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SCADA系统在智能工厂的典型应用

2019/10/22    来源:自动化博览    作者:曾玲      
关键字:SCADA  智能工厂  
企业实施智能制造的基础是打破信息孤岛,实现设备的互联互通,在现有的工厂中,往往存在不同型号、不同年代的设备,在新的工厂建设中设备通信接口类型多,协议复杂成为凸显的问题,本文介绍了基于和利时新一代的SCADA系统在机械加工行业的一个典型应用,将现场多个车间多个产线的不同设备和系统通过不同的通信方式集成在了统一的数据平台,为实现透明化的生产管理提供了基础保障。

1、引言

    以新一代信息技术与制造业深度融合的智能制造正在全球引发新的工业革命。智能工厂作为智能制造的重要载体,需要对工厂、车间、产线、设备的各维度数据进行充分的集成、处理、分析和展现。中国作为制造业大国正面临着巨大的转型压力。劳动力成本迅速攀升、客户个性化需求不断增长,迫使制造企业从低成本竞争策略转向建立差异化竞争优势,加上国家和地方政府的大力扶持,使越来越多各行业的大中型企业开启了智能工厂建设的征程。工厂/车间内各种数据的互联互通作为智能工厂建设的前提与基础逐步呈现出井喷式的发展势头。

2、智能工厂简介

    2.1 建设需求

    传统的工人+流水线+批量生产的工厂模式已不能满足制造业日益多样化、个性化的生产需求。智能工厂的建设要通过构建智能化生产系统、网络化分布生产设施,实现生产过程的智能化。

    智能工厂建设的物理基础是工厂内不同层级的硬件设备,包括最小的嵌入设备、传感器、制造设备、制造单元和生产线等各种硬件设施。在引入硬件设备时要避免陷入一个误区:只有采购数字化设备才可能建设智能工厂。即便工厂全是数字化设备,如果没有实现设备的互联互通,没有实现生产过程的智能管控,数据没有实现真正的有序流动,智能工厂的建设也只能是纸上谈兵。相反,即便工厂中的设备不全是数字化设备,通过改造设备可以被接入信息系统,生产过程可以实现数字化、网络化、智能化,对生产计划、生产资源、生产进度等数据在信息化系统中进行有效的管控,智能工厂的建设也就迈出了重要的一步。因此生产设备与设施的互联互通,可以打破以往设备独立感知和信息孤岛的壁垒,它是智能工厂建设的重要内容。

    除此之外,信息系统与物理设施的融合也是智能工厂的建设重点,信息系统通过整合来自不同设备、不同系统生产过程中的各维度数据,实现对生产制造过程的实时控制,根据完整的生产数据获取、过滤、分析从而做出科学决策,并对生产过程进行管理优化,从而提升生产效益、降低生产成本

    智能工厂建设是一个复杂的系统工程,各企业应结合自身实际情况基于企业战略统筹规划,逐步理清建设目标、实施步骤,实现降本提质增效的目的。

    2.2 智能工厂架构

    智能工厂内的各类设备互联、数据采集、实时监控、生产管理等场景,是通过生产系统不同层级的不同产品来实现制造企业人、机、料、环、法一体化管理,完成生产设备、物流仓储、辅料、工具以及车间级、工厂级各信息系统的有机连接,从而为制造企业构建自动化、数字化、智能化的工厂。

    智能工厂系统架构分成设备层、物联集成、运营管理层、展示层,如图1所示。

智能工厂系统架构图
图1 智能工厂系统架构图

    (1)设备层:主要指生产过程中的各类传感器、仪器仪表、数控机床、机器人等自动化设备,实现生产过程的精确执行。

    (2)物联集成分为物联数据中心与物联集成应用,物联数据中心实现对生产过程中各类设备、仪表等的信息采集、处理、控制,同时也实现与MES、WMS等信息系统的数据交换,实现生产数据的有序流动;物联集成应用包括:设备监控、环境监控、能源监控、故障诊断等,实现了对生产的全面集中监控。

    (3)运营管理层主要指MES、WMS、ERP等为中心的信息系统,实现对计划调度、工艺执行、生产物流等生产各环节的整体管控。

    (4)展示层:根据展示对象、展示方式不同,可以分为大屏显示、PC端C/S,B/S显示、看板显示以及移动端显示等。

    2.3 基于SCADA构建工厂数据集成平台

    SCADA系统属于智能工厂系统架构的物联集成层,定位为数据的采集与监控、提供开放的协议与第三方系统互联、数据存储和分布式计算等,它是设备层与运营管理层的桥梁,构建车间级、厂级的数据集成平台,为上层应用提供统一的数据采集服务、统一的数据存储服务和数据查询服务。

