基于工業互聯網架構的低壓電器數字化車間統一信息管理平臺建設與應用*

高孝天, 胡 敏, 官永安

[1.上海電器科學研究院, 上海 200063;2.上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

低壓電器作為電力系統基礎元件,是國民經濟和社會發展的重要基礎,現階段行業內主要采用傳統的勞動密集型生產方式,勞動生產率低,產品不良率高,近年來由于人力成本的上升造成產品利潤率明顯下降。同時,低壓電器是量大、面廣的電力系統基礎元件,行業傳統制造模式在產品迭代速度、一致性、可靠性等方面無法滿足“雙碳”背景下新型電力系統建設中復雜多變的市場要求[1],中高端產品缺乏市場競爭力。

隨著國家“制造強國”等戰略的深入推進,低壓電器行業部分企業開展了智能制造與工業互聯網應用探索,但限于技術、投入等方面的因素,行業內大部分智能工廠/數字化車間項目仍以生產裝備的自動化為主,其上的執行層與管理層信息系統作為輔助,未能真正應用工業互聯網技術,實現全流程數字化、信息化和智能化,企業生產制造、庫存、管理等環節未能互聯互通,各系統間形成多個信息孤島,難以實現產品質量追溯、預測性維護等新模式的應用。

本文將面向行業數字化車間建設過程中統一信息管理需求,建設形成輕量級的數據采集、互聯互通、智能分析與統一展示解決方案,并在行業企業中完成試點應用,實現對下階段低壓電器行業數字化轉型手段的有效探索。

1 行業需求分析

1.1 異構數據采集的需求

數據泛在感知是數字化車間建設的重要條件,當前低壓電器車間自動化、信息化水平正快速提升,數據量與數據類型爆炸增長,且廠商分散、協議眾多。經調研,車間中常用的通信協議包括各類現場總線協議、OPC/OPC UA、MT Connect、NC-Link等[2]。同時,還包含監控視頻信息、時序數據信息等異構數據,傳統方式難以處理。需要實現信息統一采集、匯聚與管理。

1.2 邊緣計算的需求

隨著行業在設計、制造、應用等全環節中的數據量增加,對邊緣計算的需求也相應提升。如行業對小型斷路器裝配檢測節拍普遍小于2 s/極,檢測參數超過10個,涉及5個以上工位,加上對產品精細化追溯、質控提升需要,產生大量的數據,有必要應用邊緣計算進行數據清洗與本地化分析,以減輕云平臺存儲與計算壓力。

1.3 互聯互通數據增值的需求

在大規模數據采集與邊緣計算的基礎上,實現信息互聯互通,挖掘數據開發利用潛力是當前行業數字化車間發展方向,將在設計、制造、檢測、運維等多個方向得到應用。以產品質量追溯為例,通過制造參數、質檢數據、物流信息間的信息集成,實現產品全生命周期質量追溯,并反饋至設計、工藝、檢測等環節。同時,未來定制化生產、供應鏈協同等先進制造模式也對數據互聯互通提出了更高需求。

1.4 統一信息展示需求

在數字化車間起步建設階段,從面向生產人員過渡的易用性以及對外展示效果等方面,工廠普遍具有大屏展示需求。而傳統大屏展示方案采用組態工具構建,主要面向工控領域,在生產過程中存在信息密度低、系統笨重等弊端[3]。因此需要工業互聯網云平臺的架構,提供多樣化、敏捷化的前端開發能力,實現高效率的信息集成展示[4]。

2 平臺架構

低壓電器數字化車間統一信息管理平臺架構按照工業互聯網應用的一般層級架構設計[5],本平臺開發內容主要集中于數據接入層、邊緣層與應用層中。低壓電器數字化車間統一信息管理平臺架構如圖1所示。

