現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

周本華　吳旭光　郭培龍　黃相行

(① 北京英迪致遠(yuǎn)科技有限責(zé)任公司，北京100102；②河北省專業(yè)通訊局，河北 石家莊 050065)

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現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

周本華①吳旭光②郭培龍①黃相行①

(① 北京英迪致遠(yuǎn)科技有限責(zé)任公司，北京100102；②河北省專業(yè)通訊局，河北 石家莊 050065)

詳細(xì)介紹了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)容、方式，并以案例的方式介紹了該系統(tǒng)在智能制造系統(tǒng)中的作用與應(yīng)用，說(shuō)明了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)代化制造環(huán)境的重要性和必要性。同時(shí)也提出了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。

智能制造；數(shù)據(jù)采集；局域網(wǎng)；大數(shù)據(jù)分析

1　智能制造的內(nèi)涵

智能工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理地掌控生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)進(jìn)度。它在數(shù)字化管理的基礎(chǔ)上還需要體現(xiàn)其智能性，單機(jī)的智能主要體現(xiàn)在單機(jī)本身所具備的強(qiáng)大的能力，更重要的是它還應(yīng)該具備一定的自學(xué)習(xí)能力，可根據(jù)過(guò)往積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝和工作流程，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種新的變化。從單機(jī)智能設(shè)備的互聯(lián)，到不同類型和功能的智能單機(jī)設(shè)備的互聯(lián)組成智能生產(chǎn)線，再到不同的智能生產(chǎn)線間的互聯(lián)組成智能車間，智能車間的互聯(lián)組成智能工廠，進(jìn)而由不同地域、行業(yè)、企業(yè)的智能工廠的互聯(lián)組成一個(gè)制造能力無(wú)所不在的智能制造系統(tǒng)，這些單機(jī)智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能車間及智能工廠可以自由地、動(dòng)態(tài)地組合，以滿足不斷變化的制造需求。

近兩年來(lái)，隨著工業(yè)4.0概念的推廣，各軍工企業(yè)、民企翹楚們也正積極準(zhǔn)備推進(jìn)智能制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,個(gè)別地方也初步實(shí)現(xiàn)了一些工業(yè)4.0實(shí)踐的初級(jí)樣板。

工業(yè)4.0的核心就是智能制造，其主要內(nèi)容如圖1所示。

智能制造不僅需要單項(xiàng)技術(shù)突破，也需要各種技術(shù)綜合集成。面對(duì)全球新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合的趨勢(shì)，制造業(yè)迎來(lái)了鞏固和強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)的機(jī)遇。具體來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：一是工業(yè)軟件的機(jī)遇。工業(yè)軟件是智能制造的核心和基礎(chǔ)，企業(yè)資源管理(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、可編程控制器(PLC)等核心工業(yè)軟件在制造業(yè)中的地位愈加穩(wěn)固。二是工業(yè)電子的機(jī)遇。集成了傳感、計(jì)算、通信的工業(yè)電子是智能裝備的核心，如條碼、RFID等識(shí)別技術(shù)，傳感器、數(shù)控技術(shù)等在工業(yè)應(yīng)用中愈加普遍。三是制造技術(shù)的機(jī)遇。基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)裝備、基礎(chǔ)元器件等傳統(tǒng)制造技術(shù)與工業(yè)軟件、工業(yè)電子技術(shù)的結(jié)合，就構(gòu)建了智能制造的恢宏大廈。

智能工廠包括智能化生產(chǎn)控制中心、智能生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程管控、智能加工中心與生產(chǎn)線、智能化倉(cāng)儲(chǔ)/運(yùn)輸與物流4個(gè)部分，其構(gòu)成關(guān)系如圖2所示。

