实施SCADA项目！潍柴动力智能工厂更进一步！

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导 读 ( 文/ 潍柴动力、e-works )

本文为“2019年度中国两化融合暨智能制造应用领先暨最佳实践奖”参评案例。潍柴创建于1946年，全球拥有员工9万人，2019年收入超过2600亿元，名列中国企业500强第87位，中国制造业500强第27位，中国机械工业百强企业第2位。

01企业简介

潍柴动力股份有限公司成立于2002年，始终坚持产品经营、资本运营双轮驱动的运营策略，致力于打造最具品质、技术和成本三大核心竞争力的产品，成功构筑起了动力总成（发动机、变速箱、车桥、液压）、整车整机、智能物流等产业板块协同发展的格局，拥有“潍柴动力发动机”、“法士特变速器”、“汉德车桥”、“陕汽重卡”和“林德液压”等产品和品牌。

母公司潍柴控股集团，全球拥有员工9万人，2019年收入超过2600亿元，名列中国企业500强第87位，中国制造业500强第27位，中国机械工业百强企业第2位。



图1 潍柴动力股份有限公司

潍柴拥有内燃机可靠性国家重点实验室、国家商用汽车动力系统总成工程技术研究中心、国家商用汽车及工程机械新能源动力系统产业创新战略联盟、国家专业化众创空间等研发平台，设有“院士工作站”“博士后工作站”等研究基地，建有国家智能制造示范基地。

面向未来，潍柴发布2020-2030战略，到2020年传统业务要超越世界一流水平，到2030年新能源业务要引领全球行业发展，打造受人尊敬的工业装备跨国集团。

02企业智能制造现状

潍柴从2003开始，进行大规模信息化建设，建成了“6+N+X”的信息化体系架构：

第一，建成了ERP、PLM、SRM等6大业务运营平台，支撑了产品全生命周期的精益化管理和全球研发协同。

第二，建成了BI、合并报表等N个支撑平台，实现了财务和运营数据的及时获取，为企业的科学、快速决策提供了数据支撑。

第三，建成了企业的数据总线、核心网络等X个基础设施，在全球搭建了数据的高速通道，实现了核心业务数据的集中存储、传递和分析。


1、生产制造业务域


生产制造业务域以自主开发的MES系统为核心，强化可视化管理和移动端的应用，与大数据平台进行数据的实时传输和存储，及时为生产现场提供决策支持。建设的系统包括：企业资源管理系统（ERP）、生产制造执行系统（MES）、仓储管理系统（WMS）、企业资产管理系统（EAM）、潍柴质量系统（WQM）等，具体如图2所示。



图2 生产制造业务域智能制造架构

应用效果：

① 建成功能模块化、现场高可视化、管理高移动化、平台建设云化的制造管理智能平台，成为行业领先产品实践；

② 潍柴大数据平台互联、采集、分析、应用生产过程数据，实现设备部件寿命预测；

③ 建立全智能、自动化的现代物流仓储系统，保持高效率和可靠的物流运作。


2、设计研发业务域


设计研发业务域以PDM为核心，实现了研发业务域项目管理、产品全生命周期管理和产品数据管理。建设的系统包括：产品数据管理系统（PDM）、潍柴智能化快速设计系统（IRDS）、产品应用开发系统（PADS）、供应商协同设计系统（SCD）、仿真数据管理系统（SDM）、试验导航管理系统（WETP）、工艺管理平台（WPM）、智能标定系统（WICS）。

应用效果：

① 实现“客户洞察—产品设计—产品仿真—产品标定—产品试验”过程数据贯通；

② 搭建全球云设计平台，实现六国十二地协同研发，实现研发共同体企业降本增效；

③ 打造智慧云平台，实现产品运行数据实时采集分析，为产品全生命周期研发提供数据支持。



图3 研发设计业务域智能制造架构


3、销售服务业务域


销售服务业务域从终端用户的体验出发，搭建的系统与MES、WMS等系统进行无缝集成，同时通过APP和微信公众号等方式实时服务客户，覆盖了终端客户300万人、服务站5000家以上。建设的系统包括：客户交互中心、备品业务平台（SSP）、服务系统和客户服务系统（CRM）。

应用效果：

① 发动机交付过程全程跟踪，实现需求、发货、订单、开票、销售全业务流程管理，实现需求到入库全过程追踪；

② 建立360°客户画像，实现客户基本信息、营销销售信息集中展示，助力精准营销；

③ 通过移动APP实现维修人员过程跟踪，如派工轨迹记录、现场拍照、一键报单。



图4 销售服务业务域智能制造架构

03项目详细情况


1、项目背景介绍


2011年，在潍柴二号工厂总装二车间搭建了蓝擎二期装配线线体服务器控制系统，主要负责装配线各现场工位的实时监控、信息通讯以及过程数据的传输和存储。

系统上线后，出现以下问题：第一，控制系统软件经常提示OPC连接错误，导致无法与线体PLC进行通讯。第二，系统软件无源代码，无法移植到新硬件服务器运行。第三，硬件老化，主板、内存等为一体式设计，故障后无法更换，主板已经停产。