    在智能工厂中,基于的SCADA数据集成平台能力包括:

    (1)设备接入:可以将工厂、车间、产线、设备的各维度数据进行充分的集成,构建工厂数字化物联基础;

       (2)统一的数据集成平台:提供数据存储支撑,完成现场数据管理;并以统一的标准接口,实现与上层信息系统的数据交互;

    (3)生产监控:将采集到的实时数据进行可视化展示,真实的反应工厂生产过程;

       (4)系统联动:作为设备与设备、事件与事件之间的桥梁,实现设备和系统间的联动控制,满足产线级协同生产、跨系统协同管理的要求;

    (5)数据分析:将工业数据进行预处理与分析,辅助生产管理的决策。

3、SCADA在机械加工行业的典型应用

    3.1 应用需求

    在《中国制造2025》背景下,机械加工企业对智能制造的理念是认同的,但是受到产品制造工艺复杂程度的影响较大,简单加工企业只关注单机的生产能力,生产复杂产品(装备)的企业则注重工段和产线级别自动化,以及信息化建设。大部分企业的自动化程度不高,且以单机设备自身的自动化为主,仅少数大中企业实现了工段自动化,产线自动化基本未形成,主要体现在以下几个方面:

    (1)设备联网:焊接设备、机加设备、装配设备工具、检测设备等大部分设备没有联网,处于信息孤岛。

       (2)设备状态监控:设备运行状态不能远程监控,生产过程中的关键工艺参数不能自动采集。

    (3)设备管理:设备管理没有高级的管理系统支持,停留在Excel的方式管理阶段。

    (4)质量信息:过程质量信息零散分布,专检、自检等信息仍为纸质记录,未集成到信息系统,不能建立整机质量档案。

    (5)过程追溯:生产线前段、后尾都没有做标识管理,中间过程的所有数据都无对应到产品ID。产品ID记录手段复杂,期间人为干预因素过多,导致ID记录与实际产品编号对应容易出错。

    (6)报工手段:产量报工基本靠班组长人工记录。人工工时报工方式单一,准确性较差。机器工时靠人工记录,准确性不高。

    (7)可视化水平:现场生产状态信息透明度低,管理人员无法远程监控生产情况。智能制造和数字化工厂已是制造性企业转型升级的重要路径,机械加工企业的数字化转型,首要的就是先采用物联网等技术,构建全厂数据集成平台,实现设备互联与数据实时采集,提供全厂数据的统一存储管理和统一数据服务,实现生产数据的可视化展示。

    3.2 应用方案设计

    机加工行业SCADA系统分为设备层、数据层、应用层和展示层,具体架构如图2所示。

基于和利时SCADA的集成方案
图2 基于和利时SCADA的集成方案

    整个方案采用和利时自主研发的HolliSCADA数据集成平台,完成对机加工车间生产数据实时采集、监控、分析,并能够将车间的各种设备进行集成,将中控画面还原到管理者桌面,为企业设备工程师、质量工程师、工艺管理人员提供生产指导。其中数据层为整个架构中的核心层,包括数据采集与数据管理两大服务功能。数据采集服务负责将整个工厂内与生产线相关的几十个厂家数百台PLC类设备、数控机床、机器人、上位系统等进行统一的数据采集。数据管理层包含了实时数据库、历史数据库、关系库服务、命令系统、报警服务、日志服务、权限服务、冗余管理等多个基础服务。

    SCADA系统链接工厂底层设备及控制系统,采集生产、设备、工艺质量、物料、人员等各种生产相关信息,同时通过SCADA平台软件提供标准的OPCUA、MQTT、WEB Service等对外提供数据接口,供第三方系统调用。MES、WMS等系统会与SCADA通过软件接口进行双向信息交互:一方面,MES系统从SCADA获得实时生产过程数据;同时,SCADA系统接收来自MES的生产指令,并下发现场设备执行。

    3.3 设备接入

    机加工生产过程会产生大量的数据,包括生产控制数据、工艺数据、产量数据、设备运行数据、质量数据等。根据现场的实施经验,机加类产品生产要采集的通用设备包括:

    (1)自动/手动焊机:采集点包括焊接程序编号、焊机设定电流、设定电压、工作电流、工作电压、焊速、送丝速度、起弧灭弧时间、冷却时间、焊机运行状态、上料下料时间、报警信息等。

