常州百利鋰電智慧工廠有限公司 陳 玉

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展，新能源行業(yè)已逐漸成為全球經(jīng)濟的重要支柱。其中，鋰電正極材料由于其在儲能技術(shù)中的關鍵作用，需求量激增。面臨這一市場環(huán)境，大型材料生產(chǎn)商規(guī)劃產(chǎn)能從數(shù)萬噸擴展到數(shù)十萬噸，以滿足市場需求。傳統(tǒng)的自動化工廠架構(gòu)已無法滿足這一需求。一些企業(yè)試圖通過引入MES 系統(tǒng)來解決問題，但由于MES 廠家對工藝的理解不足，實施結(jié)果一般不能滿足企業(yè)的預期。因此，如何利用現(xiàn)有的SCADA 系統(tǒng)，設計和實施一個能滿足企業(yè)生產(chǎn)管理需求的車間級生產(chǎn)管控平臺，成為一個亟待解決的問題。

2 SCADA 系統(tǒng)與生產(chǎn)管控的關聯(lián)性研究

2.1 SCADA 系統(tǒng)的基本概念及特性

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）是一種用于工業(yè)生產(chǎn)管理的計算機控制系統(tǒng)，能實時獲取、處理并顯示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和操作控制。作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心部分，SCADA 系統(tǒng)能有效集成各種生產(chǎn)設備和系統(tǒng)，提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時降低成本。

SCADA 系統(tǒng)具有幾個關鍵特性：一是實時性，能提供及時準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，助力決策；二是可靠性，通過故障診斷和備份恢復功能保證穩(wěn)定運行；三是開放性，支持多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，便于與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和集成；四是可擴展性，能隨生產(chǎn)需求變化進行功能增加或修改；五是可視化，通過直觀的圖形用戶界面清晰展示生產(chǎn)狀態(tài)和參數(shù)。

2.2 生產(chǎn)管控的重要性及其與SCADA 系統(tǒng)的關聯(lián)性

生產(chǎn)管控是指對生產(chǎn)過程進行有效的組織、指揮和調(diào)度，確保生產(chǎn)活動按照預定的目標和計劃進行，在企業(yè)運營中起著至關重要的作用。好的生產(chǎn)管控不僅可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本，而且可以提高客戶滿意度，增強企業(yè)競爭力。

與SCADA 系統(tǒng)的關聯(lián)性在于，SCADA 系統(tǒng)能夠提供生產(chǎn)管控所需的實時、準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，幫助決策者理解生產(chǎn)狀態(tài)，及時調(diào)整生產(chǎn)計劃和策略。另外，SCADA 系統(tǒng)的控制功能也可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設備和過程的自動控制，降低了生產(chǎn)過程中的人為錯誤，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。而SCADA 系統(tǒng)的報警和故障診斷功能則可以幫助企業(yè)快速發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)問題，減少停機時間，保證生產(chǎn)連續(xù)性。

3 基于SCADA 的車間級生產(chǎn)管控平臺設計

3.1 平臺設計的基本要求與目標

設計車間生產(chǎn)管控平臺的目標在于實現(xiàn)全面、精細、智能的生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理。這個平臺應能實時、準確地獲取和展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使決策者能夠清晰了解生產(chǎn)過程的實時狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)中的問題。平臺還應有控制功能，比如設定和調(diào)整生產(chǎn)計劃，控制生產(chǎn)設備的運行，設定和調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，進一步實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。平臺還需具有數(shù)據(jù)分析和決策支持功能，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理和分析，提供關于生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、設備狀態(tài)和能源消耗等方面的統(tǒng)計報告和分析結(jié)果，這將有助于決策者作出科學且合理的決策?？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，還需確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全存儲和傳輸，防止數(shù)據(jù)丟失、誤操作和非法訪問。從技術(shù)實現(xiàn)上講，該平臺應采用模塊化設計以支持功能擴展和升級，并且要與SCADA 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)無縫對接，以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上下游整合，從而提升數(shù)據(jù)的利用效率和價值[2]。

