傳統(tǒng)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型分析
——基于WinCC與OPC技術(shù)的車間數(shù)字化管理與控制系統(tǒng)設(shè)計

方新

福建奔馳汽車有限公司 福建福州 350119

企業(yè)數(shù)字化改造的意義

隨著世界制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型改良和提升，落后的生產(chǎn)技術(shù)與管理手段已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需要。提出一種能夠?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)進度與設(shè)備加工狀態(tài)的可視化方法，使得生產(chǎn)加工過程透明化并可以通過數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)存在的問題。

基于該理念設(shè)計的制造車間監(jiān)控系統(tǒng)，以可編程控制器為基準對生產(chǎn)現(xiàn)場信號進行全面管控，并通過上位軟件的Web功能實現(xiàn)遠程管控，將大幅度提高國內(nèi)制造業(yè)的生產(chǎn)效率、管理水平和機加工的良品率。目前國內(nèi)大部分制造廠商存在生產(chǎn)設(shè)備老舊、生產(chǎn)工序復雜、零散的信息孤島多以及生產(chǎn)線人為隨意性操作等問題，讓生產(chǎn)管理在實際生產(chǎn)過程中的準確性、可控性及傳輸性等還遠達不到智能制造數(shù)字化的要求。

總結(jié)傳統(tǒng)加工車間在生產(chǎn)與管理過程中存在的部分典型案例，發(fā)現(xiàn)存在某些問題。

1）生產(chǎn)廠房老舊，線路老化導致設(shè)備不能夠聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計部門下達的生產(chǎn)計劃不能直接傳輸?shù)矫颗_生產(chǎn)設(shè)備上，生產(chǎn)計劃單在執(zhí)行中對應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、生產(chǎn)加工報廢統(tǒng)計大部分時候還是采用人工紙質(zhì)表格進行記錄、簽字、歸檔和整理，只有在事后追蹤認責時才能發(fā)現(xiàn)最終原因，導致處理周期長、效率不高，各方推諉且在工人更換生產(chǎn)設(shè)備或者加工零件原材料等情況下困難重重。

2）生產(chǎn)過程中無法對在加工產(chǎn)品涉及的所有數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和上傳，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，產(chǎn)生錯誤代碼也無法及時獲取并處理，不利于對不合格產(chǎn)品進行溯源追蹤。

3）設(shè)計部門和管理部門也不能對車間生產(chǎn)加工情況進行實時跟蹤，不能及時獲取支持運營的關(guān)鍵性生產(chǎn)數(shù)據(jù)，難以判斷訂單的完成率，無助于對下一步生產(chǎn)計劃的調(diào)整和加工時間周長的優(yōu)化。

以上問題如果在現(xiàn)代加工過程中得不到有效的改善，將會嚴重阻礙企業(yè)向智能化、數(shù)字化、信息化的智能制造方向發(fā)展。

世界經(jīng)濟格局兩大趨勢不可忽視：一方面實體經(jīng)濟的戰(zhàn)略意義再次凸顯，另一方面是新一輪工業(yè)革命正在深化。未來，在“制造業(yè)數(shù)字化智能化”這樣一個核心技術(shù)方面，需要實現(xiàn)戰(zhàn)略性的重點突破和跨越，實現(xiàn)我國從制造大國到制造強國的跨越式發(fā)展。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)和重要手段

1.工業(yè)革命的核心技術(shù)

制造業(yè)“數(shù)字化智能化”是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)。數(shù)字化智能化技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新和制造技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)。

2.實現(xiàn)創(chuàng)新的重要手段

應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和智能技術(shù)的創(chuàng)新，核心就是數(shù)字化。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，產(chǎn)品工作狀態(tài)與環(huán)境等相關(guān)信息的實時檢測、處理、補償及控制成為可能，系統(tǒng)的自適應(yīng)、自學習、自我決策等能力不斷提高，必將全面提升產(chǎn)品設(shè)計、加工和管理的水平。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步驟

以下將從業(yè)務(wù)敏捷性和業(yè)務(wù)健壯性兩個維度進行分析。

1.業(yè)務(wù)敏捷性

業(yè)務(wù)敏捷性方面的轉(zhuǎn)型通常包含以下幾步。

1）構(gòu)建PaaS平臺，把服務(wù)器平臺作為一種服務(wù)提供的商業(yè)模式。云計算時代相應(yīng)的服務(wù)器平臺或者開發(fā)環(huán)境作為服務(wù)進行提供就成為了PaaS平臺，平臺即時服務(wù)，開發(fā)人員直接使用構(gòu)建的應(yīng)用程序環(huán)境，比敏捷開發(fā)的開發(fā)速度更快，讓業(yè)務(wù)迅速反應(yīng)并具有彈性。