2　數(shù)據(jù)采集的作用

傳統(tǒng)意義上的DNC系統(tǒng)(即狹義DNC)只注重設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與管理，而廣義DNC的概念是將設(shè)備作為一個(gè)信息的節(jié)點(diǎn)，將納入到企業(yè)整合信息化的管理中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)地為整個(gè)信息系統(tǒng)提供及時(shí)、有效、真實(shí)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)管理層與執(zhí)行層信息的交流和協(xié)同工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(又稱MDC系統(tǒng))就是廣義DNC系統(tǒng)的延伸。采用MDC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，并構(gòu)建一個(gè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，包括設(shè)備狀態(tài)采集、車間工況數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換功能等內(nèi)容，其數(shù)據(jù)采集軟件、工況數(shù)據(jù)采集器可以最大程度地采集滿足生產(chǎn)管理所需的工況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理所需的數(shù)據(jù)、工夾具裝備等資源信息的共享，它在整個(gè)制造過(guò)程環(huán)節(jié)中承擔(dān)著支撐平臺(tái)的作用，是構(gòu)建智能制造的基石。

整個(gè)智能工廠的總體架構(gòu)如圖3所示。

由上述智能制造的總體框架圖可明顯看出MDC系統(tǒng)在其中的作用與地位。MDC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用可以最大限度地壓縮輔助工時(shí)、基本消除生產(chǎn)設(shè)備的待機(jī)和停機(jī)時(shí)間，從而改善設(shè)備的利用率。MDC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以解決不同種類、不同年代、不同品牌的生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)集成，是消除“信息孤島”實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化建設(shè)中生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、智能化的有效工具。

3　現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的方式及內(nèi)容

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，需要采集的信息類型主要包括人、機(jī)、料、法、環(huán)等如下幾種：

①人員數(shù)據(jù)：人員編碼，排班情況，上下班情況等。

②設(shè)備數(shù)據(jù)：設(shè)備各種狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)等。

③工裝數(shù)據(jù)：工裝編碼，工裝狀態(tài)，刀具壽命，刀補(bǔ)參數(shù)等。

④物料信息：物料編碼、位置、狀態(tài)等。

⑤生產(chǎn)數(shù)據(jù)：任務(wù)單號(hào)，產(chǎn)成品數(shù)，各類生產(chǎn)過(guò)程信息等。

⑥質(zhì)量數(shù)據(jù)：各種檢驗(yàn)(首檢，序檢，終檢)結(jié)果信息。

工單信息、人員信息和物料信息等更多地可以通過(guò)條碼掃描、刷卡、RFID等方式來(lái)采集，簡(jiǎn)單直接，而設(shè)備信息除了本身的各種狀態(tài)外，還包括各類運(yùn)行參數(shù)信息，以及大量的控制信息，非常復(fù)雜。工裝也可以歸結(jié)為設(shè)備，質(zhì)量數(shù)據(jù)也越來(lái)越依據(jù)高精度的檢測(cè)設(shè)備來(lái)完成，所以，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集中的最大量的工作就是對(duì)設(shè)備的各種相關(guān)信息的采集。

應(yīng)該說(shuō)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有各種各樣的生產(chǎn)及其輔助設(shè)備，如各類機(jī)加設(shè)備(車床、銑床、加工中心)，各類檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，下料設(shè)備，沖壓設(shè)備，運(yùn)輸設(shè)備，焊接設(shè)備，電子板卡類生產(chǎn)設(shè)備(SMT、貼片、層壓、絲網(wǎng)、點(diǎn)膠等)，高溫爐設(shè)備，存儲(chǔ)設(shè)備(各式貨架、立體庫(kù))等等，所有這些設(shè)備的通訊接口形態(tài)，通訊協(xié)議類型等各不相同，為了滿足所有這些設(shè)備的信息采集，就需要根據(jù)具體形態(tài)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息采集方式多種多樣，比較常用的主要有以下幾種方式：

3.1TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)模式

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控設(shè)備配置以太網(wǎng)功能已是大勢(shì)所趨，而以太網(wǎng)方式的信息采集內(nèi)容更加豐富，甚至可以做到遠(yuǎn)程控制，是未來(lái)CNC的發(fā)展方向。目前各主要數(shù)控系統(tǒng)廠商，如FANUC、西門子、HEIDENHAIN、MAZAK、三菱、大隈、FIDIA等均配備了局域網(wǎng)口，并提供了大量與其他系統(tǒng)方便集成的接口，據(jù)此可開(kāi)發(fā)出如下功能。