圖1中,數據接入層為實現工廠多協議數據的采集、轉換、上云;邊緣層為實現所采集信息的邊緣計算與分布式存儲;IaaS層為租賃第三方云服務,提供云服務器、存儲、運維等能力;PaaS層為以開源解決方案為基礎,定制結合行業需求的低代碼開發、機理模型庫等工具化能力;SaaS層為構建工廠統一信息管理平臺,實現生產、研發、能效、設備、質量的統一管理與展示。

3 關鍵建設內容

基于行業發展需求,設計并完成了低壓電器數字化車間統一信息管理平臺的具體功能開發,主要分解為4個主要模塊。

3.1 低壓電器生產設備數據采集接口模塊

面向行業異構數據采集接入需求,開發低壓電器生產設備數據采集接口模塊,主要內容包括:

(1) 梳理不同廠家設備的通信協議要求,開發大范圍、深層次的實時數據采集、協議轉換中間件。實現各設備間通過Modbus-TCP、DeviceNet等現場總線通信協議的兼容集成,實現不同制造功能、定制化程度高、通信協議復雜設備的同時接入,保障各類設備信息穩定傳輸。

(2) 針對目前生產設備主流采用的OPC協議,建立OPC Server,實現數據向外部系統的統一傳送。所開發的數據采集軟件可靈活配置各PLC設備的設置信息,并添加對應PLC設備的傳感器或寄存器。

(3) 通過中間件、共享數據庫等模式結合,實現車間設備、系統向統一信息管理平臺的數據傳送。

在數據采集的基礎上,針對平臺在低壓電器車間應用的需求,項目基于相關標準[6],歸納整理了低壓電器產線設備的典型數據字段,形成產品制造過程數據字典。

基于標準化的數據字典,實現了不同品牌型號設備同一數據的統一管理,支撐后續對生產過程關鍵數據的分析、提煉,并在優化作業流程、整合產線資源、提高生產效率等方面發揮積極作用。低壓電器產線數據字典(部分示意)如表1所示。

3.2 低壓電器生產設備數據邊緣計算模塊

開發邊緣計算模塊,實現了對于采集數據點靈活配置計算表達式,并在邊緣側完成自動計算。具體包括以下幾方面的功能:① 邊緣計算數據顯示,即可在相應視圖查詢到實時的計算值及計算時間。② 計算表達式配置,即可添加計算表達式,按照一定規則填寫相應的計算表達式；支持算術運算符、比較表達式、布爾邏輯運算等。③ 變量綁定,即可對采集的數據進行變量綁定,形成新的虛擬變量,實現表達式間的嵌套與復雜計算;計算周期設置,即可對具體某個表達式的邊緣計算周期進行設置,滿足不同需求。

在低壓電器數字化車間使用中,可通過邊緣計算實現產品合格率、設備稼動率等指標的統計等功能,減輕云平臺計算壓力。項目采用的部分邊緣計算公式如表2所示。

表2 項目采用的部分邊緣計算公式

3.3 低壓電器產品質量追溯及設備管理模塊

項目前期開展了行業技術調研,應用適應低壓電器行業生產設備、主要產品的編碼規則與信息架構,建立標準化的元數據模板,實現工廠內部編碼數據的統一管理與追溯[7]。

基于編碼系統,開發了低壓電器產品質量分析及追溯模塊,實現產品的唯一編碼,可根據產品ID查詢產品質量信息,提升車間制造信息與運維信息可追溯化水平,支撐產品全生命周期管理。產品關聯的信息主要包括:零部件追溯信息、生產制造過程參數、設備信息、人員信息、在線調試數據、設備在線檢測數據、質量狀態等。

