自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法

劉旭

[摘 ? ?要]隨著我國工業(yè)化自動水平的提升，對于車間管理數(shù)字化水平也提出了更高的要求。在這樣的情況下，自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)逐步應用于生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，進而為故障快速定位與優(yōu)化管理奠定基礎?；诖?，對自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)進行分析，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等方面的技術(shù)應用加以探究，進而有效推進其中核心模塊與關(guān)鍵技術(shù)的具體實踐，促進全方位管理水平的提升。

[關(guān)鍵詞]自動化;實時監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理技術(shù);數(shù)據(jù)采集技術(shù)

[中圖分類號]TP277 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–000–04

[Abstract]With the improvement of my country's industrialization automation level， higher requirements have been put forward for the digital level of workshop management. Under such circumstances， the real-time monitoring system of the automated production line is gradually applied to all links of production， thereby laying the foundation for fast fault location and optimized management. Based on this， analyze the overall architecture of the real-time monitoring system of the automated production line， explore the technical applications of data collection， data transmission， data processing， etc.， and effectively promote the specific practices of the core modules and key technologies， and promote all-round management The level of improvement.

[Keywords]automation; real-time monitoring system; data processing technology; data acquisition technology

近年來，信息化技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得工業(yè)生產(chǎn)進入到全新的發(fā)展領域，而大數(shù)據(jù)、虛擬制造技術(shù)以及數(shù)字孿生等理念的引入也為工業(yè)智能制造的發(fā)展奠定了堅實基礎。然而就當前的發(fā)展水平來看，我國工業(yè)車間的數(shù)字化水平仍有較大的提升空間，加上相關(guān)人員往往會將管理重點放在設備運行性能上，在一定程度上忽略了車間整體加工流程與監(jiān)管的優(yōu)化，因此有必要不斷加強產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與完善。

1 自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義

現(xiàn)階段，我國智能制造領域迎來了長足的發(fā)展，包括先進的智能監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。信息技術(shù)開始被引入到車間生產(chǎn)過程當中，為數(shù)據(jù)的采集、存儲以及分析過程提供穩(wěn)定的技術(shù)支持。與此同時，為進一步確保數(shù)控機床、自動化設備等的穩(wěn)定運行，應充分應用虛擬模型與物理數(shù)據(jù)對其進行實時監(jiān)控。當前，越來越多國內(nèi)外的學者開始投入到相應的技術(shù)研究當中，其主要研究領域集中于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成以及可視化監(jiān)控技術(shù)等方面，雖然比較廣泛但仍沒有形成一個完整的體系，這也就成為了技術(shù)人員在未來發(fā)展過程中需要努力的方向。結(jié)合現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢來看，其整體的發(fā)展重點主要集中于以下幾個方面：

（1）車間生產(chǎn)過程中會涉及到各類來自不同廠家的不同型號的設備，因此會存在一定的數(shù)據(jù)信息互通與兼容問題。在這樣的情況下，技術(shù)人員需要不斷加強對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，保證其可以適應不同特定環(huán)境下的要求，并提供完善的系統(tǒng)解決方案。

（2）要想及時掌握產(chǎn)線各類設備的運行情況，就需要加強對監(jiān)控系統(tǒng)的研究。在以往的監(jiān)控過程中，大多采用二維圖表的形式，不僅難以獲取良好的交互效果，同時還存在監(jiān)控不全面的問題。在自動化監(jiān)控系統(tǒng)的運行下，應實現(xiàn)對物料信息、人員信息、設備狀態(tài)、產(chǎn)品信息等內(nèi)容的全覆蓋。

（3）數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為我國制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，因此有必要結(jié)合車間生產(chǎn)的實際情況對可以實現(xiàn)建模、性能仿真、實時監(jiān)控等多功能的信息平臺展開系統(tǒng)研究。總體來說，制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展趨勢對于車間生產(chǎn)提出了更高的要求，加強對自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究不僅可以實現(xiàn)對車間設備的統(tǒng)一管理，同時還可以提升整體生產(chǎn)進度的交互性與可視化，更好地滿足虛實融合環(huán)境下的發(fā)展要求。

2 自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)特點

通常情況下，車間自動化產(chǎn)線在運行過程中可能會涉及到PLC、AGV、數(shù)控機床等各種類型的設備控制系統(tǒng)，各個設備之間通過相互協(xié)調(diào)來進行生產(chǎn)要素的合理配置，從而最大限度提升生產(chǎn)資源的利用效率。具體來說，自動化產(chǎn)線的數(shù)據(jù)特點主要包括以下方面。