3.1.1設(shè)備加工信息實(shí)時(shí)采集

通過(guò)局域網(wǎng)卡式的MDC網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)控設(shè)備程序運(yùn)行的開(kāi)始/結(jié)束信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息(斷電、開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、空閑、報(bào)警等)、系統(tǒng)狀態(tài)信息(編輯、手動(dòng)、運(yùn)行、MDI等)，設(shè)備所有報(bào)警信息(設(shè)備錯(cuò)誤、系統(tǒng)錯(cuò)誤、操作提示等)、程序運(yùn)行內(nèi)容(程序號(hào)信息、程序段信息、各種坐標(biāo)值數(shù)據(jù))、操作履歷數(shù)據(jù)、刀具/設(shè)備參數(shù)表、設(shè)備的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息、主軸功率、進(jìn)給、倍率、轉(zhuǎn)速等。

3.1.2數(shù)控設(shè)備的加工限制

通過(guò)對(duì)數(shù)控設(shè)備的某些異常加工行為的及時(shí)限制，從事后檢查處理上升到事先預(yù)防，車間管理得到本質(zhì)提高，此功能對(duì)生產(chǎn)加工、設(shè)備安全、質(zhì)量控制有很大的幫助。

(1)數(shù)控設(shè)備的程序限制編輯

通過(guò)DNC網(wǎng)絡(luò)，鎖定設(shè)備上的程序編輯功能，無(wú)論設(shè)備端的程序?qū)懕Ｗo(hù)是否啟用，DNC網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)中的程序變化，發(fā)現(xiàn)非法修改情況，立刻鎖住設(shè)備，防止非法加工。

(2)數(shù)控設(shè)備的加工倍率限制隨意修改

通過(guò)DNC網(wǎng)絡(luò)，鎖定設(shè)備上的倍率開(kāi)關(guān)，DNC網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的倍率開(kāi)關(guān)的變化，發(fā)現(xiàn)非法修改情況(超出倍率變化范圍)，立刻鎖住設(shè)備，防止非法加工。

(3)數(shù)控設(shè)備的強(qiáng)制換刀

通過(guò)DNC網(wǎng)絡(luò)，可以限制刀具的超壽命使用，當(dāng)DNC系統(tǒng)檢測(cè)到刀具的使用壽命超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)置數(shù)值，而操作工沒(méi)有更換刀具，DNC系統(tǒng)立刻鎖住數(shù)控設(shè)備。

(4)數(shù)控設(shè)備的限制加工

通過(guò)DNC系統(tǒng)，可以限制工件不良品的加工，將DNC與SPC(質(zhì)量管理系統(tǒng))聯(lián)網(wǎng)(如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī))，當(dāng)DNC系統(tǒng)檢測(cè)到某一個(gè)尺寸超過(guò)了系統(tǒng)的設(shè)置值時(shí)或有尺寸不良趨勢(shì)時(shí)，DNC系統(tǒng)立刻鎖住數(shù)控設(shè)備，以防止批量不良。

3.2普通以太網(wǎng)模式

除了上述具備以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)包的數(shù)控設(shè)備外，在現(xiàn)場(chǎng)還有大量采用Windows 操作系統(tǒng)帶以太網(wǎng)接口的設(shè)備，但沒(méi)有給第三方軟件開(kāi)發(fā)商提供開(kāi)發(fā)接口，如大量的激光切割機(jī)，高精尖的檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備(三坐標(biāo)，氣動(dòng)量?jī)x等)等，這些設(shè)備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸生產(chǎn)需求的各類文檔(如NC程序，設(shè)計(jì)圖紙，生產(chǎn)任務(wù)信息等)，也可以及時(shí)傳輸檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，方便進(jìn)行SPC質(zhì)量控制。這其中還有些設(shè)備已經(jīng)將各種狀態(tài)信息、運(yùn)行參數(shù)信息實(shí)時(shí)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，如自動(dòng)立體庫(kù)，生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)等，我們可以很方便地與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集成即可滿足實(shí)時(shí)采集要求。

