chǎn)訂單管理，原材料出入庫管理，及與底層硬件設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程跟蹤等功能。下面以用戶管理和訂單管理為例，從流程圖和部分代碼闡述開發(fā)實(shí)現(xiàn)過程。

以系統(tǒng)管理模塊用戶管理功能為例的操作流程，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的增刪改操作，如圖7所示。

訂單管理模塊操作流程圖，執(zhí)行訂單的增刪改操作，如圖8所示。

以訂單錄入為例，實(shí)現(xiàn)代碼如下。

if

（txtOrderName.Text==string.Empty||txtOrderID.Text==string.Empty||txtClientName.Text==string.Empty）{MessageBox.Show（"重要信息不能為空"）;

return;}

stringsql=string.Format（"insert into ProductInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ProductID，ProductKind，ClientName，ClientInfo） values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'，'{6}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductID.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text，txtClientInfo.Text）;

stringsql1=string.Format（"insert into OrderInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ClientName，ClientInfo，Contact）values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text， txtClientInfo.Text， txtClientContact.Text）;

int i = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql）;

int t = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql1）;

if （i > 0 && t > 0）

{MessageBox.Show（"添加成功"）;

clearText（）;}

else

{MessageBox.Show（"操作失敗"）;}

return;

其中，DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery表示對(duì)數(shù)據(jù)庫的添加執(zhí)行。

5?總結(jié)

高?；诋?dāng)前制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)及提升制造水平的重要方式，向智能工廠模式看齊，著手打造學(xué)校智能化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)提高對(duì)制造過程的智能化、自動(dòng)化研究。本文研究?jī)?nèi)容結(jié)合當(dāng)前的自動(dòng)化物流技術(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建設(shè)想，完成了對(duì)該平臺(tái)管理系統(tǒng)的需求及功能設(shè)計(jì)，并完成了對(duì)主要功能的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。

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（收稿日期：2019.09.02）