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摘 要：针对数字化工厂建设过程中设备数据自动采集这一痛点问题，结合工业理论及实践经验，总结归纳形成汽车零部件企业数字化工厂建设各种设备集成所需的一套完整的解决方案。
关键词：数字化工厂;设备集成;解决方案
随着企业数字化转型的进程，汽车零部件企业建设数字化工厂的重要条件是对各种设备数据的自动化采集，而因设备品类繁多，设备采购时间、品牌厂家、接口协议等各不相同，设备数据采集的完整性、实时性、准确性大打折扣，工业设备自动化数据采集成为了困扰数字化工厂建设的痛点问题，也对数据集成应用，提升企业管理效能形成了制约。
本文通过研究与工业自动化系统、PLC（可编程逻辑控制器）系统设备的集成解决方案，实现工厂设备数据的自动化采集，极大减少人工操作，达到实时、准确、快速的自动采集工厂设备状况及数据的目的。
1 工厂设备底层集成逻辑
工厂的设备类型一般为工业机器人和PLC控制系统设备，设备单独分散没有联网，设备和生产数据无法集中监控，管理人员不能实时监控设备的运行状态，不能实时掌握真实准确的生产及设备数据，因此需要对各种设备从底层开始集成。
通过掌握车间所有设备的相关信息，包含设备编号、设备名称、数量、控制系统类型和设备是否可以不增加硬件或通讯模块即支持集成等信息，按照设备集成到系统中的硬件配置和通讯协议，归纳出设备底层集成方式主要有以下四种：
1.1不需要增加硬件，采用设备数据采集软件，通过TCP/IP协议（在多个不同网络间实现信息传输的传输控制协议/网际协议）直接与设备相连进行数据采集;
1.2设备供应商提供数据地址表和修改PLC通讯接口程序，直接从设备数据库进行数据采集;
1.3需要增加硬件：（1）新增CP243-1（西门子PLC中扩展以太网接口通讯模块，增加此通讯模块支持设备通过以太网集成），以太网模块支持Profinet协议，系统通过Profinet协议进行数据采集;（2）新增FX38U-485AD-MB（三菱PLC中扩展485接口通讯模块，添加此通讯模块支持设备集成），模块支持MODBUS RTU协议，系统通过MODBUS TCP协议进行数据采集;（3）新增ES-301A/B（支持485接口转为以太网接口的通讯模块，添加此通讯模块支持设备通过485接口转以太网集成）网关把PLC控制系统自带的MODBUS RTU协议转换网口的MODBUS TCP协议进行数据采集。
1.4设备自带网口支持OPC UA协议（Unified Architecture，统一架构，通过提供一个完整的、安全和可靠的跨平台的架构，以获取实时和历史数据及时间）直接从设备进行数据采集。最近几年购置的设备多数支持此种方式。
2 设备集成步骤及原则
设备集成的主要目的是为系统传输稳定的、可靠的、完整的数据，具体实施的时候需要根据实际需求，集成有用的信息进入系统，满足企业管理的需要。因此，设备集成的步骤及原则可从以下四个方面着手。
2.1搭建数字化工厂基础网络架构
基于工业以太网构建系统平台，工业机器人、PLC非标设备、数据工作站、数据服务器和应用服务器等均通过以太网进行连接，交换机负责设备、控制器、通讯模块、服务器之间的数据交互，完成数据查询和分析功能。
2.2选择合适的硬件配置
硬件配置支持设备集成到数据展示的中间过程，包括数据服务器和应用服务器（主要配置合适的CPU、内存、硬盘、电源等），车间级、企业级交换机（主要配置合适的以太网电接口、以太网光接口），PLC以太网通讯模块。
2.3选择合适的网络布线方式
（1）一般选择24口工业接入交换机，根据车间设备布局情况，设备分开连接到各个工业交换机。
（2）为确保数据信号有效传输，双绞线最长不应超过95米，建议用超五类或更高规格的工业级网线。
（3）网络布线的拓扑结构是标准的3层结构，即“核心層——汇聚层——接入层”结构体系，布线需做好防护，避免干扰。
（4）企业级交换机用于数据服务器和应用服务器连接，企业级交换机到车间级交换机之间最好采用光纤连接。
2.4设备集成实施原则
设备集成是数字化工厂建设最复杂的系统建设工程，基础平台需要在系统建设初期就考虑到具有灵活的平台化集成化架构，可跨平台灵活配置业务，基于Restful架构模块化开发可扩展性强，可持续改进，安全性和稳定性高等要求，并为未来业务的扩充预留足够通道。
数据的安全性是最重要的考虑原则，集成系统需支持一年365天，7*24小时不间断运作，最好采用“双机热备”的备份方案，保障工厂的正常运行。
3 设备与WEB应用集成方案