對(duì)于這類設(shè)備需要根據(jù)設(shè)備的具體接口、工作形態(tài)等方面隨機(jī)應(yīng)變，盡可能簡(jiǎn)單、快捷地提取到設(shè)備的各類狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)信息。

3.3數(shù)據(jù)采集卡

此方法與生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)類型無(wú)關(guān)，只要能與生產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)I/O點(diǎn)、對(duì)應(yīng)的傳感器能連接上，采用專用的采集卡即可采集到相關(guān)加工信息。目前可以采集的內(nèi)容有：設(shè)備上電、設(shè)備斷電、運(yùn)行加工開(kāi)始、加工結(jié)束、設(shè)備故障以及設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)，如：主軸功率，各種壓力、扭力、溫度等信息。

此種方式適用系統(tǒng)為無(wú)串口以及無(wú)局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，目前主要有如下兩種方式：

(1)開(kāi)關(guān)量采集卡：主要采集設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)，運(yùn)行的開(kāi)始、結(jié)束、報(bào)警等信息。

(2)模擬量采集卡：主要采集設(shè)備主軸功率、溫度、壓力等模擬量。

目前市面上也出現(xiàn)了同時(shí)具備采集設(shè)備I/O點(diǎn)信息和各類模擬量信息的混合型采集卡。

3.4組態(tài)軟件采集

對(duì)于非數(shù)控類的采用PLC控制類的設(shè)備可以采用組態(tài)軟件(比如：組態(tài)王，力控組態(tài)，海得組態(tài)等均可)來(lái)直接讀取PLC中的相關(guān)信息，包括PLC中保存的各種狀態(tài)的I/O點(diǎn)信息和模擬量信息(如溫度，壓力等，只要PLC中保存了即可)，只要將讀取的這些I/O點(diǎn)信息和模擬量信息存入我們?cè)O(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)庫(kù)中。如圖4所示。

組態(tài)軟件是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)人員通常不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過(guò)硬件組態(tài)(硬件配置)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作。組態(tài)軟件通過(guò)串口或網(wǎng)口與需要采集設(shè)備的PLC相連，采用計(jì)算機(jī)采集、處理數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)輸出各種曲線，從而提高了設(shè)備的監(jiān)控效果。

綜合考慮，組態(tài)方式采集具有投入硬件少，連接方便，穩(wěn)定可靠，以及適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)工控應(yīng)用來(lái)說(shuō)是性價(jià)比最高的。

根據(jù)自動(dòng)采集方式的差異，分別實(shí)現(xiàn)如表1所示功能。

3.5RFID方式

通過(guò)RFID來(lái)采集人員、物料、設(shè)備、工裝等的編碼、位置、狀態(tài)信息，有些類似于條碼掃描方式，需要在人員、物料、設(shè)備、工裝上綁定RFID芯片。此類方法簡(jiǎn)單直接，但前提條件是我們事先需要將此類信息寫入RFID中。目前我們?cè)谌藛T、物料、刀具上開(kāi)始嘗試使用此類方式，效果良好。

3.6人工輔助方式

對(duì)于很多非自動(dòng)化設(shè)備或某些自動(dòng)化設(shè)備不具備自動(dòng)信息采集功能的條件下，可以采用手工填表、條碼掃描儀、手持終端等模式實(shí)現(xiàn)。

人工輔助方式采集雖然由于人工的介入，不可避免會(huì)帶入人為誤差，還會(huì)影響數(shù)據(jù)的客觀性，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性上均有缺陷，但它非常靈活方便。這種方式在數(shù)據(jù)的豐富性、適應(yīng)性上是自動(dòng)采集所無(wú)法比擬的，彌補(bǔ)了自動(dòng)采集的相關(guān)不足，是自動(dòng)采集必要的補(bǔ)充，二者相輔相成。

