基于SCADA的车间级生产管控平台设计与实施研究

常州百利锂电智慧工厂有限公司 陈 玉

1 引言

随着科技的快速发展，新能源行业已逐渐成为全球经济的重要支柱。其中，锂电正极材料由于其在储能技术中的关键作用，需求量激增。面临这一市场环境，大型材料生产商规划产能从数万吨扩展到数十万吨，以满足市场需求。传统的自动化工厂架构已无法满足这一需求。一些企业试图通过引入MES 系统来解决问题，但由于MES 厂家对工艺的理解不足，实施结果一般不能满足企业的预期。因此，如何利用现有的SCADA 系统，设计和实施一个能满足企业生产管理需求的车间级生产管控平台，成为一个亟待解决的问题。

2 SCADA 系统与生产管控的关联性研究

2.1 SCADA 系统的基本概念及特性

数据采集与监控系统（SCADA）是一种用于工业生产管理的计算机控制系统，能实时获取、处理并显示数据，实现对生产过程的实时监控和操作控制。作为工业自动化系统的核心部分，SCADA 系统能有效集成各种生产设备和系统，提升生产效率和质量，同时降低成本。

SCADA 系统具有几个关键特性：一是实时性，能提供及时准确的生产数据，助力决策；二是可靠性，通过故障诊断和备份恢复功能保证稳定运行；三是开放性，支持多种通信协议和数据库，便于与其他系统数据交换和集成；四是可扩展性，能随生产需求变化进行功能增加或修改；五是可视化，通过直观的图形用户界面清晰展示生产状态和参数。

2.2 生产管控的重要性及其与SCADA 系统的关联性

生产管控是指对生产过程进行有效的组织、指挥和调度，确保生产活动按照预定的目标和计划进行，在企业运营中起着至关重要的作用。好的生产管控不仅可以提高生产效率和产品质量，减少生产成本，而且可以提高客户满意度，增强企业竞争力。

与SCADA 系统的关联性在于，SCADA 系统能够提供生产管控所需的实时、准确的生产数据，帮助决策者理解生产状态，及时调整生产计划和策略。另外，SCADA 系统的控制功能也可以实现对生产设备和过程的自动控制，降低了生产过程中的人为错误，提高了生产的稳定性和可靠性[1]。而SCADA 系统的报警和故障诊断功能则可以帮助企业快速发现和处理生产问题，减少停机时间，保证生产连续性。

3 基于SCADA 的车间级生产管控平台设计

3.1 平台设计的基本要求与目标

设计车间生产管控平台的目标在于实现全面、精细、智能的生产过程监控与管理。这个平台应能实时、准确地获取和展示生产数据，使决策者能够清晰了解生产过程的实时状态，及时发现并解决生产中的问题。平台还应有控制功能，比如设定和调整生产计划，控制生产设备的运行，设定和调整生产参数，进一步实现生产过程的自动化和智能化。平台还需具有数据分析和决策支持功能，通过对生产数据的处理和分析，提供关于生产效率、产品质量、设备状态和能源消耗等方面的统计报告和分析结果，这将有助于决策者作出科学且合理的决策。考虑到系统稳定性和安全性，还需确保生产数据的安全存储和传输，防止数据丢失、误操作和非法访问。从技术实现上讲，该平台应采用模块化设计以支持功能扩展和升级，并且要与SCADA 系统和MES 系统无缝对接，以实现生产数据的上下游整合，从而提升数据的利用效率和价值[2]。

3.2 S CADA 系统的架构设计

SCADA 系统的架构设计涵盖了多个层级，主要包括数据采集层、通信网络层、数据处理层和应用层。在数据采集层，需要使用各种传感器和设备，如温度传感器、压力传感器、流量计等，来实时监控和记录生产过程中的各种参数。然后，通过在通信网络层设定的网络协议和数据格式，将采集到的数据传输至数据处理层。在数据处理层，需要使用一定的数据处理和分析方法，如数据清洗、数据转换、数据聚合和数据分析等，以处理并理解收集到的大量数据[3]。最后，在应用层，需要开发各种应用软件和服务，如实时数据展示、报警系统、数据报表、生产调度系统等，以便于用户可以直观地理解数据，及时发现和解决生产中的问题，提高生产效率。

3.3 生产管控功能模块设计

在生产管控平台的设计中，主要包含了生产模块、质量模块、设备模块、报警管理模块、能源模块以及数据库管理模块等六大核心功能模块。

首先，生产模块是用来监控和管理生产流程的，包括生产计划、生产调度、生产监控等功能，实现生产活动的全程管控。其次，质量模块主要负责对生产过程中的产品质量进行实时监控和管理，包括质量数据采集、质量检验、质量报告等功能，确保产品质量的稳定和提升。然后，设备模块主要负责对生产设备的管理，包括设备状态监控、设备维护保养、设备故障处理等功能，保障生产设备的稳定运行。报警管理模块用于实时监测生产过程中的异常情况，当发生异常时，可以立即发出警报，并自动启动应急预案。而能源模块则是对生产过程中的能源使用情况进行监控和管理，如电力、燃气等，通过数据分析，为企业节能减排提供决策支持。数据库管理模块主要负责对上述各模块生成的大量数据进行有效的管理和利用，包括数据存储、数据备份、数据查询等功能，保证数据的安全和可用[4]。