随着潍柴智能制造的发展，MES系统与底层设备之间的通讯是必然需求。通过项目的实施，主要完成以下目标：

第一，完成二号工厂蓝擎二期装配线系统生产过程数据的实时采集，并确保数据采集的准确性、及时性以及数据传输的稳定性；

第二，对二号工厂蓝擎二期装配线设备进行数据采集，并按照业务需求实现生产过程的实时可视化展示，确保数据的完整真实性；

第三，SCADA服务端系统，采用全新的OPC UA冗余架构，实现OPC服务器的一主一备，双机冗余切换；

第四，替换产线原有5套单工位所带的现场应用及4套现场自动工位上位机程序，并基于现场的业务需求，并对4套自动工位增加手自动切换功能，实现上位机宕机不影响现场设备的功能。

根据对二号厂的现场调研，并结合公司智能制造规划需求，决定采用个性定制化的方式，开发一套与潍柴MES系统融合集成、不仅适合于当前需求而且具有高度扩展性的数据采集与监视控制（SCADA）系统。


2、项目实施与应用情况详细介绍


① 潍柴智能工厂架构

潍柴智能工厂总体架构包括五个层次，如图5所示。



图5 潍柴智能工厂架构

● 终端层包括生产设备、物料、产品、运输工具和人员等，实现终端的数据采集；

● 传输层包括工业控制网络、监控网络、管理网络和服务网络等，实现数据的传输；

● 平台层通过对数据的处理，形成设计数据、运行数据、维保数据、客户数据等数据库；

● 应用层针对产品全生命周期和运营管理，形成了PDM、WPM、ERP、MES、QMS和CRM六大信息化平台；

● 决策支撑层通过BI、手机端等系统和工具，实现智能决策和全球运营。

SCADA项目的实施，涉及到图5中五大层次的红色部分。

② SCADA功能模块

（1）采集展示服务端

数据采集服务主要实现对二号工厂蓝擎装配生产二线从上线工位到下线工位的工位状态信息、生产过程数据、过程检测数据、设备报警数据进行采集；并为现场MES提供OPC UA服务。本部分包括以下功能：

基础信息配置功能：OPCUA SERVER地址配置；远程ORACLE、本机ORACLE信息配置；消息队列信息配置；PLC点址信息维护及定时备份配置；发动机系列信息配置；数据更新配置。

OPCUA SERVER冗余：OPCUA SERVER采用冗余架构，实现Server双机热备，一旦某一Server宕机，可实现自动切换功能。

数据采集服务主备切换：数据采集服务采用主-备方式，一旦数据采集服务主服务器宕机，系统自动切换为备用服务器；主服务器恢复后，系统再切换为主服务器。

手动切换OPCUA SERVER：当OPCUA SERVER冗余管理服务器宕机时，数据采集服务可通过托盘右键菜单选择某个可用OPCUA SERVER进行切换。

PLC点址数据表定时备份至远程数据库：数据采集服务可定时将PLC点址数据表备份到远程数据库，当本地数据库宕机时，数据采集服务可自动切换到远程数据库。

实时数据采集：数据采集服务通过订阅PLC点址，对工位状态信息、发动机位置信息、设备实时状态、设备报警信息、发动机在线状态信息、测量数据、工位PLC与服务端连接状态进行数据采集，并通过消息队列发送给SCADA应用。

业务数据存储：数据采集服务订阅发动机上线、下线及无载码体的工位的PLC点址，根据发动机在线状态信息、测量数据的变化。

守护程序：对数据采集服务端进行保护，当数据采集服务端异常，守护程序会自动将采集服务恢复正常运行。

开机自启动：OPC UA SERVER、数据采集服务端支持开机自启动。

订货号与发动机机型对应基础数据：定时或选择“数据更新”菜单，从MES数据库中获取发动机机型、订货号、发动机系列的对应关系数据，写入本地Oracle数据表“订货号与机型对应关系表”中。

缸体机号与发动机系列对应基础数据：定时或选择“数据更新”菜单，从MES数据库中获取缸体机号、发动机系列的对应关系数据，写入本地Oracle数据表“缸体机号与发动机系列对应关系表”中。

