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技术 | 数字化工厂实践与OPC UA应用

随着国家制造2025战略的推进,智能制造成为工业领域关注的焦点。智能制造内涵比较广,是制造业发展的远期目标。作为一个发展阶段,数字化工厂更容易实施,更接地气,因而也成为国内制造企业发展的现实目标。数字化工厂的概念最早由德国西门子公司提出,一般而言,它是指从产品研发、工艺、制造、质量和物流等各个环节都实现了数字化、无纸化、虚拟化。

OPC UA是OPC国际基金会在2008年推出的新一代实时数据通信标准,它旨在实现从现场设备到企业管理各个层级的实时数据互通互联。OPC UA以其跨平台、跨网络、安全性和强大的建模能力,被公认为适用于工业互联网和物联网的通信标准,逐渐为众多自动化设备厂商和软件厂商所采纳。OPC UA已经被IEC标准采纳,我们国家相关的标准也在制订之中。

OPC UA以其开放性和强大的建模能力,不仅能像传统SCADA那样采集设备的数据,也能把物料、工单、质量等和生产相关的所有数据集成起来。可以说,OPC UA生来就适合作为构建数字化工厂的实时数据通信标准。

数字化工厂的组成和特点

数字化工厂一般都需要一些典型系统支撑,包括:现场自动化设备、企业资源计划(ERP)、制造执行系统(MES)、生命周期管理(PLM),以及物流自动化(WMS/WCS)。

数字化工厂的特点概括讲就是三个集成,即垂直集成、水平集成和端到端集成。垂直集成是指客户订单从ERP,通过MES变成指令下达到自动化系统执行生产;生产的结果从现场设备,通过MES,反馈给ERP。水平集成贯串各个工序,能够贯通原材料经过各个工序加工最终变成成品的整个过程。端到端的集成把市场需求经过工艺设计、生产变成客户需要的产品。实现以上三个集成,企业制造水平就达到了一个比较理想的阶段。

值得一提的是,MES和物流自动化的紧密结合,可以在设备自动化的基础上,进一步提高整个车间、整个工厂生产自动化水平,显著地减人增效,是当前企业制造升级的一个重要方向。

数字化工厂实践一:产线管理系统(LMS)

某包装机械股份有限公司,是中国液体(饮料)包装机械的龙头企业。在给饮料企业提供灌装生产线设备和自动化的同时,基于绩效分析软件AicPPA,提供产线管理系统(LMS),为客户提供生产监控、绩效分析、工单和计划、自动换产、设备管理等功能,让生产管理人员能能够实时掌握生产状况,了解各种生产指标,及时发现问题,并不断改进。


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实践1:产线管理系统(LMS)


产线管理系统通过内置的实时库从产线设备自动采集生产线的停机、产量、质量、物料和能源消耗等数据。在此基础上,提供各种绩效分析和KPI,如设备整体效率OEE、设备利用率、六大损失、MTTR/MTBF(整线、单台)等,以及故障设备和原因的排列图,发现提高和改进的机会。系统还能够自动统计各种物料消耗、能源消耗,从而为成本核算提供准确的数据支持。

LMS可以根据工单中的产品规格,把设备的工艺设定值下达到各个设备,实现根据工单自动换产。

利用LMS的设备管理模块,设备管理人员能更有效地制定设备检修计划并准备备品备件,能够全程跟踪和记录在设备的日常设备点检、巡检过程以及故障期间的检修过程,并能依据设备运行参数自动提示保养和维修,从而提高设备综合管理水平。

这个案例利用OPC UA实现了工厂建模,以及数据集成。需要指出的是,这里的数据集成不仅仅是设备数据,还包括物料数据、工单数据和质量数据等。也就是利用OPC UA的通信和建模能力实现数字化和虚拟化。

数字化工厂实践二:支撑定制化生产平台的MES

某宠物食品集团,是中国最大的宠物零食生产商和出口商。为了满足国内客户对宠物食品个性化要求,集团打造了电商定制化生产平台。此平台包括电商系统,制造管理系统MES,生产自动化系统DCS,物流发运则直接利用某第三方物流平台。


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实践2:定制化生产C2F


在本项目中,依托AicMES产品,将消费者的“个性化要求”、“个性化信息”从电商销售平台传递到生产平台,再传递到物流发运平台,实现信息流、物流、以及资金流的统一、同步,保证客户订单的精准、快速响应。

AicMES通过订单归并和排产,把小批量尽量合并成大批量,减少生产切换,优化生产,降低成本。通过和DCS等自动化系统紧密集成,把客户特殊要求变成自动化生产的指令,实现自动生产切换,加快生产节奏。同时,实现全程的物料识别和跟踪,减少工序出错。

本项目除了利用OPC UA实现MES和现场控制系统之间的集成之外,还利用OPC UA实现各种MES客户端的实时数据显示,包括桌面终端、现场平板电脑,以及现场大屏幕等。

数字化工厂实践三:全厂/车间自动化物流调度(WCS)

物流自动化在数字化工厂中应用越来越广泛。利用自动化物流,可以实现工序之间、设备之间物料的自动衔接,把以前需要人工完成的物料搬运、上下料,通过机器人、AGV小车、立库实现自动化。笔者认为,MES和物流自动化紧密结合,可以在设备自动化的基础上,进一步提高整个车间、整个工厂生产自动化水平,显著地减人增效,是企业制造升级的重要方向。


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实践3:全车间自动化物流调度(WCS)


某设备制造商以某装配车间为试点,进行数字化车间改造。新上自动化立库、AGV小车等设备,调度软件采用AicWCS。WCS实现零部件自动入库,根据从ERP接收的生产工单自动从立体库调出零部件,由人工捡配后,剩余货品退回库内。并在捡配完成后,自动调度AGV小车,把料箱运输到装配工位。

本案例的调度软件,利用OPC UA的建模能力对各种输送设备进行建模和实时数据映射。调度算法则利用面向对象的思想和C#高级编程语言,能够有效地简化原本复杂的调度算法。

采用这种方式,AicWCS已经成功应用在自动化立体库调度、分拣调度(包括大型分拣中心调度)、AGV小车调度(包括大规模开放环境AGV调度)中。笔者认为,随着全厂/车间自动化物流的普及,物流调度的复杂程度将显著增加,这种调度编程方式也将会有着广阔的应用前景。

OPC UA在数字化工厂的作用

通过以上实践,可以总结出OPC UA在数字化工厂能够发挥如下作用:

数字化工厂建模和数据集成:利用OPC UA的通信能力和建模能力,能够对整个工厂设备进行建模,并把各种和生产相关的实时数据集成到OPC UA的地址空间中,从而为数字化工厂打下坚实基础。

贯串设备层到管理层的统一数据显示:OPC UA能够跨平台、跨语言,能够应用在各种异构系统中,包括从底层控制器,HMI/SCADA,制造执行系统,直到企业管理层。

利用面向对象思想简化复杂算法:OPC UA提供了强大的建模能力,能够对现场设备进行建模,在此基础上,可以把面向对象的编程思想应用到控制领域,从而有效地简化复杂算法(如调度等)。

实现对云端应用的支持:OPCUA底层可以基于TCP或者HTTP/HTTPS,能够跨网络,方便地在公网上传输,同时,提供了完善的安全体系。可以说,OPC UA已经为工业互联网应用进行了充分的技术准备。


来源:中国工控网


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点击次数:  更新时间:2017-05-09 17:01:55  【打印此页】  【关闭