2）基于PaaS實現(xiàn)DevOps PaaS平臺可以提高基礎(chǔ)設(shè)施的敏捷從而加快業(yè)務(wù)的反應(yīng)迅速，而DevOps則是在流程交付上加快業(yè)務(wù)的反應(yīng)速度。通過DevOps可以完成持續(xù)集成、持續(xù)交付，加速價值流交付，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)健的更新?lián)Q代。

3）借力輕量級應(yīng)用服務(wù)器來為現(xiàn)有單體應(yīng)用加速。大部分傳統(tǒng)應(yīng)用都是在確保企業(yè)能夠運營、加工、交付和創(chuàng)收為關(guān)鍵，不能輕而易舉地取而代之，需要設(shè)計者充分了解實際加工應(yīng)用過程后，不斷調(diào)整、不斷改良再與新的云原生應(yīng)用整合到一起，起到更加完善的作用。

4）選擇云原生的應(yīng)用開發(fā)和運行框架。隨著物聯(lián)網(wǎng)（loT）、機器學習、人工智能（AI）、數(shù)據(jù)挖掘及圖像識別等新興技術(shù)的興起，可以根據(jù)指定業(yè)務(wù)應(yīng)用需求來選擇語言或框架開發(fā)。

5）實現(xiàn)微服務(wù)管理。梳理現(xiàn)有業(yè)務(wù)層級和復雜度，通過微服務(wù)化改造，將復雜業(yè)務(wù)化整為零變?yōu)樾〉膯卧?，但并不破壞不同單元之間的關(guān)聯(lián)性，既支持各自獨立又可以整合為一體進行更新，以達到業(yè)務(wù)層面全面提升。

2.業(yè)務(wù)健壯性

業(yè)務(wù)健壯性的提升通常分為以下幾步。

1）建設(shè)單一數(shù)據(jù)中心。絕大部分企業(yè)級客戶（如金融、電信、醫(yī)療和能源客戶）數(shù)據(jù)運行都有各自的企業(yè)數(shù)據(jù)中心云斷，所以在數(shù)據(jù)中心初期建立時，通常都是單一數(shù)據(jù)中心。

2）建設(shè)多數(shù)據(jù)中心。隨著企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)模的擴張和提升，通常會選擇建設(shè)云備份或者雙活數(shù)據(jù)中心，可以保證數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)整體故障時，整體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)不會受到影響。

3）構(gòu)建混合云。隨著共享云的普及，部分企業(yè)級客戶，尤其是制造行業(yè)的客戶，開始將一些前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)向共享云遷移，這樣客戶的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)最終成為混合云的模式。

應(yīng)用服務(wù)的若干階段

在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，企業(yè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)相輔相成。大部分的基礎(chǔ)架構(gòu)需要無縫地銜接各類基礎(chǔ)設(shè)施。如共享云、私有云及混合云，可以簡單明了地實現(xiàn)對數(shù)據(jù)計算、過程及結(jié)果存儲、網(wǎng)絡(luò)資源的使用管理與監(jiān)控。

1.數(shù)據(jù)連接、采集、整理與匯編

數(shù)據(jù)是數(shù)字化的基礎(chǔ)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的第一步就是要將所有數(shù)據(jù)整合連接。數(shù)據(jù)采集的成本很高，所以一般建議先模擬數(shù)字化路線和場景的規(guī)劃，自頂而下地驗算到底需要哪些數(shù)據(jù)及其采集技術(shù)，數(shù)據(jù)采集的重點難點不在于技術(shù)操作層面，而在于業(yè)務(wù)各個部門的協(xié)調(diào)推動。

采集到數(shù)據(jù)以后，首先要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在數(shù)字化規(guī)劃階段，對全數(shù)據(jù)鏈路進行詳細設(shè)計并推演，同時進行以下幾個要點：

1）多個系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，保證統(tǒng)一時期同一種數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中驗算結(jié)果是一致的。

2）通過數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計使得相鄰環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可相互對比驗證。

3）數(shù)據(jù)質(zhì)量可以融入日常管理流程進行運用。

采集到的數(shù)據(jù)往往都分布在各業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)內(nèi)，但是之后的分析會涉及多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，故而各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)墻也要相通，避免出現(xiàn)不相容而成為數(shù)據(jù)孤島。

總而言之，就是以數(shù)據(jù)分析為起點，向上要做到數(shù)據(jù)口徑的統(tǒng)一，向下要做到數(shù)據(jù)整合—數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)分析—數(shù)據(jù)儲存—可視化在一個系統(tǒng)平臺上進行。

2.數(shù)據(jù)的分析及可視化

數(shù)據(jù)連接完成后，其次就是基于業(yè)務(wù)需求分析和可視化展示。分析可以分為歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)實數(shù)據(jù)按指標、業(yè)務(wù)歸類顯示，生成報表，同時傳輸可視化報告。