（1）多源異構(gòu)性。自動化產(chǎn)線會涉及到多樣化的加工運輸設備，因此其中也包括多種操作系統(tǒng)。在這樣的情況下，各類數(shù)據(jù)之間難以有效互通，造成信息孤島問題的加劇。

（2）動態(tài)繁雜性。自動化產(chǎn)線在運行的過程中其動態(tài)數(shù)據(jù)也是在不斷變化的，同時還具有數(shù)據(jù)量龐大以及更新速度快的特點。

（3）關(guān)聯(lián)協(xié)同性。為進一步提升各設備控制的精準性，自動化產(chǎn)線中的相關(guān)數(shù)據(jù)往往需要構(gòu)成一個完整的閉環(huán)。例如總控向子系統(tǒng)發(fā)送指令之后，子系統(tǒng)需要結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境以及自身狀態(tài)進行判斷，并向總控發(fā)送不同的反饋信息。因此，自動化產(chǎn)線數(shù)據(jù)在進行生產(chǎn)任務的過程中具有關(guān)聯(lián)協(xié)同的特點。

2.2 功能設計

自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的核心任務在于滿足車間的信息化監(jiān)控管理需求，其內(nèi)部也需要進行一定的功能設計，而功能設計的具體內(nèi)容將會直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)最終的運行效果。具體來說，自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要涉及到以下方面。

（1）數(shù)據(jù)的采集、存儲與集成。監(jiān)控系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)對PLC以及數(shù)控系統(tǒng)等的訪問，進而獲取設備上的關(guān)鍵信息，確?？梢詫⑦@部分信息與設備的運行狀態(tài)存入到網(wǎng)絡云數(shù)據(jù)庫中。值得注意的是，數(shù)據(jù)庫內(nèi)部還存在相應的數(shù)據(jù)傳輸通道，為數(shù)據(jù)之間的實時交互提供便利條件。

（2）實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)所展示的內(nèi)容主要可以分為兩個大類，一類是虛擬環(huán)境中數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)聯(lián)，展現(xiàn)出三維模型的動態(tài)變化;另一類是各類設備的實時運行狀態(tài)，進而有效完成對工業(yè)生產(chǎn)的全過程跟蹤。

（3）訂單管理。監(jiān)控系統(tǒng)可以完成簡單的訂單處理與產(chǎn)量統(tǒng)計工作。

（4）系統(tǒng)管理。主要包括用戶管理、權(quán)限分配、任務查看等方面的工作。

2.3 框架體系

車間生產(chǎn)環(huán)境具有較強的復雜性，包括十分多樣化的智能設備與非智能設備，進而可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)自我控制與自我調(diào)節(jié)。結(jié)合當前實際運行情況來看，車間生產(chǎn)環(huán)境中的非智能設備主要包括光電傳感器、伺服電機、氣缸等，而智能設備大多為具有中央控制系統(tǒng)的設備，可以有效連入工業(yè)以太網(wǎng)并進行數(shù)據(jù)采集。值得注意的是，包括西門子、歐姆龍在內(nèi)的很多智能設備生產(chǎn)廠家會通過設置基于OPC技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)接口來為后續(xù)產(chǎn)線運行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與分析提供便利條件，或由上位機與數(shù)據(jù)庫搭建信息采集處理平臺進行數(shù)據(jù)采集與處理。系統(tǒng)將進一步便于用戶進行數(shù)據(jù)采集與分析，令設備的利用頻率顯著提升，這樣可以減少總體的工作量，讓相關(guān)人員從物理底層設備的開發(fā)中解放出來，進而將更多的精力投入到關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分析與處理當中。為提升整體系統(tǒng)運行的流暢性，監(jiān)控系統(tǒng)的整體體系框架結(jié)構(gòu)仍會按照常規(guī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)分析的流程進行。

3 自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

目前智能制造的自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)采集的過程中主要應用的是PLC通信技術(shù)，其主要涉及到服務器連接、點位數(shù)據(jù)顯示等模塊。基于PLC的數(shù)據(jù)采集客戶端程序運行流程主要包括。

