线材产品智能生产追溯软件系统的开发

线材产品智能生产追溯软件系统的开发

刘浩王宽儒李亚康

郑州高端装备与信息产业技术研究院有限公司河南郑州450000

摘要：线材产品智能生产追溯软件系统面向焊丝生产企业，对焊丝从原材料到整个生产过程包括粗拉、精拉、镀铜、层绕、包装等的工艺参数等信息进行全方位自动智能采集、分析和追溯。不同层级管理者可以分权限快速获取这些相关信息，可以对产品进行正向，逆向或不定向的全方位追踪，从而实现对焊丝产品生产全过程的智能化、精准化管理。

关键词：焊丝生产智能制造软件开发

引言：

目前，国内焊丝企业机电设备已经大片上马，但面向全生产过程的数据采集、数据跟踪和数据追溯功能却基本空白。

线材产品智能生产追溯软件系统就是针对这一空白进行开发。系统主要是针对焊丝生产过程及生产工艺的特殊性，通过现代化信息技术、焊丝生产管理数据和焊丝生产工艺技术有机结合，达到全生产过程数据采集、数据分析、数据追溯的目的。系统预留和各种软件平台的互通接口，保证软件系统的可扩展性和可维护性，推动可持续发展。

系统采用C/S,B/S两种架构，具备独立的客户端和数据库，客户端根据需要只能读取数据库的部分信息，不能对数据库进行写入和修改，整个系统是从底层独立开发，不存在二次开发和平台挂靠，是一个对企业的信息安全性和保密性完全保障的独立的系统平台。

1整体设计

1.1焊丝生产工艺简述

焊丝生产线分为盘条表面处理、粗拉生产线、精拉生产线、化学镀铜生产线、层绕生产线、包装六个环节。每个环节包含大量的数据，线材产品智能生产追溯软件系统把这些数据形成贯穿各条生产线的数据链，每条焊丝成品都有完整的数据链对应，根据唯一的追溯码，可以追溯焊丝在整个生产过程中的相关参数。

1.2开发架构

本软件采用WPF、C#、WCF、ASP.NET等多种语言进行开发，数据库采用SQL2008，提供C/S、B/S等多种架构，在考虑系统功能的基础上，着重考虑了系统安全性需求。系统引入中间层，提供了安全、易用的数据库管理方法，可以将多种应用服务封装部署于应用服务器，增强了应用程序可用性、安全性、封装复用性、可扩展性和可移置性，从而实现了高效、安全、稳定的企业级系统应用。本设计中，将应用程序的数据访问、合法性校验等工作放在中间层进行处理。客户端不直接与数据库进行交互。中间层提供WCF服务接口，客户端通过WCF技术与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互，并利用web服务访问厂家数据。系统采集采用虚拟网关技术，把设备数据统一采集到程序中，通过程序中转，把数据发送到相应的客户端，无论客户端是桌面应用程序、浏览器、安卓手机设备、移动终端等，虚拟网关都能很好的予以支持。

2.项目难点及解决措施

2.1、数据信息采集方式多样

针对人、机、料、法等生产关键要素信息采用多种采集手段，包括手工方式采集、数据终端设备采集、传感器采集等方式。

手工方式采集：通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入，主要用于属性数据的输入。

数据终端设备采集:通过扫码枪等数据终端设备采集条码信息，用于生产信息的汇总和追溯。

传感器采集:通过PLC连接传感器，采集重量、转速等信息，用于生产过程把控。

数据通讯采集:联网方式下，通过数据通讯进行信息系统内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享。

将不同形式采集的信号进行数字化处理，本系统的信号源包含模拟信号，数字信号、流数据、图片等，我们需要把这些信号统一为数字信息，期间包含抗干扰、除噪、模拟数字转换、数据流转换等过程。

针对各种数据采集手段方式，采用了扫码枪、打码机、PLC、仪器仪表等多种采集方式。

2.2、“一对多”信息采集技术

焊丝生产线分为盘条表面处理、粗拉生产线、精拉生产线、化学镀铜生产线、层绕生产线、包装六个环节。

每个环节都含有多个机组。四条盘条预处理生产线需要配备四条粗拉机组，需要配备十几条精拉机组、需要二十几头的化学镀铜生产线，需要配备十几条层绕机组。这样需要百余个采集终端，不可能每个采集终端都配备转发设备。因此，需要一种方法解决多个采集终端的数据采集问题。