3.精益求精的分析

當企業(yè)具備了自動化和信息化的基礎(chǔ)建設(shè)后，都會開始思考如何提高效率、降低成本，因此會進入第三階段精益求精的分析。這個階段大多會用到數(shù)字化軟硬件技術(shù)和設(shè)備，來簡化并優(yōu)化流程，將原來的現(xiàn)場診斷修改步驟逐漸轉(zhuǎn)化為結(jié)合實時驅(qū)動的數(shù)字化診斷，全面、及時地的去發(fā)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)中存在的隱患并得到妥善修改。

4.高階分析

基于第三階段精益求精分析的結(jié)果，企業(yè)及其管理者被賦能，會準確、及時地發(fā)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)運營問題，做到找出原因且提供解決方案的挑戰(zhàn)。這時候需要通過大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對最佳歷史實踐進行提煉并預測，輔助管理人員進行快速決策，乃至解放管理人員進行自動決策，從而真正實現(xiàn)企業(yè)智能制造，是為高階分析，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)連接高階分析

5.全面轉(zhuǎn)型

當企業(yè)推進內(nèi)部的智能高階分析到一定階段后，必然需要與全供應(yīng)鏈的其他智能企業(yè)進行鏈接，實現(xiàn)智能制造的全面轉(zhuǎn)型，如圖2所示。

圖2 智能化全面轉(zhuǎn)型

數(shù)字化轉(zhuǎn)型實施案例分析

下面以WinCC+OPC技術(shù)為例來說明傳統(tǒng)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的案例。

1.數(shù)字化車間信息管理模式

目前傳統(tǒng)企業(yè)的制造車間在數(shù)字化管理方面存在嚴重不足，于是提出了數(shù)字化車間信息管理模式，如圖3所示，該數(shù)字化車間信息管理模式由三個部分組成。

圖3 數(shù)字化車間信息管理模式

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集 每條生產(chǎn)線的工位端都配備了一臺智能化終端，通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和企業(yè)資源管理系統(tǒng)互聯(lián)互通，做到上傳下達指令。

（2）企業(yè)資源管理終端 通過企業(yè)資源管理系統(tǒng)，工廠可以制定生產(chǎn)計劃，向每條生產(chǎn)線發(fā)送生產(chǎn)指令，收集終端信息，并隨時在資源管理終端上直觀地顯示工廠內(nèi)每臺設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)。

（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)端 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要存儲有關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的基本生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并提供有關(guān)損壞率的數(shù)據(jù)。同時，它還存儲了工廠工人的基本信息，以便在工人訪問系統(tǒng)時查看基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.數(shù)字化車間管理系統(tǒng)體系

數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)必須與現(xiàn)有的企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)集成，并整合來自主設(shè)備控制器和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備的信息。系統(tǒng)應(yīng)從公司管理系統(tǒng)中獲取生產(chǎn)計劃信息；獲取實時生產(chǎn)信息，如產(chǎn)量、設(shè)備狀態(tài)、溫度和壓力；記錄、修改、保存與提示生產(chǎn)參數(shù)；最大限度地利用公司資源，實現(xiàn)企業(yè)資源與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化。

如圖4所示，該控制與管理系統(tǒng)可分為以下三層，分別是數(shù)據(jù)采集部分、管理核心部分和資源管理部分。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

數(shù)據(jù)采集部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，大部分由硬件設(shè)備組成，主要用來采集數(shù)據(jù)。而管理核心和資源管理部分則根據(jù)各層采集的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，完成可視化監(jiān)控和生產(chǎn)管理功能。

管理控制部分是整個系統(tǒng)的核心，主要有以下四個功能：

1）接收企業(yè)自己選用系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃信息，并存儲和顯示這些信息，最后將重要的生產(chǎn)信息存儲在數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

2）在生產(chǎn)過程中利用數(shù)據(jù)采集部分來記錄、存儲和讀取數(shù)據(jù)收集區(qū)收集的數(shù)據(jù)，以便有效控制生產(chǎn)過程。

3）控制生產(chǎn)設(shè)備，修改和保存生產(chǎn)參數(shù)并記錄到主控系統(tǒng)中，以確保對生產(chǎn)設(shè)備的有效控制。

4）與生產(chǎn)人員進行人機交互，核實生產(chǎn)人員身份和生產(chǎn)機器材料數(shù)量等信息，記錄和存儲生產(chǎn)人員在機器上執(zhí)行的相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)。

數(shù)據(jù)資源管理部分，主要用于備份加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，為加工產(chǎn)品的質(zhì)量和降低壞損率提供保障；同時保存了系統(tǒng)用戶的基本登錄信息。

