智能工厂设备建模问题研究

于 滢，李 准，邱燕超，王泽璋，孙天宝，刘靖辉

(1.中国计量科学研究院，北京 102200；2.北京工商大学，北京 100048)

0 引言

本文背景工厂为某压缩机工厂，设备层的生产设备种类多样，通信协议则存在差异，以目前影响力最大的3个自动化厂家如MODICON主要采用了Modbus协议、AB主要采用Ethernet/IP协议、SIEMENS则主要采用Profibus工业局域网协议。这使第三方设备供应商在选择工业网络标准时面临选择，最终通信接口只能选择一种，因此造成了互联互通困难[1]。设备互联互通包括基于CPS架构的设备通信及建模。以CPS为基础，由智能工厂、智能生产和智能物流3个子系统构成的互联网环境下的智能制造框架。CPS的意义在于将物理设备联网，使物理设备更加智能。国内各工厂现状使得改变物流系统工程巨大，短期难以实现，因此智能工厂子系统及智能生产子系统是各工厂向智能工厂演进的重要路线[2]。基于CPS的设备定义与建模使设备与设备之间可互相通信，从而实现工厂中设备的互联互通。

1 多源异构通信协议

1.1 互联互通现存问题

该厂现有的生产化结构中，每条生产线包含多台设备，每类产品由一条或多条生产线生产而成，设备之间独立又有联系。为实现智能化生产，首先要使设备到上位机以及设备到设备之间能建立起通信。因此制定出以下数据采集通信方案，方案如图1所示。

图1 数据采集方案

将每条生产线中的几台设备连接至同一网关，网关模块经由工业以太网接入上位机。为能与生产线中每台设备建立通信，需首先将设备连接至网关模块，为减少成本和增加可行性，根据工厂中设备现有情况进行改装。

表1 车间设备接口现状及处理办法

装配车间中典型生产设备如气缸调芯机、壳体热套机、线外充磁机、底座焊机及自动封油机均的PLC品牌均为欧姆龙品牌，而轴承调芯机为三菱品牌。同时同一品牌中的机器亦是对应不同型号，型号间构造差异使设备连接困难增加。

调研发现，装配车间目前典型的采集口现状分别有：有空闲的232接口、有无法通信但可转接的USB接口、有被占用的通信网口，还存在有USB接口但不能通信且不支持扩展。对应的处理方法为有接口的连接通信线进行连接通信，或接入有线/无线网桥进行通信等。

1.2 通信协议结构解析

智能工厂的设备层及单元层的互联互通在于互联网异构协议的互联互通。工厂中拥有多种品牌设备，每种品牌所支持通信协议可能不同。经调研改装后，工厂中设备连接后数据可经过网关向上传输，但数据上传后因通信协议不同或设备接口不支持而无法进行通信，因此，需对通信协议进行通信协议结构解析，得到统一格式的数据段，从而进行互联互通[3]。因此，在设备层与服务器层中，设备健康管理及能源预测中采用基于CPS的设备定义及数据采集系统，系统中将预存3000余种通信协议，使系统可随工厂设备支持的协议进行通信协议定制。

以三菱品牌中Q02UCPU型号为例，该设备采用的是Modbus协议，这是一种主从通信结构，因为只定义了协议层，支持多种电气接口，包括RS-232、RS-485甚至是以太网。Modbus的通信协议是公开的，可按照Modbus协议格式进行破解报文信息。如表2所示，Modbus帧结构包含4个部分：地址域、功能码、数据段及差错校验。

表2 Modbus帧结构

地址域为目的地址，功能码为操作方式，数据为真正要传输的内容，校验位则是检验传输是否有误，因此，破解Modbus帧结构只需按其结构拆解即可获得数据。在采集数据时，以Modbus RTU为例，将寄存器与数据帧结构对应，从而对寄存器进行操作，对应关系举例如表3所示。