运用Socket技术可以解决一个服务器同时采集多个采集终端数据的技术难题，代替常规一个服务器采集一个采集终端数据的采集模式，实现低成本、高效率信息采集。

从最低级别交换机到MES服务器和客户端的通路之间都是遵循TCP/IP协议，我们在其中抽象出一组接口，即Socket，用它对数据进行处理，从而保证数据“一对多”特性。

Socket技术基于TCP/IP，TCP/IP即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网设计的。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定，对端口进行监听，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

我们通过对Socket的运用，可以解决“一对多”信息采集技术的问题，在保证数据采集快速的同时，降低了成本。

2.3、数据信息的预处理、统一协议

系统采集数据多种多样（包括扫码枪、打码机、PLC、机器设备输出端等），不可避免的会有数据噪声的出现，这些错误信号会对数据的后续处理带来很大的影响，因此我们需要对数据进行预处理。在传输过程中存在多种协议，系统需要制定一个标准，对协议进行统一，便于后续的数据处理。

将数据信息传输到处理系统进行筛选，数据信息首先需要预处理、其次需要根据协议进行数据传递，初始数据杂乱无章，需要进行预处理，剔除掉无用的噪声数据，过滤掉过程数据、保留有价值的数据。

系统采用硬件和软件两种方式进行噪声处理，硬件采用屏蔽线、屏蔽仪等设备进行防噪处理。软件采用滤波方式进行数据预处理。

数据信息的传输过程包含多种协议，在设备与软件系统间包含多种协议、在局域网中使用TCP/IP协议，在客户端与服务器之间使用各种数据服务进行调用。

系统采用ModbusTCP为统一协议的主要标准，其他无法统一的协议通过中间件方法进行处理。最终使杂乱无章的协议种类基本得到统一，便于后续的数据获取和开发工作的进行。

2.4、服务器主动推送技术

焊丝生产线信息量很大，每个环节都有不同的参数需要实时获取和监控。

盘条表面处理需要获取原料名称、库管人员、领料人员等信息；

粗拉、精拉、镀铜、层绕生产线都需要获取各自的线径、重量、操作人员、工字轮号等信息；

如果系统采用常用的主程序轮询的方式进行处理，势必会造成潜在问题。这就不得不采用新的方法进行处理，本系统采用服务器主动推送的方法进行数据的采集。

服务器主动推送采用中间件和Socket技术，在服务器上开辟一个新的进程，由此进程执行服务器推送的单一任务。此进程采用Socket技术，通过其TCP连接的特性，一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。连接的建立为数据传输开辟了通道，数据可以通过通道进行实时传输，从而实现实时监控。

客户端无论是桌面程序、浏览器、手机APP、Web服务等哪种种类，TCP都可以很好的予以支持，因此服务器推送支持多种客户端程序。系统很好的满足数据稳定采集的需求，并实现了一次采集，多客户端接收的功能。

2.5、数据信息分类处理分析

本系统的数据分为噪声数据、中间数据和库存数据，噪声数据是无效数据，直接进行屏蔽，中间数据用于数据实时显示，显示完以后即丢弃，不进入数据库，可以进入缓存。库存数据用于后续数据分析和查询，需要进入数据库进行保存。