3.2 S CADA 系統(tǒng)的架構(gòu)設計

SCADA 系統(tǒng)的架構(gòu)設計涵蓋了多個層級，主要包括數(shù)據(jù)采集層、通信網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)處理層和應用層。在數(shù)據(jù)采集層，需要使用各種傳感器和設備，如溫度傳感器、壓力傳感器、流量計等，來實時監(jiān)控和記錄生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)。然后，通過在通信網(wǎng)絡層設定的網(wǎng)絡協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理層。在數(shù)據(jù)處理層，需要使用一定的數(shù)據(jù)處理和分析方法，如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)分析等，以處理并理解收集到的大量數(shù)據(jù)[3]。最后，在應用層，需要開發(fā)各種應用軟件和服務，如實時數(shù)據(jù)展示、報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)報表、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等，以便于用戶可以直觀地理解數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)中的問題，提高生產(chǎn)效率。

3.3 生產(chǎn)管控功能模塊設計

在生產(chǎn)管控平臺的設計中，主要包含了生產(chǎn)模塊、質(zhì)量模塊、設備模塊、報警管理模塊、能源模塊以及數(shù)據(jù)庫管理模塊等六大核心功能模塊。

首先，生產(chǎn)模塊是用來監(jiān)控和管理生產(chǎn)流程的，包括生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控等功能，實現(xiàn)生產(chǎn)活動的全程管控。其次，質(zhì)量模塊主要負責對生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量進行實時監(jiān)控和管理，包括質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量檢驗、質(zhì)量報告等功能，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提升。然后，設備模塊主要負責對生產(chǎn)設備的管理，包括設備狀態(tài)監(jiān)控、設備維護保養(yǎng)、設備故障處理等功能，保障生產(chǎn)設備的穩(wěn)定運行。報警管理模塊用于實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的異常情況，當發(fā)生異常時，可以立即發(fā)出警報，并自動啟動應急預案。而能源模塊則是對生產(chǎn)過程中的能源使用情況進行監(jiān)控和管理，如電力、燃氣等，通過數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)節(jié)能減排提供決策支持。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要負責對上述各模塊生成的大量數(shù)據(jù)進行有效的管理和利用，包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)查詢等功能，保證數(shù)據(jù)的安全和可用[4]。

3.4 數(shù)據(jù)處理與信息傳遞模塊設計

數(shù)據(jù)處理與信息傳遞模塊在生產(chǎn)管控平臺中具有核心地位。該模塊涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)儲存等環(huán)節(jié)，通過實時采集設備狀態(tài)、生產(chǎn)過程參數(shù)和能源消耗等各類數(shù)據(jù)，進行預處理以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過復雜的統(tǒng)計分析、趨勢分析、關聯(lián)分析等手段，從海量數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息為決策提供支持，最后將這些數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中進行有序儲存以備后續(xù)使用和查詢。同時，信息傳遞環(huán)節(jié)通過圖表、報表等直觀的方式向用戶展示數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，以幫助用戶快速把握生產(chǎn)情況。通過網(wǎng)絡、移動設備等工具，實現(xiàn)信息的及時傳遞，達到信息的共享和流通，而在設計中，信息傳遞的效率和安全性被特別重視，以防止信息延遲、丟失，并保護信息的安全和隱私。

4 平臺實施與應用

4.1 平臺的開發(fā)環(huán)境與工具

在本文的研究中， 選用Visual Studio 、VScode 等開發(fā)環(huán)境進行平臺開發(fā)。Visual Studio是基本完整的開發(fā)工具集，包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML 工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等。VScode 是一款開源、輕量級但功能強大的代碼編輯器，具有良好的跨平臺特性，支持Windows、Linux 和Mac OS操作系統(tǒng)。VScode 提供了多種語言支持、代碼智能提示、Git 控制、調(diào)試工具等一系列高效的開發(fā)工具，適應各種編程語言的開發(fā)需求。

在編程語言方面，選擇了VC++、Python 等語言進行開發(fā)。VC++適合數(shù)據(jù)采集方面開發(fā)，面向OPC或硬件接口開發(fā)，優(yōu)點是程序執(zhí)行速度快、效率高、穩(wěn)定性好。