设备集成之后，还需要与WEB应用进行集成，以将设备数据呈现给用户，通常有以下四种方式：
3.1表述性状态传递REST的集成
这是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性。根据REST体系架构原则设计以系统资源为中心的WEB服务，通过API应用程序接口灵活的为不同种类的应用程序提供标准格式的数据，可满足更大的集成需求。
3.2元标记语言XML的集成
XML集成强调以数据为核心，在数据管理中优势明显，它能把供应链各节点、不同数据源的信息转换成XML数据，存储在虚拟集中存储器中，用户通过DOM/SAX来获取已经转换成XML格式的信息;同样，用户通过DOM/SAX接口提交的查询命令，把对方提交的XML格式的信息转换成本地数据源能够识别的数据格式进行查询。用户通过XML的封装体实现彼此之间的交互，而不需要了解对方的数据格式。
3.3应用服务Web Service的集成
Web Service为其他应用程序提供数据与服务，各应用程序通过网络协议和规定的标准数据格式来访问Web Service，通过Web Service内部执行得到所需结果。Web Service是创建可互操作的、分布式应用程序的新平台。
3.4数据库底层的集成
借助数据库访问技术，双方系统通过数据库的触发器或者存储过程等功能实现直接在后台实时交互、共享数据的集成机制，不需要通过应用程序接口来实现数据集成。
结束语：
从设备底层的集成方案与实施步骤，到设备与WEB应用的集成方案，可实现汽车零部件企业的工业信息互联，消除工业设备数据孤岛痛点，为管理人员提供可视化、透明化、精细化的管理决策依据，极大的提升企业的管理效能。
参考文献：
[1]贺赠存.锂电池工厂MES系统设计与实现[D].浙江工业大学，2019.
[2]姚弘，姚彦君，尹力恒，刘远，金少英.基于MES和大数据理念的设备改造研究[J].中国仪器仪表，2017，12：44-49.
[3]张艳蕊.数字化车间设备集成技术的研究[D].河北工业大学，2007.
[4]刘强.铅酸电池智能工厂及其关键技术研究[D].浙江大学，2018.
作者简介：
王因杰（1984.08—），男，汉族，广西梧州人，本科，工程师，研究方向：数字化供应链及质量管理。
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545027）
关键词：数字化工厂;设备集成;解决方案
随着企业数字化转型的进程，汽车零部件企业建设数字化工厂的重要条件是对各种设备数据的自动化采集，而因设备品类繁多，设备采购时间、品牌厂家、接口协议等各不相同，设备数据采集的完整性、实时性、准确性大打折扣，工业设备自动化数据采集成为了困扰数字化工厂建设的痛点问题，也对数据集成应用，提升企业管理效能形成了制约。
本文通过研究与工业自动化系统、PLC（可编程逻辑控制器）系统设备的集成解决方案，实现工厂设备数据的自动化采集，极大减少人工操作，达到实时、准确、快速的自动采集工厂设备状况及数据的目的。
1 工厂设备底层集成逻辑
工厂的设备类型一般为工业机器人和PLC控制系统设备，设备单独分散没有联网，设备和生产数据无法集中监控，管理人员不能实时监控设备的运行状态，不能实时掌握真实准确的生产及设备数据，因此需要对各种设备从底层开始集成。
通过掌握车间所有设备的相关信息，包含设备编号、设备名称、数量、控制系统类型和设备是否可以不增加硬件或通讯模块即支持集成等信息，按照设备集成到系统中的硬件配置和通讯协议，归纳出设备底层集成方式主要有以下四种：
1.1不需要增加硬件，采用设备数据采集软件，通过TCP/IP协议（在多个不同网络间实现信息传输的传输控制协议/网际协议）直接与设备相连进行数据采集;
1.2设备供应商提供数据地址表和修改PLC通讯接口程序，直接从设备数据库进行数据采集;
1.3需要增加硬件：（1）新增CP243-1（西门子PLC中扩展以太网接口通讯模块，增加此通讯模块支持设备通过以太网集成），以太网模块支持Profinet协议，系统通过Profinet协议进行数据采集;（2）新增FX38U-485AD-MB（三菱PLC中扩展485接口通讯模块，添加此通讯模块支持设备集成），模块支持MODBUS RTU协议，系统通过MODBUS TCP协议进行数据采集;（3）新增ES-301A/B（支持485接口转为以太网接口的通讯模块，添加此通讯模块支持设备通过485接口转以太网集成）网关把PLC控制系统自带的MODBUS RTU协议转换网口的MODBUS TCP协议进行数据采集。
