陳 波，楊旭東

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

中藥制藥產(chǎn)業(yè)是我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)的重要組成部分,是我國(guó)國(guó)家大力發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。智能制造是中藥制藥產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字車(chē)間是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要環(huán)節(jié),它通過(guò)有效融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù),改進(jìn)與提升現(xiàn)有管理手段、生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,達(dá)到生產(chǎn)效率的最大化的目的。實(shí)現(xiàn)數(shù)字車(chē)間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是制造資源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知,在數(shù)據(jù)感知的基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)智能化管理。文獻(xiàn)[1]在MES環(huán)境下,構(gòu)建了基于OPC（OLE for process control OPC）技術(shù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊,實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]提出了打破企業(yè)各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島,通過(guò)運(yùn)用數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量的提高。文獻(xiàn)[3]從實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和優(yōu)化系統(tǒng)的方式來(lái)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的方法論。文獻(xiàn)[4]利用近紅外光譜技術(shù)的“過(guò)程軌跡”的原理,在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)中藥制藥的過(guò)程監(jiān)控。文獻(xiàn)[5]研究了基于OPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控。文獻(xiàn)[6]提出了在云架構(gòu)下基于標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)義模型,利用OPC技術(shù)和QIF（Quality Information Framework QIF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制造車(chē)間數(shù)據(jù)采集方法。文獻(xiàn)[7]基于物聯(lián)網(wǎng)、信息集成、數(shù)據(jù)采集等技術(shù),研究了離散車(chē)間制造過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控的解決方案。

某中藥制藥生產(chǎn)車(chē)間具備以下特征：

1）工藝復(fù)雜、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高；

2）車(chē)間生產(chǎn)裝備技術(shù)水平仍然較低、自動(dòng)化水平比較有限、標(biāo)準(zhǔn)化水平較低；

3）由于建設(shè)時(shí)間跨度大,受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,車(chē)間裝備和信息化系統(tǒng)發(fā)展不平衡；

4）裝備沒(méi)有實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)感知,重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法保存下來(lái)進(jìn)行利用,信息化各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立,出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島,信息無(wú)法共享。以上這些原因,導(dǎo)致該企業(yè)制藥車(chē)間不能有效采集制造資源數(shù)據(jù),不能有效利用制造數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策。

基于以上現(xiàn)狀問(wèn)題,同時(shí)考慮到便于企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)融合,本文基于云技術(shù),研究中藥制藥車(chē)間數(shù)據(jù)感知與智能管理技術(shù)方案,并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng),驗(yàn)證方案的可行性并在某中藥制藥企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用,助力該企業(yè)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知,實(shí)現(xiàn)制造資源的跟蹤管理,提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理水平、提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)感知與智能管理系統(tǒng)的需求分析

通過(guò)對(duì)某企業(yè)中藥車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及管理需求進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)制造資源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知,能同步生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning,ERP）等上層系統(tǒng)的訂單和排產(chǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)為上層系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、可靠的底層數(shù)據(jù)支持,總結(jié)歸納需求有以下幾個(gè)方面：

1）數(shù)據(jù)共享：同步上層系統(tǒng)數(shù)據(jù),獲取訂單任務(wù)的排產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)。提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口,共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2）設(shè)備監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)車(chē)間制藥設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析、存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的可視化監(jiān)控。

3）故障監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的采集,如故障碼、故障發(fā)生時(shí)間及故障解除時(shí)間。實(shí)現(xiàn)各類(lèi)故障的發(fā)生頻率和累計(jì)時(shí)長(zhǎng)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢,為故障解決提供數(shù)據(jù)支持。

4）生產(chǎn)進(jìn)度：實(shí)時(shí)查看訂單進(jìn)度、批次進(jìn)度數(shù)據(jù),為排產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)支持。

5）現(xiàn)場(chǎng)看板：基于數(shù)據(jù)感知,結(jié)合車(chē)間管理需求,提供現(xiàn)場(chǎng)電子看板,有利于現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)掌握生產(chǎn)情況、任務(wù)進(jìn)度和任務(wù)安排。

6）質(zhì)量管理：實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和管理,統(tǒng)計(jì)質(zhì)量數(shù)據(jù),為質(zhì)量問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支持,重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)的運(yùn)行情況。

7）數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的感知-清洗-存儲(chǔ)-分析-應(yīng)用,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析,采用可視化圖表進(jìn)行展示,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可視化跟蹤管理,為生產(chǎn)管理決策提供可靠數(shù)據(jù)支持。

