一种数字化车间网络和数据交换系统的制作方法

本发明涉及现代制造业控制领域，特别涉及一种数字化车间网络和数据交换系统。

背景技术：

我国提出要实施“中国制造2025”，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国。促进工业化和信息化深度融合，开发利用网络化、数字化、智能化等技术，着力在一些关键领域抢占先机、取得突破。

智能制造离不开车间生产数据的支撑，自动化、半自动化装备不仅是生产工具和设备，更是数字化车间数据网络的节点，通过对车间各种设备数据的自动化采集、统计、分析和反馈，搭建车间数据网络平台及数据交换，为车间生产及决策提供实时数据依据，提高制造企业的生产效率和产品质量，降低制造企业生产成本支出，提高制造企业的核心竞争力，更为制造企业下一步整体的信息化建设提供坚实的基础。

现代制造模式以生产效率、产品质量、生产成本等作为衡量企业制造能力和水平的主要标志，然而由于企业规模扩大、技术改造深入和市场竞争加快，造成具有多源异构性、形式多样性、复杂多变性等特征的车间制造过程信息急剧膨胀，信息纷乱的车间制造过程(特别是包括了设备和人员的车间设备层)形成了大量的车间数据孤岛，制约了企业自动化、智能化、信息化发展的步伐。特别一些传统制造业车间设备虽然实现了自动化，但多为单机生产，生产管理(如排产、进度、设备管理等)、现场监控(如设备状态等)都依赖人工跟进，不能及时反馈车间生产实际进度以及车间设备的实时状态，从而不能及时发现问题解决问题，生产管理人员也不能及时根据车间生产状态进行生产管理，直接影响了车间生产效率和产品质量，增加了制造企业的成本。

技术实现要素：

本发明针对目前车间设备多源异构性、存在数据孤岛、现有控制系统处理速度慢等现状，提供一种基于远程智能终端控制系统(rtu)的数字化车间和数据交换系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种数字化车间和数据交换系统，包括数据服务器层、数据采集层以及生产设备层，所述生产设备层与数据采集层之间进行数据交换，所述数据采集层和数据服务器层之间进行数据交换，该系统具体细化为六大子系统：mes系统、监控系统、中控室大屏幕系统、数据网络与采集系统、车间看板与终端设备、产线生产设备；

所述mes系统，用于对从制定工单计划开始一直到产成品入库的整个柔性电路板生产的生产过程进行管控；

所述监控系统，用于通过数据采集平台实时采集设备的参数，并监控设备的运行状态；

所述中控室大屏幕系统，用于显示设备运行状态和采集到的设备参数；

所述数据网络与采集系统，用于采集和传输设备参数；

所述车间看板与终端设备，用于显示mes系统、监控系统获取的信息，生产管理人员无需进入生产车间就可以了解车间的实施生产状态；

所述产线生产设备，用于车间生产线上料件的加工、生产。

作为优选的技术方案，所述mes系统为移动平台，通过智能移动终端连接互联网，访问mes服务器，根据生产计划进行相应操作，pc端的数据也随之更新。

作为优选的技术方案，所述mes系统包括mes软件平台和mes硬件设备，所述mes软件平台包括中科mes开发平台和mes应用模块两部分；

所述mes应用模块包括：质量spc单元和kpi分析单元；

所述质量spc单元，用于spc分析和规格管理，根据采集的测试数据，通过统计学规律，结合质量模型和规格对生产质量是否平稳进行分析，预防质量事故发生；

所述kpi分析单元，用于对生产中的运行时间、等待时间、故障时间、完成时间进行分析；

所述硬件平台，包括数据服务器和应用服务器。

作为优选的技术方案，所述监控系统包括用户登录及用户管理模块、实时数据及历史数据模块、实时趋势及历史趋势模块、状态管理模块、报警管理模块；

所述用户登录及用户管理模块，根据产线生产特点及操作要求，系统设置了用户管理器，定义了各用户的用户权限；用户权限包括最高权限用户和最低权限用户，所述最高权限用户有添加和删除用户的权限，当最高权限用户登录后，系统才显示添加/删除用户按钮，在正确输入用户名和密码后，管理员可通过用户管理器来添加/删除用户，并设置各用户权限；所述最低权限用户为“访客”模式，该模式下只能查看设备的运行情况；

所述实时数据及历史数据模块，用于储存和显示实时数据和历史数据；

所述实时趋势及历史趋势模块，用于显示现场工作设备的实时数据趋势，在实时趋势操作界面设置了帮助、缩放区域、缩放、缩放时间轴、缩放数值轴移动趋势范围、显示原始视图、选择趋势及暂停功能按钮；

所述状态管理模块，用于显示生产设备和数数据采集设备的电源、通讯状态情况；

所述报警管理模块，用于显示监控系统所有的报警信息，当参数值超过正常范围时，在信息列表实时显示报警信息，以及在短期归档列表和长期归档列表中查询近期和全部报警信息。

作为优选的技术方案，所述中控室大屏幕系统为dlp全数字光学反射成像系统。

作为优选的技术方案，所述数据网络与采集系统的生产网络为独立的局域网，采用100m光纤冗余环网作为主干网，依次布放服务器机房到生产办公室、生产办公室到蚀刻车间、蚀刻车间到aoi车间、aoi车间到光致车间、光致车间到镀铜车间、镀铜车间到钻孔车间及钻孔车间到服务器机房七部分的光纤；所述光纤采用4芯光纤，并同时布放两条光纤。