1.4设备自带网口支持OPC UA协议（Unified Architecture，统一架构，通过提供一个完整的、安全和可靠的跨平台的架构，以获取实时和历史数据及时间）直接从设备进行数据采集。最近几年购置的设备多数支持此种方式。
2 设备集成步骤及原则
设备集成的主要目的是为系统传输稳定的、可靠的、完整的数据，具体实施的时候需要根据实际需求，集成有用的信息进入系统，满足企业管理的需要。因此，设备集成的步骤及原则可从以下四个方面着手。
2.1搭建数字化工厂基础网络架构
基于工业以太网构建系统平台，工业机器人、PLC非标设备、数据工作站、数据服务器和应用服务器等均通过以太网进行连接，交换机负责设备、控制器、通讯模块、服务器之间的数据交互，完成数据查询和分析功能。
2.2选择合适的硬件配置
硬件配置支持设备集成到数据展示的中间过程，包括数据服务器和应用服务器（主要配置合适的CPU、内存、硬盘、电源等），车间级、企业级交换机（主要配置合适的以太网电接口、以太网光接口），PLC以太网通讯模块。
2.3选择合适的网络布线方式
（1）一般选择24口工业接入交换机，根据车间设备布局情况，设备分开连接到各个工业交换机。
（2）为确保数据信号有效传输，双绞线最长不应超过95米，建议用超五类或更高规格的工业级网线。
（3）网络布线的拓扑结构是标准的3层结构，即“核心層——汇聚层——接入层”结构体系，布线需做好防护，避免干扰。
（4）企业级交换机用于数据服务器和应用服务器连接，企业级交换机到车间级交换机之间最好采用光纤连接。
2.4设备集成实施原则
设备集成是数字化工厂建设最复杂的系统建设工程，基础平台需要在系统建设初期就考虑到具有灵活的平台化集成化架构，可跨平台灵活配置业务，基于Restful架构模块化开发可扩展性强，可持续改进，安全性和稳定性高等要求，并为未来业务的扩充预留足够通道。
数据的安全性是最重要的考虑原则，集成系统需支持一年365天，7*24小时不间断运作，最好采用“双机热备”的备份方案，保障工厂的正常运行。
3 设备与WEB应用集成方案
设备集成之后，还需要与WEB应用进行集成，以将设备数据呈现给用户，通常有以下四种方式：
3.1表述性状态传递REST的集成
这是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性。根据REST体系架构原则设计以系统资源为中心的WEB服务，通过API应用程序接口灵活的为不同种类的应用程序提供标准格式的数据，可满足更大的集成需求。
3.2元标记语言XML的集成
XML集成强调以数据为核心，在数据管理中优势明显，它能把供应链各节点、不同数据源的信息转换成XML数据，存储在虚拟集中存储器中，用户通过DOM/SAX来获取已经转换成XML格式的信息;同样，用户通过DOM/SAX接口提交的查询命令，把对方提交的XML格式的信息转换成本地数据源能够识别的数据格式进行查询。用户通过XML的封装体实现彼此之间的交互，而不需要了解对方的数据格式。
3.3应用服务Web Service的集成
Web Service为其他应用程序提供数据与服务，各应用程序通过网络协议和规定的标准数据格式来访问Web Service，通过Web Service内部执行得到所需结果。Web Service是创建可互操作的、分布式应用程序的新平台。
3.4数据库底层的集成
借助数据库访问技术，双方系统通过数据库的触发器或者存储过程等功能实现直接在后台实时交互、共享数据的集成机制，不需要通过应用程序接口来实现数据集成。
结束语：
从设备底层的集成方案与实施步骤，到设备与WEB应用的集成方案，可实现汽车零部件企业的工业信息互联，消除工业设备数据孤岛痛点，为管理人员提供可视化、透明化、精细化的管理决策依据，极大的提升企业的管理效能。
参考文献：
[1]贺赠存.锂电池工厂MES系统设计与实现[D].浙江工业大学，2019.
[2]姚弘，姚彦君，尹力恒，刘远，金少英.基于MES和大数据理念的设备改造研究[J].中国仪器仪表，2017，12：44-49.
[3]张艳蕊.数字化车间设备集成技术的研究[D].河北工业大学，2007.
[4]刘强.铅酸电池智能工厂及其关键技术研究[D].浙江大学，2018.
作者简介：
王因杰（1984.08—），男，汉族，广西梧州人，本科，工程师，研究方向：数字化供应链及质量管理。
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545027）