3.4 数据处理与信息传递模块设计

数据处理与信息传递模块在生产管控平台中具有核心地位。该模块涵盖数据采集、数据清洗、数据分析以及数据储存等环节，通过实时采集设备状态、生产过程参数和能源消耗等各类数据，进行预处理以保证数据质量，并通过复杂的统计分析、趋势分析、关联分析等手段，从海量数据中提取出有价值的信息为决策提供支持，最后将这些数据在数据库中进行有序储存以备后续使用和查询。同时，信息传递环节通过图表、报表等直观的方式向用户展示数据处理后的结果，以帮助用户快速把握生产情况。通过网络、移动设备等工具，实现信息的及时传递，达到信息的共享和流通，而在设计中，信息传递的效率和安全性被特别重视，以防止信息延迟、丢失，并保护信息的安全和隐私。

4 平台实施与应用

4.1 平台的开发环境与工具

在本文的研究中， 选用Visual Studio 、VScode 等开发环境进行平台开发。Visual Studio是基本完整的开发工具集，包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML 工具、代码管控工具、集成开发环境（IDE）等。VScode 是一款开源、轻量级但功能强大的代码编辑器，具有良好的跨平台特性，支持Windows、Linux 和Mac OS操作系统。VScode 提供了多种语言支持、代码智能提示、Git 控制、调试工具等一系列高效的开发工具，适应各种编程语言的开发需求。

在编程语言方面，选择了VC++、Python 等语言进行开发。VC++适合数据采集方面开发，面向OPC或硬件接口开发，优点是程序执行速度快、效率高、稳定性好。

Python 语言因其语法简洁易懂、代码可读性高、学习曲线平缓等特性，得到了广大开发者的青睐。同时，Python 的强大的第三方库支持，如NumPy、Pandas 等数据处理库和Django、Flask等Web 开发框架，能够更好地处理数据和实现网页应用的开发[5]。

在本研究中，Python 不仅被用于开发SCADA系统，也被用于处理和分析采集到的数据，为生产管控提供数据支持。例如，在开发中，可以使用Python 和pandas 库进行数据处理。

4.2 平台界面设计

本研究采用以用户为中心、技术驱动的平台界面设计策略。遵循一致性、简洁性、反馈性和用户友好的设计原则，目标是创建出直观、易于使用且高效的用户界面。在技术实现方面，VC++与Python 语言被用于核心功能的实现。同时，为了提高界面用户体验，VC++在Win32应用开发中，常常与MFC（Microsoft Foundation Class）库一起使用，该库提供了一套丰富的C++类，包括用于创建窗口和对话框的类，以及用于处理菜单、工具栏、剪贴板和拖放等任务的类，极大地提高了开发效率。

而Python 在用户界面设计方面，Tkinter 库作为Python 的标准图形用户界面（GUI）库，可以创建跨平台的Python 应用程序，以及多种图形应用程序。用户需求和使用场景作为界面设计的出发点，然后通过前端技术和工具实现这些设计，最后通过用户测试和反馈，持续优化和改进界面设计，确保其能够尽可能地满足用户的需求和习惯。

4.3 平台实施的效果分析

平台实施效果详见表1。

表1 平台实施效果

基于SCADA 的车间级生产管控平台的实施，带来了显著的效果改善。从表1可以看出，实施后的各项指标均有不同程度的提升或优化。

首先，生产效率的提升是明显的。在平台实施前，生产效率为80%，而实施后，这一比例提升到了90%，改善百分比达到了12.5%。这主要归功于SCADA 系统的实时数据收集和分析能力，以及管控平台对生产流程的精细管理。通过对设备状态、生产过程等进行实时监控和调度，使得生产流程更加顺畅，减少了故障停机时间，提高了生产效率。

其次，产品质量也有显著提升。实施前，产品质量的达标率为85%，而实施后，这一数字提升到了95%，改善百分比达到了11.76%。这主要得益于管控平台中的质量管理模块，通过对生产数据的实时监控和分析，能够及时发现生产过程中的质量问题，采取措施进行改正，从而确保产品质量。

再次，设备运行时间也有所增长。从原来的18h，提升到了20h，改善百分比为11.11%。这一变化反映出了设备管理模块的作用。通过对设备运行状态的实时监控和预测性维护，减少了设备故障停机时间，提高了设备的利用率。

最后，能源消耗方面，实施后比实施前减少了10%。这主要得益于能源管理模块，通过对生产过程中的能源消耗进行实时监控和分析，发现并改正能源使用中的不经济行为，从而实现了能源的节约。

5 结语

从本文的研究可以看出，基于SCADA 的车间级生产管控平台的设计与实施是可行的，对于现代化车间的生产管理和优化有着积极的推动作用。然而，也需要认识到，随着技术的发展和生产需求的变化，平台的优化和升级是一个持续的过程。在未来的工作中，我们将进一步研究如何将最新的人工智能技术与SCADA 系统结合，以实现更加智能化的生产管理和控制。