表3 寄存器说明

通过对不同编码段的定义对应Modbus帧结构，使数据采集系统和寄存器实现通信，采集解析后的数据均采用double格式转为12字节，并以变量值形式存储。

通信方法一：通信协议公开，则根据相应帧结构进行通信协议为解析变量值，并以变量值形式存储。

通过对企业内部各因素竞争环境优劣势归纳分析，采取积极改进措施，发挥优势、减少劣势，是增强企业竞争力重要手段。对西部矿业来说，企业文化、人力资源、资源储备、技术设备都是影响其内部环境的主要因素。

通信方法二：通信协议不公开，如西门子MPI帧结构为保密的协议，因此需要通过接口函数调用动态链接库。

通过设备互联互通解决大工厂中设备种类繁多不易全面互联的基本问题，将物理设备通过网络信息系统架构与上位机服务器全面互联，使工厂在物理设备层可达到智能工厂全面互联的基础条件。

2 设备定义与建模

工厂中设备可与上位机通信后，服务器则需标识每台设备并构成设备树，便于管理与通信。该工厂有两个分工厂，位于不同地理位置，架构相同，其中第一分工厂中有3个车间：卷线车间、机加车间及装配车间，每个车间中有多条生产线由不同设备组成，设备从功能上又可分为两类：通信设备及生产设备。因此对工厂中各设备进行管理采用逐层定义的方式，由工厂-车间-生产线-设备进行逐层定义。

2.1 设备唯一标识

参照OID定义工厂中每类设备，从而实现对每台设备的唯一标识，使工厂中设备全面互联互通，提升工厂中设备开动率。在工厂车间中，生产或装配同一的不同生产线有很多条，即冗余工作需做很多。采用工厂建模，对同类设备采集相同变量时进行模型建立，将每个设备作为对象，对对象进行统一设置并采集，提升工作效率。因此，参照OID定义工厂中每类设备：定义第一分工厂中通信设备为GTX(1.1.)即第一分工厂第二车间为GSC(1.2.)；第一车间中设备定义细分如表4所示。

表4 第一车间中设备定义

本课题对工厂中通信设备标识为GTX，第一车间为GTX_1，第一车间中生产线A为GTX_1.1，生产线B为GTX_1.2，依此类推，对车间中每台设备进行唯一标识。

对第一分工厂中的装配线进行了唯一标识，整条装配线包括上壳体焊机、下壳体焊机、底座焊机、转子热套、壳体热套及高频焊。设备工艺参数通过网关上传至服务器。表5定义了第一分工厂中某条装配线的设备。

表5 第一分工厂装配线设备唯一标识

装配线共有6台设备流水线作业，分别为：转子热套、壳体热套、上壳体焊机、下壳体焊机、底座焊机及高频焊。根据上述标识规则，转子热套标识为GSC_1.1.1，壳体热套标识为GSC_1.1.2，上壳体焊机标识为GSC_1.1.3，下壳体焊机标识为GSC_1.1.4，底座焊机标识为GSC_1.1.5，高频焊标识为GSC_1.1.6。为采集各设备工艺参数等信息，因为设置服务器IP，定为192.168.1.67，即将192.168.1频段分给各网关使用，此装配线对应网关定义静态IP为192.168.1.34，便于识别。同时网关给各设备分配IP地址，定义地址段在192.168.70.1—192.168.70.19区间，随即将192.168.70.1分配给转子热套，192.168.70.2分配给壳体热套，依此类推，唯一标识每台设备。

采集系统中需采集各设备工艺参数，某装配线中上壳体焊机采集变量点如下表6所示。采集某变量时需对该变量对应的基本属性逐一进行定义。如收弧时间变量属性包括：采集设置、数据范围、数据关联、数据记忆、计算逻辑、工程单位等。每台设备需采集几十个变量，而每一个变量均需依次设置基本属性，而在工厂车间中，生产或装配同一产品的不同生产线有很多条，即冗余工作需做很多。