（1）用戶進入到OPC客戶端并啟動。

（2）用戶需要完成相應的窗口初始化與運行程序初始化的任務，在完成之后系統(tǒng)會對XML文件信息進行讀取，同時待訪問的PLC地址會通過窗口進行顯示。

（3）系統(tǒng)會對OPC Server服務器端進行連接，并保證客戶端地址與PLCIP地址處于同一網(wǎng)段。

（4）在完成PLC硬件連接工作之后會對客戶端相關(guān)數(shù)據(jù)進行更新，并將其儲存到數(shù)據(jù)庫中。

（5）斷開PLC客戶端服務器連接，并結(jié)束整體程序的運行。在PLC數(shù)據(jù)采集技術(shù)運行的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是采集對象、采集周期以及數(shù)據(jù)庫儲存周期的確定。為提升車間整體的運行效率，可以將采集對象設置為XML文檔，為后續(xù)的開發(fā)提供便利條件;考慮到數(shù)據(jù)采集與儲存的實時性，可以將PLC數(shù)據(jù)采集周期設定為250 ms，但還會進一步根據(jù)后續(xù)的監(jiān)控效果進行調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο笾饕獮閿?shù)據(jù)采集區(qū)域、數(shù)據(jù)庫與監(jiān)控環(huán)境，而數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是主要是在Socket通信原理的基礎上構(gòu)建相應的數(shù)據(jù)庫服務器端，從而實現(xiàn)各個模塊之間數(shù)據(jù)的有效傳輸。Photon Server服務端的構(gòu)建是Socket通信原理在自動化生產(chǎn)環(huán)境下一種十分重要的表現(xiàn)形式，同時在TCP/IP協(xié)議的基礎上完成數(shù)據(jù)傳輸，并通過Socket來進行數(shù)據(jù)的組織與實現(xiàn)。Socket通信架構(gòu)具體實現(xiàn)連接的途徑主要包括。

（1）完成服務器端與客戶端的創(chuàng)建，同時還需要進行Server Socket端口號的綁定。

（2）建立服務器端與客戶端之間的連接。

（3）根據(jù)使用協(xié)議中的內(nèi)容，由客戶端寫入數(shù)據(jù)、服務端讀取數(shù)據(jù)，并進行相互之間的數(shù)據(jù)交互。

（4）完成數(shù)據(jù)的讀寫以后還需要由客戶端發(fā)送結(jié)束連接，代表整體的數(shù)據(jù)傳輸流程結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

自動化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)信息主要包括靜態(tài)數(shù)據(jù)與時變數(shù)據(jù)。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括設備型號及其參數(shù)等，而時變數(shù)據(jù)則主要包括設備運行狀態(tài)與生產(chǎn)進度等，這部分數(shù)據(jù)并不會一成不變，而是會隨著時間而發(fā)生改變。為進一步提升數(shù)據(jù)處理的有效性，自動化監(jiān)控系統(tǒng)可以引入數(shù)據(jù)庫建模方法對這部分數(shù)據(jù)進行高效存儲與讀寫。在此過程中，需要對數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，進而實現(xiàn)提升讀寫性能、減少數(shù)據(jù)冗余以及提升數(shù)據(jù)一致性的目的。

4 自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)核心模塊與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在實時監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中，需要聯(lián)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行匯總分析，而后指引監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整監(jiān)控范圍，并為總控中心系統(tǒng)提供可靠依據(jù)。因此，在系統(tǒng)研發(fā)階段應加強數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。在系統(tǒng)運行時，常需要通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲對監(jiān)控信息進行合理利用，既能維護生產(chǎn)車間的自動化生產(chǎn)安全，又能預測生產(chǎn)趨勢，以便提前消除不良隱患，為生產(chǎn)計劃的順利完成給予保障。作為實時監(jiān)控系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在其設計環(huán)節(jié)，要求同通訊程序建立密切關(guān)聯(lián)，即實時監(jiān)控系統(tǒng)運行的同時，也將啟動數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。而后從監(jiān)控界面采集有用數(shù)據(jù)，并實施自動化存儲，以供管理者及時掌握車間自動化生產(chǎn)過程中的實際情況。同時可以在全程回放、定位回放不同模式下查詢采集存儲的數(shù)據(jù)，借此優(yōu)化自動化產(chǎn)線監(jiān)控效果。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

在監(jiān)控系統(tǒng)設計當中，鼠標點擊交互技術(shù)占據(jù)了十分關(guān)鍵的地位，鼠標點擊交互可以最大限度地發(fā)揮三維監(jiān)控系統(tǒng)的交互性，實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)信息獲取，增強對于設備運行狀態(tài)的了解。鼠標點擊交互是實現(xiàn)交互功能設計的重要途徑，相關(guān)技術(shù)具體的實現(xiàn)流程主要涉及到以下環(huán)節(jié)。