同時,項目開發了低壓電器數字化車間設備管理子模塊,根據統一規則對各設備/傳感器進行唯一編碼,實現各設備的精確定位、信息管理等功能。

3.4 低壓電器數字化車間統一信息管理平臺

項目開發了基于Spring Cloud架構的云端低壓電器數字化車間統一信息管理平臺,可匯總邊緣計算形成的數據并開展大數據分析處理。

(1) 完成對車間生產設備、ERP企業資源管理計劃系統、MES生產執行系統、PLM產品生命周期管理系統、WMS倉庫管理系統等關鍵數據集成。

(2) 基于數據經過一定邏輯的整合、梳理、分析,形成車間訂單/工單信息概覽、財務信息概覽、倉儲信息概覽、研發進度概覽、生產信息概覽等頁面。

(3) 綜合各概覽頁面信息,形成數字化車間駕駛艙,實現工廠設備、產品生產全制程數據的管理與追溯。

(4) 完成對多終端定制開發的適配,支持大屏展示、車間看板、移動端App等不同層級需求,滿足車間信息高效分享、用戶反饋快速響應的需求。

4 應用案例

2018～2021年,在某合作企業塑殼斷路器數字化車間完成統一信息平臺的應用。該車間為100 A殼架塑殼斷路器手工裝配、自動化檢測車間。車間前期已實現了自動化裝備、MES、ERP、WMS等分項系統建設?；谔嵘囬g數據利用水平,挖掘提質降本增效潛力的需求,開展了統一信息管理平臺的建設應用。塑殼斷路器數字化車間統一信息管理平臺示范架構如圖2所示。

圖2 塑殼斷路器數字化車間統一信息管理平臺示范架構

下面,對項目各軟件模塊應用情況進一步說明。

(1) 數據采集:在塑殼斷路器自動化裝配及在線檢測單元設備管理工控機中部署數據采集模塊,搭建OPC Server,實現以統一的方式訪問各現場PLC,并將塑殼斷路器生產及測試過程中的數據采集存儲。

(2) 邊緣計算:在塑殼斷路器自動化裝配及在線檢測單元設備管理工控機中部署設備側邊緣計算模塊,就近提供邊緣智能服務,提供生產裝備運行數據的處理功能,如合格率、稼動率、生產效率、設備運行狀態統計等計算,實現只向統一信息平臺上傳關鍵數據。各條產線完整數據分別存儲于本產線的分布式數據庫中,可在云端調用并整合關鍵數據,指導串行生產線的協作,并行生產線的訂單完成與分配等。

(3) 設備管理及產品追溯:完成車間現場的主要生產設備在系統中的注冊,分配唯一設備ID,可通過系統網頁鏈接實時查看各設備的狀態、數據,并配置設備的采集參數。產品追溯中存儲關鍵測試參數、在線測試結果等信息,可用于后續產品全生命周期健康分析,并對高價值產品實現一物一碼追溯。

(4) 統一信息展示:在統一信息展示中實現對底層生產設備、車間MES系統、ERP系統、WMS系統等關鍵數據的匯總,可提供生產狀態監控、產品質量追溯、設備管理等信息展示。完成相關信息在車間辦公室大屏、產線看板上的分級、分類展示。

示范項目完成了接入并展示的信息。統一信息平臺示范接入信息表如表3所示。

表3 統一信息平臺示范接入信息表

通過本平臺建設,在企業中實現了車間各設備、各系統間信息的全面采集、整合利用與統一展示,實現工業生產及質量檢測的信息化、實時監控、邊緣計算、產品追溯、運維管理等一系列功能。據示范企業提供數據測算,在上線本平臺3個月后,企業生產效率提升5%以上,管理成本節省10%以上。

5 結 語

本項目完成了低壓電器工廠統一信息平臺的開發與應用,有效實現了工廠層面的全制程數據采集、分析、管理,有望解決國內低壓電器生產制造企業普遍存在的信息化程度偏低、各系統間相對獨立、數據利用率低等難點,加速低壓電器行業從傳統手工制造向信息化制造的轉變,對行業數字化轉型發展具有較好的示范引領作用。

未來將在本項目成果基礎上,持續擴大平臺規模與覆蓋面,實現跨企業的共享信息云平臺,最終建立起聯通全行業的數據共享與協同制造機制,預期將在供應鏈優化協同、遠程運維與服務等領域發揮更大價值。