(1)手工填表

填表設(shè)備既可以使用專用的設(shè)備，也可以使用普通PC+軟件的方式(即常說(shuō)的HMI方式)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)需要在車間放置若干采集終端，可以一臺(tái)設(shè)備放置一個(gè)終端(簡(jiǎn)稱MES終端)，也可以幾臺(tái)設(shè)備共用一臺(tái)，建議此時(shí)計(jì)算機(jī)的配置可以不是很高，但建議采用工控機(jī)，防塵、防干擾、抗高溫等。

(2)條碼掃描

采用條碼掃描儀時(shí)，可以將常用采集信息打印在一個(gè)條碼模版上，條碼掃描儀掃描的信息通過(guò)串口輸出到DNC服務(wù)端。如圖5是條碼掃描模板樣例。

表1自動(dòng)采集方式可實(shí)現(xiàn)的功能

通訊采集方式功能要求業(yè)務(wù)描述備注組態(tài)軟件設(shè)備狀態(tài)關(guān)機(jī)、空閑、加工、故障運(yùn)行參數(shù)只要PLC中有此信息即可采集。各類開(kāi)關(guān)量信息:如開(kāi)關(guān)切削液,換刀,開(kāi)關(guān)門等。各類模擬量信息:如溫度,壓力,主軸負(fù)載(通過(guò)主軸負(fù)載最大值判斷超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn))等。報(bào)警信息報(bào)警:故障號(hào),故障信息所有帶PLC的工控設(shè)備均可采用此方式,前提條件是明白PLC中各位置的含義。高溫爐,機(jī)器人,各類高精度的儀器儀表等均可。采集模塊設(shè)備狀態(tài)關(guān)機(jī)、空閑、加工、故障運(yùn)行參數(shù)各類開(kāi)關(guān)量信息:如開(kāi)關(guān)切削液,換刀,開(kāi)關(guān)門等。各類模擬量信息:如溫度,壓力,主軸負(fù)載(通過(guò)主軸負(fù)載最大值判斷超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn))等。報(bào)警信息報(bào)警(無(wú)報(bào)警號(hào))適合特殊的無(wú)串口和局域網(wǎng)系統(tǒng),如焊機(jī)、沖壓機(jī)、機(jī)器人、切割機(jī)。網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備狀態(tài)關(guān)機(jī)、空閑、加工、故障加工狀態(tài)加工件數(shù)、位置坐標(biāo)值、主軸負(fù)載、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、倍率、刀具號(hào)、NC程序名、當(dāng)前加工程序段……CNC狀態(tài)EDIT、MDI、MEM、HANDLE、FREE……報(bào)警信息報(bào)警(有報(bào)警號(hào))遠(yuǎn)程監(jiān)控遠(yuǎn)程讀取、設(shè)置設(shè)備的各類配置參數(shù)、異常狀態(tài)時(shí)智能鎖機(jī)(如編輯鎖機(jī),參數(shù)鎖機(jī),倍率過(guò)大鎖機(jī),質(zhì)量不良鎖機(jī),異常待機(jī)鎖機(jī)等)適合采用網(wǎng)絡(luò)支持的設(shè)備,該方案采集到的數(shù)據(jù)最為齊全,如FANUC0iHEIDENHAINi530FIDIA西門子840DMAZAK三菱OKUMA…

(3)手持終端、手機(jī)上報(bào)

也可以采用移動(dòng)手持終端、手機(jī)來(lái)采集上報(bào)，目前可以支持安卓和MOBIL兩種系統(tǒng)。

特別是采用手機(jī)方式，可以靈活地應(yīng)用手機(jī)的拍照、條碼掃描、移動(dòng)通訊等多種優(yōu)勢(shì)，可及時(shí)、有效地反饋現(xiàn)場(chǎng)的各種過(guò)程化信息，應(yīng)該會(huì)是現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)采集的一個(gè)發(fā)展潮流。