表6 上壳体焊机采集收弧时间变量基本属性

2.2 设备建模

将工厂架构分为3层框架进行设备建模，框架如图2所示。

图2 某压缩机工厂设备建模三层框架

第一层设备结构建模是建立多层次建模的基础，主要包括相同设备及流程设备的工艺参数设置。工厂中多由多条生产线生产同种零件或产品，生产或装配同一产品的需求使不同生产线需进行相同的配置并采集相同的工艺参数，因此会产生繁杂的冗余工作，采用依托数据进行设备采集变量点建模，减少人工重复性工作易产生的错误及冗余工作带来的负担。

智能工厂系统中不同的功能模块包括：工业数据采集与控制系统、工业实时、历史数据库、智能工厂业务系统、智能工厂展示系统等软件或者服务，都要基于统一的系统模型，也就是按照统一的模型体系进行建模，包括模型属性、模型监测点成员、模型计算点成员、模型计算逻辑、模型图形等，模型建立之后，其生成的对象的不同部分会自动分配到不同的系统去运行，比如对象的监测点成员会分配到工业数据采集与控制系统中、对象的

计算逻辑和计算点成员会分配到工业数据库系统中、对象的图形会分配到智能工厂展示系统中等，实现模型对象的自动对接。超大规模设备、超大规模监测点，如果还像传统的智能工厂、工厂自动化那种方式，通过逐个构建监测点、构建图形、构建计算逻辑的方式，是难以实现海量设备和监测点的智能工厂系统的构建的。

第二层模型抽象是工厂管理设备的基础，将工厂中设备抽象为点，构成树状结构，便于直观体现设备间的关系，为第三层建模打下基础。用户可根据工厂中现场情况定制模型结构，包括数据驱动的模型结构、产品链驱动的模型结构、同类设备驱动的模型结构等。针对工厂中以生产线结构为驱动，建立了产品链驱动的模型结构，将生产同一产品的不同生产线只需添加设备至树状结构下，通过一键建模，实现了对应模型层次中的相同位置每台设备即被设置相同的配置并采集相同的对象属性变量点。以装配车间部分设备树状结构为例，如图3所示。

图3 装配车间部分设备树状结构

第三层设备逻辑建模为管控设备生产流程的基础，以生产线为例，生产线条数n，∀n∈N，通常工厂中的生产线的生产率是基于工厂中该条生产线的零件检验及分析数据以及历史生产统计数据。现实中生产线的生产率与期望值会存在误差，因此定义智能工厂建模中，误差生产率用γ描述，在每次生成过程中基于一定规则随机产生。对于∀out∈OUT，有：

Ye，n，out=Yr，n，out+γr，n，out

(1)

-YVnYr，n，out≤γr，n，out≤YVnYr，n，out

(2)

于是该生产线进出零件流量平衡方程：

(3)

对于生产线分流点及汇流点，功能相似，分流点为一条生产线接入下一条或多条生产线的节点；汇流点为多条生产线生产同种零件并转入多条生产线同时进行同种加工的节点。

(4)

(5)

对于生产线汇流点，加工后的零件生产线出的流量通过汇流点的流量平衡方程直接获得。而对于生产线分流点，由于起到分流的作用，所以在制定计划时，流量应该有相应的期望，即有指令流量平衡方程如式(6)所示，由于上条生产线生产过程中的不确定性可能导致Fn，in，t≠FOn，in，t，即期望零件进入生产线流量不等于零件进入生产线指令流量[3]。因此对每条生产线出零件流量采用按比例平均分配方式，满足(7—8)：

(6)

(7)

in=IN，∀n∈SP，∀out∈OUT

(8)

本文通过对生产线设备建模达到控制同种零件生产排产等作用，同时实现根据零件生产需求对设备进行按需配置。

3 结语

本文针对工厂向智能工厂转型时设备互联互通困难问题研究了智能工厂设备建模，为工厂智能化提供基础。所研究建模问题解决了某压缩机工厂目前存在的互联互通问题，对通信协议结构进行了解析，在工厂中对设备进行了唯一标识及设备建模，为工厂向智能工厂转型打下了基石，通用性较强。