（1）通過用戶鼠標完成信號點擊。

（2）在點擊之后完成坐標值的獲取。

（3）結(jié)合坐標位置、深度以及視野范圍等具體參數(shù)來實現(xiàn)坐標值的轉(zhuǎn)換。

（4）通過攝像機與坐標位置連接，并模擬發(fā)出射線，判斷射線與場景模型的位置關(guān)系。如果在第一次操作過程中實現(xiàn)相交，那么就可以直接進行數(shù)據(jù)返回，并完成操作響應;如果射線與場景模型不相交，則需要由操作人員返回到第一步，并完成上述鼠標的點擊過程。

4.3 自動化數(shù)字集成系統(tǒng)搭建

在數(shù)字化與信息化技術(shù)的應用下，自動化數(shù)字集成功能在自動化監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)了更加突出的應用。總體來說，構(gòu)建相應的數(shù)字集成系統(tǒng)主要是為了提升車間運營管理水平、降低浪費，同時落實有效的安全生產(chǎn)流程。具體來說，自動化數(shù)字集成系統(tǒng)的構(gòu)建主要可以分為以下方面。

（1）數(shù)據(jù)的采集、匯聚與展示。自動化數(shù)字集成系統(tǒng)可以有效獲取虛擬環(huán)境下的設備運行狀態(tài)等相關(guān)信息，并可以通過多樣化的形式將其展現(xiàn)出來。

（2）在數(shù)據(jù)孿生的驅(qū)動下，自動化數(shù)字集成系統(tǒng)可以更好地實現(xiàn)對生產(chǎn)運行狀態(tài)的監(jiān)控，并在實時監(jiān)控的基礎上進一步實現(xiàn)過程優(yōu)化與遠程控制。對于物料信息、設備狀態(tài)、操作情況、生產(chǎn)計劃等數(shù)據(jù)加以分析，并作出進一步指令。

（3）生產(chǎn)運行過程的優(yōu)化，在信息化技術(shù)的支持下，可以結(jié)合系統(tǒng)模型構(gòu)建各個生產(chǎn)指標之間的連接與相應機制，可在計劃調(diào)度、故障預警、管理決策方面顯示出十分突出的作用。

5 自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展

隨著數(shù)字化發(fā)展理念的不斷深入，自動化產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)也將會得到更加廣泛的研究與應用，結(jié)合其現(xiàn)在的發(fā)展情況來看，自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向主要集中于以下方面。

（1）除了數(shù)控機床以及PLC相關(guān)設備以外，三坐標測量儀、RFID等設備的數(shù)據(jù)采集方案還有待進一步設計與研究。

（2）現(xiàn)階段，自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)在實際運行的過程中還存在監(jiān)控信息有限、提取困難等問題，同時在設備運行狀態(tài)的分析與可視化方面也會面臨一定的困難。因此在未來發(fā)展的過程中，可以在現(xiàn)有基礎上進一步引入故障預測算法等技術(shù)方法，確保可以在第一時間對各類設備進行故障預警，并逐步降低故障發(fā)生的概率。

（3）可以推進三維可視化監(jiān)控功能與MES系統(tǒng)的融合，一方面可以為監(jiān)控功能提供更加穩(wěn)定的平臺，另一方面還可以進一步豐富MES系統(tǒng)的表現(xiàn)形式。

（4）現(xiàn)階段三維監(jiān)控的數(shù)據(jù)類型與可視化功能仍然較為單一，因此可以在后續(xù)發(fā)展過程中引入數(shù)據(jù)分析與采集等內(nèi)容。

（5）可以推進三維監(jiān)控系統(tǒng)向平臺監(jiān)控軟件的轉(zhuǎn)化，促進其適用性的提升，同時加強對客戶端的代碼優(yōu)化，確保其可以獲得更加良好的監(jiān)控效果。

（6）將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到監(jiān)控系統(tǒng)當中，進一步為其拓展更加廣闊的應用平臺。

6 結(jié)束語

信息化與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展使得車間工業(yè)生產(chǎn)進入到全新的領域，為進一步提升整體流程運行水平，應在現(xiàn)有基礎上加強對各環(huán)節(jié)的監(jiān)控與管理，進而自動化產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)應運而生。作為信息化時代的產(chǎn)物，監(jiān)控系統(tǒng)的應用有效推進了工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，而在實際運行的過程中，相關(guān)人員應加強對其運行特點、功能設計以及框架體系的掌握，為工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化奠定基礎。

參考文獻

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