作为优选的技术方案，所述数据网络与采集系统采用rtu和/或虚拟rtu进行数据采集，所述rtu与可编程控制器进行通信，并进行协议的转换；所述rtu具备以太网、rs232、rs485和dp接口，可以实现tcp/ip、modbusrtu和profibus协议通信；所述虚拟rtu通过软件对控制器的数据记录进行读取，获得生产数据，再通过自身所具有的通信能力与监控pc、mes系统进行通信及数据传输。

作为优选的技术方案，所述车间看板系统包括车间监控pc、车间看板，所述车间监控pc中内置有监控软件，用于监控车间看板。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明解决了目前车间生产设备厂家不一、控制系统接口繁多不易集成、通信中断无法有效保存数据及安全性差等问题。

2、本发明可以实现基于rfid、opc、plc、pc、条形码等多种数据实时采集、提取，实时反映车间人、机、料、法、环等信息。

3、本发明提高网络的稳定性和易扩展性，提升大规模联合网络的运行效率，实现车间网络与数据的交换，实现生产过程的透明化、智能化闭环管控。

附图说明

图1是本发明系统整体层次图；

图2是本发明生产网络结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明针对高密度柔性电路板生产钻孔镀铜des车间提出一种数字化车间网络和数据交换系统。

本实施例的数字化车间和数据交换系统分为三个层次：数据服务器层、数据采集层及生产设备层，所述生产设备层与数据采集层之间进行数据交换，所述数据采集层和数据服务器层之间进行数据交换；该系统具体细化为六大子系统：mes系统、监控系统、中控室大屏幕系统、数据网络与采集系统、车间看板与终端设备、产线生产设备，各子系统的具体内容如下：

1.mes系统及设备

mes系统对从对从制定工单计划开始一直到产成品入库的整个柔性电路板生产的生产过程进行管控。包括对生产资源(人、机、料、法、环)的跟踪记录、对生产质量的分析预警、对计划的排产、对过程的调度以及对关键指标的分析。

mes系统主要为两大方面：软件方面及硬件方面。硬件方面主要是数据服务器及应用服务器。软件方面主要包括中科mes开发平台和mes应用模块两部分。

mes应用模块包括：

质量spc。根据采集的测试数据，通过统计学规律，结合质量模型和规格对生产质量是否平稳进行分析，可以预防质量事故的发生。其功能包括:spc分析和规格管理。

kpi分析。对生产一些关键数据信息进行统计分析，目的是通过分析辅助管理人员发现薄弱环节或不合理之处。例如：质量缺陷统计分析(按缺陷原因进行次数统计，并进行排名，管理人员针对排名前n个进行重点解决)。

随着信息科技的迅猛发展，智能手机越来越普及，便于用户，项目开发了移动mes平台，该移动平台通过智能手机终端连接互联网，访问mes服务器，根据生产计划进行相应的操作，pc端的数据也会随之更新。

2.监控系统及设备

监控系统及设备主要包括软件、硬件两大部分，其中硬件位于中控室，软件方面包括wincc开发平台和软件二次开发部分。监控系统是面向车间级的生产监控、管理系统，其主要功能包括：数据实时显示、历史趋势和历史数据查询、实时报警、设备实时状态显示、历史报表生成、用户管理及远程数据访问等。该系统具备通过数据采集平台实时采集设备的参数，从而了解设备的运行状态，提高设备的管理水平。这些功能较好的解决了柔性电路板生产过程中各设备集中监管困难、数据实时性较差、人工记录数据效率较低、易出错和远程监控生产过程难等问题。

①用户登录及用户管理

为了产线的安全，监控系统设置了用户登录功能，操作者需要输入用户名、密码方可进入系统。根据产线生产特点及操作要求，系统设置了用户管理器，定义了各用户的用户权限。在“用户管理”中，最高权限的使用者(工厂的最高管理员)有添加和删除用户的权限，只有当最高权限用户登录后，系统才显示添加/删除用户按钮，在正确输入用户名和密码后，管理员可以通过用户管理器来添加/删除用户，并设置各用户权限。另外，系统提供了一种名为“访客模式”的登录方式，以该种方式登录系统只能查看各设备的实时运行情况，“访客模式”的用户权限最低。

②实施数据及历史数据

③实时趋势及历史趋势

实时趋势用于显示现场工作设备的实时数据趋势，在实时趋势操作界面设置了帮助、缩放区域、缩放、缩放时间轴、缩放数值轴移动趋势范围、显示原始视图、选择趋势及暂停等功能按钮。历史趋势展示了设备的历史数据趋势，在历史趋势操作界面设置了帮助、缩放区域、缩放、缩放时间轴、缩放数值轴移动趋势范围、显示原始视图、选择趋势、选择时间范围及暂停等按钮。根据现场生产线工艺特点，在选择时间范围菜单中，提供了时间范围、开始结束时间和测量点数量多种选择，用户可以根据不同要求选择不同的趋势查询方式。