发动机系列与测量数据合格范围基础数据：定时或选择“数据更新”菜单，从MES数据库中获取发动机系列、测量数据合格范围的对应关系数据，写入本地Oracle数据表“发动机系列与测量数据合格范围对应关系表”中。

采集服务报警灯提醒：采集服务端运行时，对本地Oracle数据库、OPCUA SERVER服务、采集服务进行监控，将报警数据写入PLC对应的报警点址。

（2）单工位应用

一线上线应用通过本地OPC SERVER与工位PLC进行通信，采用服务端本地ORACLE数据库，用来存储一线上线应用的订货号与发动机机型对应关系数据及发动机上线记录数据。本部分包括以下功能：

条码扫描解析数据：主界面上显示条形码数据文本框，用于接收USB扫码枪扫描的数据并解析，将发动机编号、订货号赋值给主界面中的发动机编号文本框、订货号文本框，自动状态下：根据订货号从服务端本地ORACLE数据库获取发动机机型、发动机系列，手动状态下：手动输入发动机机型、及发动机系列。

工位信息展示：显示通讯状态、工件到位、扫描条码、获取数据、上线完成的状态、当天发动机上线台数及最近一次发动机上线时间。

发动机上线：将发动机ID、订货号、发动机机型、发动机系列、扫描完成数据写入工位PLC，并将发动机上线数据写入本地SQLITE数据表。

参数设置：配置本地SQLITE、服务端本地ORACLE数据库连接信息及本地OPC SERVER连接信息。

（3）自动工位应用

自动压装气缸套检测设备主要实现缸套的自动压装，自动压装动作完成后，基于Orbit传感器测量技术，实现对缸套凸出量的在线测量，并基于工艺设定要求，自动判断测量结果是否合格，若测量不合格，则提示报警，由人工干预处理后重新测量。

系统初始化：初始化界面元素、本地数据库连接、以及OPC服务连接。

参数设置：配置服务端ORACLE、本地SQLITE数据库连接信息、本机OPC SERVER连接信息、新增数据更新完成接口配置。

工位信息展示：根据监控PLC点址，显示测量传感器报警信息、工位信息、合格范围、系统运行状态信息。

传感器手动测试：获取传感器连接状态及测量数值范围。

软件设置：传感器地址配置及机型数据合格参数配置。

历史数据查询：根据数据查询条件查询本地SQLITE数据库中的测量历史数据。

发动机机型与缸体机号、测量数据合格范围对应关系同步：定时或选择“数据更新”菜单，从服务器ORACLE数据库获取发动机机型与缸体机号、发动机系列与测量数据合格范围对应关系数据，更新到本地SQLITE数据表中，增加数据更新成功后，调用数据更新完成接口，将数据更新的状态更新到可视化应用数据库中。

固定式扫描枪串口数据通讯：监控工件到位信号，当工件到位时，通过串口向扫描枪发送扫描二维码指令，扫描枪扫描后，返回扫描的缸体机编号，并将数据写入缸体机编号点址中。

手自动切换：在工位上增加手自动切换钥匙旋钮及传感器故障屏蔽旋钮，通过修改下位PLC程序，实现工控机宕机或传感器故障时，检测设备正常运行，不影响产线生产。

③ SCADA集成架构

SCADA系统主要与MES系统、Weitalk系统和WPS系统实现集成，具体包括：

1）MES系统。本系统与MES系统采用中间库方式对接MES系统的生产信息，包括当日计划产量、当日实际上线、当日实际下线、当月累计、产量趋势图、产品在线时间、小时产出、当前在线发动机台数等。

2）Weitalk系统。本系统与Weitalk系统使用http协议通讯，向weitalk发送报警信息。

3）WPS系统。本系统与WPS系统采用中间库的方式对接WPS系统中的设备信息，包括故障次数、故障停机时间、设备可动率、设备可动率趋势图等。

04取得收益

通过系统的实施，实现的总体收益和提升的业务场景如下：


1、项目总体收益


代替设备原有SCADA系统，提升系统稳定性，保证生产正常运行。

确保现场过程数据采集完整率不低于99.9%，为生产过程优化、质量追溯、过程数据的分析提供数据支持。

与现场设备深入集成，搭建基于智能制造基础的系统平台，提升生产线智能化水平。

制定适用于潍柴的SCADA系统架构，为后期搭建各生产线统一的系统奠定基础。

实现现场生产过程实时监控。


2、提升的业务场景


实现生产线控制系统一主一备，双机冗余，提高系统运行的可靠性。

实现关键工位的过程防错，包括凸轮轴回转力矩，喷油器防错料架等。

实现MES现场程序发动机条码信息的自动读取，节省操作者扫描发动机条码的时间。

实现与目前的设备布局和工艺路线的一一对应。

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