2 數(shù)據(jù)感知與智能管理總體技術(shù)框架

本文提出的云架構(gòu)下數(shù)據(jù)感知與智能管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示,從物理端視角分為企業(yè)端和云端兩部分。從數(shù)據(jù)視角分為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)感知、分析存儲(chǔ)集成、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)應(yīng)用五層。

圖1 云架構(gòu)下數(shù)據(jù)感知與智能管理系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備端主要包含設(shè)備層,其功能主要是設(shè)備的硬件組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器與設(shè)備之前的通訊。云端包含數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)處理層和智能管理三層。感知層主要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備通訊的各種協(xié)議,接受應(yīng)用層的數(shù)據(jù)感知指令并傳遞給設(shè)備同時(shí)接收設(shè)備的反饋信息。數(shù)據(jù)處理層主要功能為對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義轉(zhuǎn)換、清洗去噪、通過(guò)規(guī)則引擎處理數(shù)據(jù),為智能管理層實(shí)現(xiàn)車(chē)間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程的可視化管理、任務(wù)調(diào)度和質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)流。智能管理層通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)車(chē)間智能化管理。

3 基于OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)感知

3.1 基于OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在中藥制藥車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),為實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,本文提出一種基于OPC UA（OLE for Process Control Unified Architecture,過(guò)程控制統(tǒng)一對(duì)象模型）的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示。

圖2 OPC-UA數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng),存在不同的生產(chǎn)設(shè)備和相關(guān)的制造資源數(shù)據(jù),這些異構(gòu)的數(shù)據(jù)源支持不同的私有協(xié)議[8]。利用OPC UA服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)感知,形成標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)間層數(shù)據(jù)格式,并通過(guò)車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,實(shí)現(xiàn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知[9],利用云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合處理。

3.2 OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)感知與傳輸

如圖3所示為OPC UA數(shù)據(jù)感知方法,OPC UA服務(wù)器對(duì)上響應(yīng)數(shù)據(jù)感知服務(wù)器的感知請(qǐng)求,在內(nèi)部經(jīng)底層通信發(fā)送請(qǐng)求指令到OPC UA通信棧,OPC UA通信棧通過(guò)內(nèi)部API在在一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指令,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)感知。數(shù)據(jù)感知服務(wù)器在獲取數(shù)據(jù)后可以用于各類(lèi)構(gòu)架在此數(shù)據(jù)服務(wù)商的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)[10]。

圖3 OPC UA數(shù)據(jù)感知方法

OPC UA支持調(diào)用和訂閱兩種模式請(qǐng)求數(shù)據(jù),考慮到帶寬壓力和服務(wù)器壓力。采用訂閱的數(shù)據(jù)交互方式,當(dāng)OPC UA客戶端和服務(wù)器建立連接之后,在OPC UA服務(wù)器有數(shù)據(jù)變化時(shí)才會(huì)推送數(shù)據(jù)到客戶端。

4 云架構(gòu)下智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在滿足功能需求的同時(shí),具體功能的實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)的易用性、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和運(yùn)行效率也決定著系統(tǒng)的利用價(jià)值,所以功能模塊的分析和設(shè)計(jì)是系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)?；谛枨蠓治龅葴?zhǔn)備工作,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊的設(shè)計(jì),其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要分為設(shè)備監(jiān)控、進(jìn)度管理、電子看板、質(zhì)量管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、設(shè)備配置、基礎(chǔ)管理等7個(gè)模塊。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

1）設(shè)備監(jiān)控：設(shè)備監(jiān)控分為單體設(shè)備監(jiān)控和以生產(chǎn)線為單位的產(chǎn)線監(jiān)控兩部分,單體設(shè)備監(jiān)控可以查看設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài),可以查詢?cè)O(shè)備在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)占比,故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)量等信息。產(chǎn)線監(jiān)控可以查看生產(chǎn)線上設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài),產(chǎn)線的生產(chǎn)任務(wù)和任務(wù)完成情況數(shù)據(jù)。

2）進(jìn)度管理：進(jìn)度管理模塊可以根據(jù)數(shù)據(jù)感知計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)訂單的完成進(jìn)度、生產(chǎn)批次的完成進(jìn)度信息,有利于車(chē)間管理者及時(shí)調(diào)整工作計(jì)劃。