3.系統(tǒng)功能設(shè)計

為滿足數(shù)字化車間生產(chǎn)監(jiān)視、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲和生產(chǎn)操作等功能要求，系統(tǒng)共分為生產(chǎn)操作、加工監(jiān)控、數(shù)據(jù)回放、參數(shù)設(shè)置、工藝文件查看、人員管理和工單留存7個功能模塊，如圖5所示。

圖5 控制與管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）生產(chǎn)操作 是操作員在加工和生產(chǎn)過程中最常用的模塊。操作員使用該模塊控制人員和加工材料，并報告加工錯誤。生產(chǎn)組長也使用該模塊向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫傳輸有關(guān)合格產(chǎn)品數(shù)量、廢品數(shù)量和所用材料質(zhì)量的信息。

（2）加工監(jiān)控 生產(chǎn)工藝人員在此模塊設(shè)置工藝參數(shù)，同時在產(chǎn)品生產(chǎn)時實時報錯糾錯等功能。

（3）數(shù)據(jù)回放 在該模塊中，車間管理人員可以從參數(shù)主曲線上查看存儲在數(shù)據(jù)庫中一定時間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備情況，系統(tǒng)將在本地和數(shù)據(jù)服務(wù)器上對生產(chǎn)過程信息進行保存，管理人員可以隨時了解情況，對不合格產(chǎn)品進行問題追溯，實時查看該產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史和數(shù)據(jù)信息。

（4）生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置 圖6所示為工藝系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖，該模塊主要為工廠的生產(chǎn)工藝人員提供一個修改主控系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)的入口，而工藝員則在該模塊中定義特定產(chǎn)品的工藝參數(shù)。

圖6 工藝員系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（5）工藝文件查看 生產(chǎn)人員可在此模塊查看存放于數(shù)據(jù)庫中的指導生產(chǎn)操作的生產(chǎn)工藝文件。

（6）用戶管理 圖7所示為管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，管理員可以管理系統(tǒng)賬戶、修改賬戶信息、創(chuàng)建新賬戶和刪除賬戶。由于車間員工流動性大，管理員需要為不同工作站的員工分配不同的系統(tǒng)訪問權(quán)限。用戶信息存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，當用戶從不同設(shè)備登錄時，他們會訪問同一數(shù)據(jù)服務(wù)器上的基本信息，以驗證他們的登錄信息。

圖7 用戶管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（7）工單緩存 如果與上一級系統(tǒng)的通信出現(xiàn)故障，有關(guān)已完成生產(chǎn)的信息會暫時儲存在本地系統(tǒng)中，待通信恢復后再傳送到上一級系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的建立

系統(tǒng)之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換。因此，強大的通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的先決條件。圖8所示為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通圖。企業(yè)ERP系統(tǒng)由于物理距離太遠，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和管理與控制系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)；而控制管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備物理距離近且為了連接的便利性，直接通過串行通信建立通信網(wǎng)絡(luò)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)信息流通圖

（1）基于OPC協(xié)議以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建立 當生產(chǎn)車間里所有智能終端都可以通過雙絞線和交換機連接在同一個局域網(wǎng)內(nèi)時，將可以采用Simatic WinCC OPC UA Server和ERP/OPC客戶機對數(shù)據(jù)進行交換。

（2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò) 當生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn)很多型號不同，并且支持的通信方式又不同的情況，此時為了有效快速地讀寫外部數(shù)據(jù)，會將該設(shè)備的數(shù)據(jù)映射到第三方服務(wù)器上，然后通過OPC服務(wù)器將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫到OPC服務(wù)器上，再通過WinCC中轉(zhuǎn)控制管理系統(tǒng)讀寫OPC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。避免因通信方式造成線路冗長和通信不暢。

5.系統(tǒng)的實現(xiàn)

WinCC是一款工業(yè)組態(tài)軟件，當系統(tǒng)采用WinCC作為開發(fā)平臺軟件，可以滿足復雜生產(chǎn)設(shè)施應(yīng)用的大部分要求，同時支持C/VB作為基礎(chǔ)代碼來擴展其功能。選擇KEP Server EX作為第三方OPC服務(wù)器完成對外部設(shè)備數(shù)據(jù)信息的讀寫。KEP Server EX是一款專業(yè)的OPC服務(wù)器軟件，支持250種以上的通信協(xié)議，可與幾乎所有第三方數(shù)據(jù)設(shè)備通信。

結(jié)語

WinCC軟件強大的系統(tǒng)配置和多腳本功能可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，即利用OPC技術(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通信，可快速建立上層ERP通信連接，又可同時將OPC服務(wù)器底層的軟硬件數(shù)據(jù)映射到WinCC系統(tǒng)，避免了舊機型的數(shù)據(jù)采集和單一通信方式造成的讀寫困難。這不僅提高了生產(chǎn)效率和公司管理水平，還可作為公司信息建設(shè)的參考。該系統(tǒng)在將傳統(tǒng)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化生產(chǎn)方面發(fā)揮重要作用。