④状态管理

状态管理用于显示生产设备和数采设备的电源、通讯等状态情况，用户不用去现场，在中控室就可以了解现场设备的实时生产情况。

⑤报警管理

报警管理界面显示了监控系统所有的报警信息，当参数值超过正常范围时，画面的顶部的报警条与报警管理中的信息列表实时显示报警信息，用户可以第一时间获得该信息。此外，还可以在短期归档列表和长期归档列表中查询近期和全部报警信息。

3.数据网络与采集系统及设备

生产网络为独立的局域网，与办公网络、外界完全隔开，能有效减少外界病毒、木马等的入侵，从而减少网络及网络中设备出现故障的可能性。

生产网络结构如图2所示。网络采用100m光纤冗余环网作为主干网(车间与车间之间)，依次布放服务器机房到生产办公室、生产办公室到蚀刻车间、蚀刻车间到aoi车间、aoi车间到光致车间、光致车间到镀铜车间、镀铜车间到钻孔车间及钻孔车间到服务器机房七部分的光纤，光纤采用4芯光纤(两用两备)，同时布放两条光纤(1用1备)。

系统主要采集了钻孔车间11台日立钻床、镀铜车间3台产线、光致车间6台曝光机、蚀刻车间两条生产线及aoi车间的6台设备的实时生产数据，并将所有设备的数据转存至服务器的sqlserver数据库中。其中钻孔车间的11台设备实时数据存储在mysql数据库中，镀铜车间和蚀刻车间的共计5台设备的实时数据为plc数据，光致车间的rtr#1、rtr#2曝光机及aoi车间的6台共计8台设备的数据储存在txt文件中，光致车间的led#1～led#4车间数据储存在access数据库中。

由于生产网络设备放置于在车间内，在交换机的选用上采用东土的工业级二层网管式交换机sicom2024m，主要优点为：

①适应性好，在环境比较恶劣的情况下，可保证网络稳定；

②采用冗余环网功能，提高网络的可靠性。

其主要参数如下：

工作温度：-40℃～+85℃

储存温度：-40℃～+85℃

相对湿度：5～95％无凝露

输入电压：85～264vac

功率：<16.8w

百兆光口:4个100base-fx光口(sc接头)

电接口:24个10/100base-tx自适应以太网电口，rj45

冗余技术：支持快速生成树协义

组播协议：支抚摩igmpsnooping

网络划分：支持vlan，pvlan

服务质量：支持qos

带宽管理：支持端口聚合，端口限速，广播风暴抑制

网络管理监控：支持cli，telnet，web管量方式，kyvision集中管理，snmpv1/v2，lldp，sntp，dhcp

4.数据采集

产线大部分生产设备不具有统一的数据通信功能，甚至于部分不具备通信功能，需在设备上增加数据通信功能，因此将增加数据通信功能的部分器件及程序统称为数据采集。主要包括两种方式：rtu及虚拟rtu。

①rtu设备

镀铜、蚀刻车间的生产设备，由可编程控制器(品牌、型号不一)进行控制，本体不带局域网口，协议不统一。这个情况下，采用rtu与可编程控制器进行通信，并进行协议的转换。

rtu具备以太网、rs232、rs485和dp接口，可以实现tcp/ip、modbusrtu和profibus等协议通信，具体指标如下：

输入电压ac220v

电源频率50hz

功耗小于100w

cpu过程映像大小1024字节输入/1024字节输出

位存储器大小8192个字节

i/o数量14点输入/10点输出，可通过模块扩展

ai数量2路(0-10v)，精度：10位分辨率

高速计数器6个；3个100khz以及3个30khz的时钟频率

脉冲输出2路

支持的通信接口1个以太网；1个rs232；1个rs485；

支持的通信协议modbustcp、s7协议、profitbusdp、profitnet等数据采集周期0.1s

②虚拟rtu

aoi、光致、钻孔车间的设备，控制器为计算机，本体具有以太网口，可接入生产网络，但不具备产生实时数据的能力及与车间监控pc、mes系统通信的能力。在实际生产中，这三个车间的生产数据以历史数据为主，实时数据的作用不大，因此，采用了的虚拟rtu方式进行数据上传。此外，虚拟rtu的方式不需增加额外的硬件，具有更低的成本。

虚拟rtu通过软件对控制器的数据记录的读取，获得生产数据，再通过自身所具有的通信能力与监控pc、mes系统进行通信及传输数据。

虚拟rtu参数：

轮询周期：≤1min；

数据读取时间：≤1s；

特点：具有开机自启动、故障自动启动功能；

连续无故障运行时间：≥1000小时；

5.车间看板

车间看板系统主要包括了车间监控pc、车间看板及软件系统，车间看板用于显示mes系统、监控系统或者视频系统的信息，生产管理人员无需进入生产车间就可以了解车间的实施生产状态。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。