應(yīng)該說(shuō)，采用手動(dòng)上報(bào)的方式，上報(bào)的內(nèi)容可以是多種多樣的，對(duì)于所有生產(chǎn)過(guò)程化信息均可上報(bào)，如：操作工編號(hào)、待機(jī)原因、合格品數(shù)量、工單信息、不良品原因、圖片和數(shù)量、故障原因、各類支持請(qǐng)求(如：維修請(qǐng)求，上料請(qǐng)求，搬運(yùn)請(qǐng)求，檢驗(yàn)請(qǐng)求，程序下載等)、各類支持開(kāi)始和結(jié)束(如：維修開(kāi)始、結(jié)束；調(diào)機(jī)開(kāi)始、結(jié)束；檢驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束；上料開(kāi)始、結(jié)束)。

利用上述采集到的各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行多種查詢、統(tǒng)計(jì)分析。篇幅關(guān)系，在此就不一一展開(kāi)說(shuō)明了。

4　數(shù)據(jù)采集在智能制造中的應(yīng)用

應(yīng)該說(shuō)，綜合采用上述各種采集方法，在現(xiàn)代智能工廠中可以為上層ERP、中間層MES系統(tǒng)提供及時(shí)、詳盡的現(xiàn)場(chǎng)信息，為生產(chǎn)決策、計(jì)劃調(diào)度等提供可靠的依據(jù)。下面以MDC系統(tǒng)在無(wú)錫貝斯特智能工廠為例說(shuō)明其應(yīng)用。

無(wú)錫貝斯特智能工廠是江蘇省支持的智能工廠樣板工程，目前在建第三期，筆者承擔(dān)的是第二期工程，主要內(nèi)容是：

項(xiàng)目場(chǎng)地：貝斯特三期新工廠制造二部 2 號(hào)廠房?jī)?nèi)的葉輪車間及 4 號(hào)廠房中間殼車間，以及涉及到的配套中控機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施安裝場(chǎng)地，如表2、表3。

表2現(xiàn)有自動(dòng)單元情況

車間生產(chǎn)線工序主要設(shè)備CNC系統(tǒng)套數(shù)4號(hào)車間中間殼桁架線前道雙主軸車床,三軸加工中心SIEMENS34號(hào)車間中間殼關(guān)節(jié)線前道雙主軸車床,加工中心三菱14號(hào)車間去毛刺后道去毛刺機(jī)器人三菱12號(hào)車間葉輪關(guān)節(jié)線全工序雙主軸車床,五軸加工中心三菱2

表3新上自動(dòng)單元情況

車間生產(chǎn)線工序主要設(shè)備CNC系統(tǒng)套數(shù)4號(hào)車間中間殼桁架線前道雙主軸車床三軸加工中心SIEMENS(運(yùn)動(dòng)控制)34號(hào)車間中間殼關(guān)節(jié)線前道雙主軸車床,加工中心SIEMENS(運(yùn)動(dòng)控制)24號(hào)車間去毛刺后道去毛刺機(jī)器人FANUC12號(hào)車間葉輪關(guān)節(jié)線全工序雙主軸車床五軸加工中心SIEMENS2

二期項(xiàng)目的主要內(nèi)容：通過(guò)組態(tài)軟件及其它采集手段，將 PLC 和 DCS 主控制器的狀態(tài)信息、運(yùn)行參數(shù)信息采集上來(lái)，并進(jìn)行各類統(tǒng)計(jì)分析，投放到中控室的監(jiān)控大屏上，以實(shí)現(xiàn)操作無(wú)人化，管理少人化的目標(biāo)(在目前人員配備的基礎(chǔ)上，能夠最大程度地縮減現(xiàn)場(chǎng)人員)。

當(dāng)然，在自動(dòng)化、智能化的基礎(chǔ)上，不摒棄人員的參與。人工作為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的一部分，在足夠充分的信息基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提供必要防錯(cuò)功能的保護(hù)下，人工開(kāi)展生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)工作。實(shí)現(xiàn)包含人的“自動(dòng)化”，而不是不包含人的“自動(dòng)化”，通過(guò)系統(tǒng)功能的技術(shù)手段必須做到閉環(huán)控制，確保人的參與和系統(tǒng)同樣可靠。

