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摘要：传统PCB制造业中,各个设备之间彼此孤立,数据无法互联互通,严重制约工业生产效率的提升。为提高PCB设备的智能化和信息化水平,本文设计实现一种通用的基于OPC UA协议的PCB设备数据采集与管理系统。系统基于OPC UA技术,解决不同类型PCB设备之间联网和数据采集问题。
关键词：OPC UA；系统模型；高级消息队列；智能制造；工业互联网
Research and Implementation of Intelligent Data Acquisition and Management Platform for PCB Equipment Based on OPC UA Protocol
HE Bin1,GUAN Zheng2
(1.Purple Mountain Laboratories,Nanjing Jiangsu 211111;2.Suzhou Municipal Administration of Key Project Construction,Suzhou Anhui 234000)
【Abstract】：In the traditional PCB manufacturing industry,various devices are isolated from each other,and data cannot be interconnected,which severely restricts the improvement of industrial production efficiency.In order to improve the intelligence and information level of PCB equipment,this paper designs and implements a general PCB equipment data acquisition and management system based on OPC UA protocol.The system is mainly based on OPC UA technology,which solves the problems of networking and data collection between different types of PCB equipment.
【Key words】：OPC UA;system model;advanced message queue;smart manufacturing;industrial internet
0引言
作为全球最大的PCB制造基地,我国的PCB加工产品规格不一、生产流程复杂、生产管理难度大,普通多层板需经过近20个工序,涉及近百台设备。目前,不同厂商的生产设备没有“连网”,欠缺数据收集、分析、应用能力[1]。随着工业互联网技术的发展,生产过程数据的实时统计、生产数字化管理、工厂智能化,以及制造流程可追溯化,成为PCB电路板制造厂商提高竞争力的主要动力。因此,实现不同类型生产设备的联网与监测管理是实现智能制造亟需解决的问题。
1 OPC UA技术
OPC UA又称OPC统一架构,是一套集信息模型定义、服务集与通信标准为一体的标准化技术框架。OPC UA可实现不同类型设备原始数据信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。基于面向服务的架构（SOA）[5],可用于Windows、Linux、UNIX或其他的操作系统企业层和嵌入式自动组建之间的桥梁,解决不同设备之间语义互操作的问题[4,6],实现工业场景下异构设备数据互联,如图1所示。
2系统构成
PCB行业工艺流程复杂、设备种类多、离散度大,OPC UA真正落地应用到PCB行业,需要依据行业特性制定行业数据模型,2.1节系统模型中给出了行业数据模型,通过对设备运行状态、参数抽象,输出了适合PCB制造行业的数据模型；2.2节依据2.1节给出的PCB数据模型,描述了客户端实现方式,主要实现信息的采集与传输；2.3节给出了服务器端实现方式和主要功能。
2.1系统模型
基于OPC UA的PCB制造设备信息采集模型EMS model,实现了各种异构设备语义层识别,通过对行业数据抽象,构建了统一的PCB设备数据模型,解决设备之间“信息孤岛”。模型由三个部分组成：设备采集信息编码表；设备信息字典表；设备状态机模型。
通过设备采集信息编码表,构建基于PCB整厂的统一的数据结构,适用PCB制造工艺各个流程（包括电测车间、开料车间、钻孔车间、成品车间等）。设备采集信息编码表主要包括设备编码、名称、说明、是否对接字典外表（Dictinary）,详细描述了PCB整厂设备所需要的参数描述,其中Dictinary字段表示是否需要对接字典外表。设备信息字典表描述了设备与系统交互时所需要采集信息项字典表内容和编码原则,是对设备采集信息编码表相关字段的细化,可由厂家根据具体业务需求灵活扩展字段。
设备状态机模型用于描述工业设备的基本状态转换。设备状态机管理设备应用程序启动,保证工业应用程序必须在设备开始生产之前启动完成,同时能够准确获取各种类型设备状态（包括关机、初始化、空闲、就绪、工作、错误等）。（如图2所示）。
2.2客户端实现
客户端数据采集系统EMSclient,基于EMSmodel数据模型对PCB各类设备进行数据采集,主要功能单元包括：配置单元（配置设备类型、服务器IP地址、解析文件路径、设备域名注册等功能项）、解析单元（读取各类设备下目标文件信息和设备原始数据信息,匹配EMSmodel数据模型,通过OPC UA协议输出具有PCB设备语义信息的TSM消息结构）、本地存储功能单元（在断网情况下接收消息,临时存储在本地数据库,并在网络恢复后自动上抛的云端服务器,确保数据不丢失）、消息分发单元（通过高级消息队列,异步方式实现客户端与服务器端通信）、日志管理单元（记录客户端日志信息,便于数据采集模块异常时,问题定位）、客户端自动升级单元（定期启动侦听线程,监听服务器升级命令,如有接收到升级命令,触发自动升级功能）。
其中,消息分发单元把解析后的数据,通过异步消息队列方式,自动上传到工厂服务器端,并利用缓存机制,保证在同时开机情况下数据传递的时延,避免数据拥塞。通过异步消息队列,实现了设备与服务器通讯解耦,减少设备通讯的耦合,降低设备部署和通信成本。如图3所示。
2.3服务端实现
云端服务器EMSserver实时接收基于各个设备客户端程序上报的数据信息（包含PCB工厂所有连线设备的数据）,并存储到云端MySQL数据库中（该数据库主表同样与EMSmodel数据模型接口适配）。主要功能模块有登录注册、大屏看板、设备报表、岗位报表、物料报表、人员报表等。大屏看板主要用来实时监控生产过程,包括实时稼动率、设备生产状态、生产数量、产品品质等。设备报表用来统计各个机台的生产稼动率。岗位报表用于统计各个生产岗位的实时产量,包括生产的板子数、单元数、点数等。物料报表主要用来根据不同物料信息,实时分析当前物料生产进度。人员报表用来实时统计每个操作员的生产数量。
2.4性能指标
系统部署在PCB智能制造工厂电测车间（包括飞针机测试车间、通用机测试车间、专用机测试车间）,总计超过300台客户端,服务器采用Intel CPU E5-2650(2.6GHz),32G内存。经过测试,系统可同时支持300台客户端同时并发数据采集操作,每天采集数据量超过30万条,数据库查询响应时间小于3秒,满足实际应用需求。
3结语
基于OPC UA协议的PCB设备智能采集与管理平台,综合应用了OPC UA通信技术,构建了PCB设备行业数据模型,并基于C#、Java编程语言分别显示了客户端和服务器端应用程序。系统适用于PCB各个制造车间,如电测车间、钻孔车间、开料车间、内层车间等,支持各种不同类型的设备,可根据实际需要灵活部署。后续可基于该系通采集的数据进行AI训练,开发实现预测性维护等应用功能。
参考文献
[1]杨宏强.全球PCB产业现状分析及策略研究(2015)[J].印制电路信息,2016(1):11-15+36.
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[3]Miranda J,Cabral J,Banerjee S,et al.Analysis of OPC unified architecture for healthcare applications[C]//2017 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation(ETFA).IEEE,2017:1-4.
[4]宋华振.OPC UA TSN—面向未来的工业通信[J].自动化博览,2018(7):56-60.
[5]姚春雷.OPC UA:工业4.0的先行者[J].中国仪器仪表,2017(3):36-37.
[6]刘丹,赵艳领,谢素芬.基于OPC UA的数字化车间互联网络架构及OPC UA开发实现[J].中国仪器仪表,2017(10):39-44.
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