我们需要针对用户业务需求做针对性的数据收集、加工、整理，采用统计、挖掘技术分析和解释用户数据，从而提炼出有价值的信息。

分析过程主要由信息需求获取、数据收集、数据预处理、数据分析、数据展现等步骤组成。

根据工艺人员对数据的分类总结，系统对不同的数据可以采取不同的处理分析方法。

对生产数据主要采用挖掘的办法进行处理，对管理数据主要采用统计的方法进行处理。

根据业务逻辑关系把杂乱无章的生产数据进行挖掘，从而连成一条数据线，实现数据追溯。

根据管理数据的统计，分析已有管理中存在的问题，预测未来的发展趋势。

2.6、系统集成

系统具有较好的扩展性。能够扩展到包扩销售管理、生产管理、质量管理、物资供应、条件保障、人力资源、生产现场监控、报表系统、信息录入、产品管理、产能分析等模块。

系统从数据库、协议、软硬交互三个方面进行系统集成。

系统需要以数据库为核心内容，对各部分、各模块的数据使用统一方法进行分析标识存入数据库，使用统一规则读出数据库的内容，从而在数据底层实现系统的有机结合。

数据从设备到上位机、从服务器发往客户端的过程中，使用统一的协议TCP/IP进行传输，保证数据传输方式的统一标准，保证全套系统的有机结合。

系统包含软件、硬件、传感器、PLC单元、网关等部分，通过局域网将各个部分的物理部分互联互通起来，并且通过协议转换使各个部分的数据部分实现互联互通。

3.系统功能

3.1主要功能点

1).以精益生产管理工具全制程监控生产过程中的生产进度、品质状况、设备状态与效率、操作人员、生产工艺及材料流转等信息，通过电子看板实时显示；

2).通过统一的数据中心平台，对生产过程中收集的数据进行高效分析并生成多层次多维度的管理报表，如能耗分析、设备与人员效率、成材率等；

3).出现用户产品投诉的时候，能根据产品号码追溯这批产品的所有生产过程信息；

4).可以快速获得产品的原料供应商、操作机台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数等信息；

6).实时获知目前前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量；

7).能够对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随机波动与异常波动；

8).基本废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码；

9).产线所有设备的维护保养自动记录；

3.2主要系统功能

A）生产现场监控

生产现场监控包括各工位扫码枪相关参数状态监控、服务端监控中间件、看板客户端监控、浏览器客户端监控。

各工位扫码枪相关参数状态监控包含盘条表面处理、粗拉生产线、精拉生产线、化学镀铜生产线、层绕生产线等部分的扫码枪相关参数数据。具体分为多个模块，每个模块是对应生产线的最新的扫码枪相关参数数据，如果现在传递的参数是某一模块参数，则此模块标识为红色，并获取此模块最新数据。如果传入参数不为此模块参数，则此模块显示的是历史最新数据。

B）信息录入模块

扫码枪中能够含有少量的信息，一般是一个条码数据。根据此条码数据能够读取条码关联的信息。这些信息需要在工序开始的时候予以输入，系统提供了各个工位（原料、粗拉、精拉、镀铜、层绕）的

信息录入模块，每个工位的参数都可以增删改查。

C）产品追溯模块

产品追溯模块包含C/S、B/S两种方法，根据用户的需求可以随意选择。

面向用户的信息可以用B/S方法进行追溯，可以根据每个参数的特征进行追溯，也可以用参数逻辑组合的方式进行追溯，此部分暴露给用户的是受限制的信息。

面向车间的信息可以用C/S方法进行追溯，采用C/S方式进行追溯安全性较高，可以用于展示数据库的所有信息。系统可以根据车间的每个工位工艺的参数来设定追溯条件，最终达到全面追溯的目的。

D）扫码枪数据转发模块

扫码枪传输数据流信息，通过串口协议转换成网口协议，通过Socket编程进行数据发送和接收，根据不同的扫码枪类型来区别其是作为客户端还是服务端。本系统因为扫码枪点数众多，且扫码枪类型为不可编程，所以扫码枪在本系统中作为客户端使用。

扫码枪数据转发模块需要实时读取扫码枪客户端提交上来的数据，对数据的相关属性（时间、IP等）进行记录，对信息录入模块的数据进行比对，通过扫码枪数据，找到其对应的参数。

E）统计分析模块

根据厂家需求，对各工位（原料、粗拉、精拉、镀铜、层绕）的真实线径、真实重量等参数进行统计，设置其上下限。用折线图方式对其进行展示。

采用C/S、B/S共同展示方式，C/S展示车间关注的相关参数，B/S主要提供给上级领导随时查看使用。

F）打码机模块

打码机模块的使用分为两个部分：

第一个部分在每一个工位前期，用于打印工位参数对应的条码，参数信息与条码信息一一对应存入数据库中。系统使用打码机打印出此条码，便于使用。

第二部分在层绕结束以后，需要粘贴产品唯一条码，此条码包含8位数字或字母，不重复率达到99%，此部分需要打印机始终处于暂停状态，数据库最新数据不停的发送给打印机，工人只需手按按钮即可打印出符合需要的产品唯一条码。

4.总结

焊丝产品追溯系统为完全采用自主技术研发的产品智能追溯系统，本系统面向焊丝生产企业，对焊丝从原材料到整个生产过程包括粗拉、精拉、镀铜、层绕、包装等的工艺参数等信息进行全方位自动智能采集、分析和追溯。

系统含有生产现场监控、信息录入模块、产品追溯模块、扫码枪数据转发模块、统计分析模块、打码机模块等功能模块组成。

系统解决了数据信息采集方式的多样性处理、“一对多”信息采集技术、数据信息的预处理及协议统一、数据信息分类处理分析、系统集成等方面的技术难点。

本项目可以有效降低劳动强度，提高生产效率，显著降低人工成本，提高产品合格率，改善企业的生产和管理体系，具有显著地经济效益和社会效益。