3）電子看板：電子看板根據(jù)中藥制藥車(chē)間分布設(shè)計(jì),分為包裝、提取、固體和液體車(chē)間看板,看板集中顯示車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注的信息,例如設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備故障監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)完成情況等。

4）質(zhì)量管理：質(zhì)量管理分為質(zhì)量報(bào)告和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)兩部分,質(zhì)量報(bào)告通過(guò)同步質(zhì)量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量報(bào)告的即時(shí)查閱,同時(shí)根據(jù)質(zhì)量報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

5）報(bào)表統(tǒng)計(jì)：報(bào)表統(tǒng)計(jì)主要根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,實(shí)現(xiàn)企業(yè)各類(lèi)關(guān)注指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和對(duì)比,例如不同時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的利用率對(duì)比分析、產(chǎn)能分析等。

6）設(shè)備配置：包含設(shè)備信息和互聯(lián)配置,設(shè)備信息用于對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知的設(shè)備進(jìn)行信息維護(hù),例如新增需要進(jìn)行數(shù)據(jù)感知的設(shè)備信息。互聯(lián)配置用于對(duì)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)感知的設(shè)備配置ip地址、端口號(hào)等信息。

7）基礎(chǔ)管理：基礎(chǔ)管理是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,主要維護(hù)用戶信息、權(quán)限信息等基礎(chǔ)功能。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)通過(guò)云部署實(shí)現(xiàn)基于云端的應(yīng)用,通過(guò)與ERP系統(tǒng)對(duì)接獲取訂單任務(wù),通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)感知實(shí)時(shí)掌握訂單生產(chǎn)進(jìn)度,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)感知顯示設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況,縮短了現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)派發(fā)、故障處理的時(shí)間,提升生產(chǎn)效率；通過(guò)電子看板通過(guò)部署在車(chē)間實(shí)現(xiàn)通過(guò)云端配置以及車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)可視化管理。同時(shí)設(shè)備底層數(shù)據(jù)感知也為上層MES系統(tǒng)等提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

如圖5(a)所示為系統(tǒng)登錄后的界面,左側(cè)為系統(tǒng)菜單。用戶可根據(jù)查詢內(nèi)容點(diǎn)擊相應(yīng)菜單,例如設(shè)備配置、電子看板等。在我的桌面上,顯示了昨日的生產(chǎn)進(jìn)度以及相關(guān)設(shè)備的利用率等統(tǒng)計(jì)信息,以及正生產(chǎn)訂單的實(shí)時(shí)進(jìn)度情況。如圖5(b)所示為設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),上部分分別為設(shè)備利用率、設(shè)備狀態(tài)占比和設(shè)備運(yùn)行效率統(tǒng)計(jì)圖,柱狀圖部分為設(shè)備故障的統(tǒng)計(jì)分析圖,可以直觀展示設(shè)備各類(lèi)故障的累計(jì)時(shí)長(zhǎng),企業(yè)可重點(diǎn)解決設(shè)備故障頻率高、時(shí)間長(zhǎng)的故障,提升設(shè)備運(yùn)行效率。

圖5 智能管理系統(tǒng)界面

6 結(jié)語(yǔ)

為解決中藥制藥車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中異構(gòu)數(shù)據(jù)的感知和基于數(shù)據(jù)感知的智能管理問(wèn)題,本文提出了一套基于云架構(gòu)下的數(shù)據(jù)感知和智能管理框架,開(kāi)發(fā)出了系統(tǒng)并在某中藥制藥企業(yè)應(yīng)用,切實(shí)解決了中藥制藥車(chē)間之前沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理和決策支持的問(wèn)題。

基于云端的應(yīng)用有利于企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、企業(yè)與企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享。設(shè)備數(shù)據(jù)均是實(shí)時(shí)感知和存儲(chǔ)的,系統(tǒng)運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),云端應(yīng)用可提供成熟且性價(jià)比高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方案。

本系統(tǒng)分為設(shè)備端和云端兩部分,采用B/S架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。設(shè)備端主要完成設(shè)備組網(wǎng),數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析和功能應(yīng)用均在云端完成,基于云架構(gòu)的模式使得企業(yè)易于進(jìn)行系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享,同時(shí)也為MES系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。B/S架構(gòu)使得用戶端方便使用,利用系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控功能和各類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析圖表快速進(jìn)行決策分析,提升車(chē)間管理效率。