    (2)机加设备:采集点包括设备ID、主程序号、主轴转速、主轴负荷、主轴倍率、三色灯状态、进给速度、进给倍率等。

    (3)RGV小车:采集点包括运行状态、行走速度、位置、报警信息等。

    (4)各类专机如调型设备:采集点包括铰点对称度、调型量、调型压力、调型时间、设备状态、报警信息等。

    以焊机为例,在现场实施时主要的接入方式如表1所示。

焊机在现场实施时主要的接入方式
表1 焊机在现场实施时主要的接入方式

    3.4 可视化应用设计

    制造过程可视化是工厂生产状态的直观展示。HolliSCADA集成平台支持脚本语言和HTML,可以结合2D/3D动画和数据仪表盘等,将生产车间内各个工段、设备状态和数据以直观的形式进行展现。系统可以从多个工业实时数据库和关系数据库中获取数据,提供丰富的图形分析组件完成各种统计分析数据展示。集成多种数据源和数据库数据,无需编程,通过简单的拖放操作便可轻松地配置报表,编排生成美观、详实的动态报表。

    SCADA系统可以根据系统中已有的实时数据、历史数据、日志、计算值等,按用户预定义报表模板自动或手动对数据进行统计,并按预定义展示格式进行展示或打印。

    系统画面以制造车间的仿真场景为基础,对各个工艺、重要设备的形态都进行复原,设备状态、作业流转状态在厂房视图当中直接显示;在单体设备画面中,机械设备的运行模式直接以仿真动画的形式展现,并与仿真系统结合实现生产过程实时模拟仿真;而在工艺看板界面中,根据当前工位正在生产的产品推送相关的作业指导书、产品特殊要求等。

    工厂可视化应用常规功能包括:

    (1)系统总貌:展示公司鸟瞰图/平面图,可以直观显示公司主要车间的所在地点;也可快捷通过沙盘图调用相关子系统监控图;

    (2)车间工艺图:按公司生产工艺流程涉及的工艺设备,直观展示主要工艺流程,也可快捷调用到相关设备系统监控图。

    (3)工序设备图:根据工序设备数据及展示需要,用设备运行图示、表格、曲线等结合方式显示:设备运行状态、生产主数据、工艺主数据、质量主数据等。

    (4)系统报警:显示系统正在发生的报警信息,提供方式:声音报警、文字报警、推画面报警、灯光报警等。对于不同等级不同状态的报警可以通过颜色、闪烁状态进行区分,同时提供报警确认、报警禁止、报警筛选、报警推送、报警导出、报警打印等功能。

    (5)系统日志:记录和查询用户在系统内对用户管理、报警操作、数据修改、设备远程控制等的详细信息。

    (6)历史趋势:显示某一个或多个模拟量在一段时间内的变化规律,通过曲线方式对多个模拟量进行比较,判断其发展趋势,通过分析数据可以发现生产规律,提高生产效率。

    (7)工业视频:通过远程摄像头实时的监视和记录工作现场的生产情况,包括:实时监控、图像抓拍、远程回放、本地录像保存与播放、视频联动等功能。

    (8)网络诊断:显示系统内部软件组件和硬件设备的运行信息,诊断系统设备状态,在发现设备或组件异常时发出报警信息,提示用户尽快进行处理,并将信息记录在历史日志中。

    (9)统计报表:依据生产的实时数据、历史数据、报警、日志、关系数据等信息展示按班次、每天、月度、季度、年度的生产、设备效率、能耗、质量等业务数据的统计分析报表。

    图3为设备可视化展示典型画面示例。

设备效率展示
图3 设备效率展示

    展现画面除了能显示在大屏幕上、台式机桌面、车间电子看板上外,也可以显示在手机或平板终端上。

    图4为手机终端展示效果。

手机APP展示
图4 手机APP展示

4、展望

    本文介绍了基于和利时新一代SCADA产品在机械加工行业智能工厂建设中的典型应用,可对现场车间和产线设备进行联网及数据采集,提供工厂级、车间级、产线级以及设备级数据监控、数据统计分析等功能,实现工厂生产过程数据可视化。随着工业4.0的稳步发展,越来越多的制造企业纷纷开始布局智能工厂,打造智能工厂需要将智能装备(包括但不限于机器人、数控机床、自动化集成装备等)通过通信技术有机连接起来及数据间的互联互通,信息系统将采集到的工业数据用于实时监控、协同管理、历史追溯、预测分析、优化提升,最终实现生产方案智能化。

    作者简介:

    曾玲(1982-),女,高级工程师,研究生,现就职于北京和利时智能技术有限公司,主要研究方向是智能制造、数据采集与监视控制。

责任编辑:杨培
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