Python 語言因其語法簡潔易懂、代碼可讀性高、學習曲線平緩等特性，得到了廣大開發(fā)者的青睞。同時，Python 的強大的第三方庫支持，如NumPy、Pandas 等數(shù)據(jù)處理庫和Django、Flask等Web 開發(fā)框架，能夠更好地處理數(shù)據(jù)和實現(xiàn)網(wǎng)頁應用的開發(fā)[5]。

在本研究中，Python 不僅被用于開發(fā)SCADA系統(tǒng)，也被用于處理和分析采集到的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管控提供數(shù)據(jù)支持。例如，在開發(fā)中，可以使用Python 和pandas 庫進行數(shù)據(jù)處理。

4.2 平臺界面設計

本研究采用以用戶為中心、技術(shù)驅(qū)動的平臺界面設計策略。遵循一致性、簡潔性、反饋性和用戶友好的設計原則，目標是創(chuàng)建出直觀、易于使用且高效的用戶界面。在技術(shù)實現(xiàn)方面，VC++與Python 語言被用于核心功能的實現(xiàn)。同時，為了提高界面用戶體驗，VC++在Win32應用開發(fā)中，常常與MFC（Microsoft Foundation Class）庫一起使用，該庫提供了一套豐富的C++類，包括用于創(chuàng)建窗口和對話框的類，以及用于處理菜單、工具欄、剪貼板和拖放等任務的類，極大地提高了開發(fā)效率。

而Python 在用戶界面設計方面，Tkinter 庫作為Python 的標準圖形用戶界面（GUI）庫，可以創(chuàng)建跨平臺的Python 應用程序，以及多種圖形應用程序。用戶需求和使用場景作為界面設計的出發(fā)點，然后通過前端技術(shù)和工具實現(xiàn)這些設計，最后通過用戶測試和反饋，持續(xù)優(yōu)化和改進界面設計，確保其能夠盡可能地滿足用戶的需求和習慣。

4.3 平臺實施的效果分析

平臺實施效果詳見表1。

表1 平臺實施效果

基于SCADA 的車間級生產(chǎn)管控平臺的實施，帶來了顯著的效果改善。從表1可以看出，實施后的各項指標均有不同程度的提升或優(yōu)化。

首先，生產(chǎn)效率的提升是明顯的。在平臺實施前，生產(chǎn)效率為80%，而實施后，這一比例提升到了90%，改善百分比達到了12.5%。這主要歸功于SCADA 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)收集和分析能力，以及管控平臺對生產(chǎn)流程的精細管理。通過對設備狀態(tài)、生產(chǎn)過程等進行實時監(jiān)控和調(diào)度，使得生產(chǎn)流程更加順暢，減少了故障停機時間，提高了生產(chǎn)效率。

其次，產(chǎn)品質(zhì)量也有顯著提升。實施前，產(chǎn)品質(zhì)量的達標率為85%，而實施后，這一數(shù)字提升到了95%，改善百分比達到了11.76%。這主要得益于管控平臺中的質(zhì)量管理模塊，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，采取措施進行改正，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。

再次，設備運行時間也有所增長。從原來的18h，提升到了20h，改善百分比為11.11%。這一變化反映出了設備管理模塊的作用。通過對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和預測性維護，減少了設備故障停機時間，提高了設備的利用率。

最后，能源消耗方面，實施后比實施前減少了10%。這主要得益于能源管理模塊，通過對生產(chǎn)過程中的能源消耗進行實時監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)并改正能源使用中的不經(jīng)濟行為，從而實現(xiàn)了能源的節(jié)約。

5 結(jié)語

從本文的研究可以看出，基于SCADA 的車間級生產(chǎn)管控平臺的設計與實施是可行的，對于現(xiàn)代化車間的生產(chǎn)管理和優(yōu)化有著積極的推動作用。然而，也需要認識到，隨著技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)需求的變化，平臺的優(yōu)化和升級是一個持續(xù)的過程。在未來的工作中，我們將進一步研究如何將最新的人工智能技術(shù)與SCADA 系統(tǒng)結(jié)合，以實現(xiàn)更加智能化的生產(chǎn)管理和控制。