整個(gè)系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖6所示，涉及到的各子系統(tǒng)的關(guān)系如圖7所示。

中央監(jiān)控室的模擬效果圖如圖8所示。

5　數(shù)據(jù)采集未來(lái)發(fā)展方向

數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能制造的基礎(chǔ)，只有完美解決了底層設(shè)備的實(shí)時(shí)采集問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)智能化程度高的生產(chǎn)管控。為此，筆者預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年內(nèi)，數(shù)據(jù)采集將向如下幾個(gè)方向發(fā)展：

(1)統(tǒng)一的通訊協(xié)議平臺(tái)

目前數(shù)據(jù)采集的最大難點(diǎn)就是底層設(shè)備的通訊方式、協(xié)議的千差萬(wàn)別，相互之間還互相保密，互不兼容。未來(lái)幾年內(nèi)，隨著通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，相信各底層設(shè)備將采用統(tǒng)一規(guī)范的通訊協(xié)議(如OPC協(xié)議)，該協(xié)議對(duì)于第三方開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)都是透明的，廣大的第三方開(kāi)發(fā)商可以為客戶開(kāi)發(fā)出大量的APP來(lái)滿足用戶各種個(gè)性化的需求。

(2)移動(dòng)式應(yīng)用平臺(tái)

象上面所描述的手機(jī)APP在信息上報(bào)中的應(yīng)用只是這種應(yīng)用的開(kāi)端，更多的手機(jī)APP將應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理，同時(shí)，設(shè)備本身的智能化也大步提高，可通過(guò)GPS或北斗定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)將自身的狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)發(fā)布到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，未來(lái)將開(kāi)發(fā)出更多的移動(dòng)式應(yīng)用來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)控各種生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)。

(3)大數(shù)據(jù)分析的引入

隨著采集數(shù)據(jù)的規(guī)模、范圍的不斷擴(kuò)大，采集數(shù)據(jù)的容量也在飛速擴(kuò)展，如何從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的內(nèi)容就成為必然，大數(shù)據(jù)分析的深入應(yīng)用也就順理成章，大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果將作為設(shè)備能效智能優(yōu)化、業(yè)務(wù)智能重構(gòu)提供有力的支撐，從而進(jìn)一步推動(dòng)智能制造的發(fā)展步伐。

6　結(jié)語(yǔ)

總之，在當(dāng)前的形勢(shì)下，大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)備的信息采集，將是我國(guó)制造業(yè)邁向數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)，也只有把底層設(shè)備的信息采集問(wèn)題進(jìn)行了很好的解決，邁向智能化的腳步才能更加穩(wěn)固扎實(shí)，也希望廣大制造業(yè)企業(yè)充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，先從解決底層信息的采集開(kāi)始，逐步掌控底層設(shè)備的狀態(tài)，積累底層設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，逐步找到企業(yè)的生產(chǎn)管理瓶頸，從而找到徹底的解決之法，將企業(yè)的生產(chǎn)管理推進(jìn)到一個(gè)新的高度。

(編輯李靜)

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Application of field data acquisition in intelligent manufacturing system

ZHOU Benhua①, WU Xuguang②, GUO Peilong③, HUANG Xiangxing④

(①Beijing Integ-Forever Technology Co.,Ltd., Beijing 100102, CHN;②Hebei Communications Administration, Shijiazhuang 050065, CHN)

This paper provides a detailed introduction to the content and methods in the field machining data collect system(MDC). And we illustrates the applications and effects of this system in intelligent manufacturing systems(IMS)by specific cases, explaining the importance of MDC in the modern manufacturing environment. This study also points out some possible developments of the MDC.

intelligent manufacturing;collecting data; LAN;big data analysis

TN919

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.002

2016-03-01)

160618