淺談基于Factory Talk的設(shè)備故障報(bào)警數(shù)據(jù)采集與分析的應(yīng)用

宋昊鵬，劉巖，邵崇杰，彭勛，曲春雨，李進(jìn)

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

設(shè)備故障記錄與分析在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中常用于生成故障日志，并用于重點(diǎn)設(shè)備分析，能夠明確設(shè)備維護(hù)的重難點(diǎn)，輔助預(yù)防性維修策略，推進(jìn)解決重點(diǎn)問題等。

MRAI噴漆車間成立于2005年，車間在電氣控制系統(tǒng)上使用羅克韋爾品牌PLC，車間級(jí)中控視圖使用Factory Talk軟件（如圖1）。此軟件能夠與羅克韋爾品牌PLC良好通信，除用于設(shè)備視圖編輯與監(jiān)控外，還能用于數(shù)據(jù)的配置與記錄。通過(guò)對(duì)記錄的文件轉(zhuǎn)換、處理，以及通過(guò)Tableau軟件制成可視化圖表（如圖2），有能力對(duì)設(shè)備故障的記錄進(jìn)行分析。

圖1 Factory Talk軟件的車間設(shè)備視圖

圖2 Tableau軟件工作表視圖

設(shè)備故障的記錄文檔，通常來(lái)源于專人專項(xiàng)的工作，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也常伴隨主觀色彩，記錄的數(shù)據(jù)以及分析的結(jié)果往往與實(shí)際的設(shè)備狀況有所差距。人工進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，除需要專人投入此項(xiàng)工作外，還需要操作工或維修工參與此工作中，無(wú)形中增加了設(shè)備維護(hù)團(tuán)隊(duì)的工作量，也難以確保數(shù)據(jù)記錄的精準(zhǔn)性。

為避免造成人工工時(shí)的浪費(fèi)，確保故障記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能夠長(zhǎng)期保留故障記錄文檔，建立一個(gè)能夠在長(zhǎng)期自動(dòng)記錄故障數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件的策略提供了一種選擇。相較人工進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析，此策略具備占用時(shí)間少、自動(dòng)化程度高、運(yùn)營(yíng)成本低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)易于保存、數(shù)據(jù)易于處理與分析、數(shù)據(jù)可視化程度高等優(yōu)勢(shì)。

此數(shù)據(jù)采集與分析的策略自應(yīng)用以來(lái)，有效分析出了車間級(jí)的多發(fā)問題以及重大問題。為提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提出了明確的優(yōu)化項(xiàng)，優(yōu)化了解決故障的響應(yīng)策略。同時(shí)，通過(guò)降低不必要的人工成本，減少企業(yè)的損失。

2 可行性分析

Factory Talk軟件（以下稱為FT）能夠與羅克韋爾品牌PLC建立連接，能夠訪問PLC內(nèi)標(biāo)簽地址。故通過(guò)添加PLC標(biāo)簽及報(bào)警的方式，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控車間內(nèi)各設(shè)備PLC的故障報(bào)警標(biāo)簽的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的故障狀態(tài)監(jiān)控。

通過(guò)使用FT的附件“HMI標(biāo)簽報(bào)警記錄設(shè)置”能夠?qū)?shí)時(shí)的報(bào)警、時(shí)間戳、報(bào)警狀態(tài)及其描述信息記錄至監(jiān)控設(shè)備的服務(wù)器，也可以實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)的故障信息記錄至本地文件，通過(guò)周期性地創(chuàng)建新文件，再次在新文件內(nèi)進(jìn)行寫入操作，便可實(shí)現(xiàn)周期性的故障記錄日志的自動(dòng)生成。

使用FT的附件“Factory Talk View文件查看器”，可以打開故障記錄日志并查閱，并能夠轉(zhuǎn)換為“.csv”格式的Excel文件。Excel文件可以通過(guò)數(shù)據(jù)篩選、排序、批量添加函數(shù)等的方式，處理可用的數(shù)據(jù)。例如，通過(guò)報(bào)警起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)的時(shí)間戳進(jìn)行求差運(yùn)算，可以批量運(yùn)算各故障的持續(xù)時(shí)間。

使用Excel軟件將完成數(shù)據(jù)處理的電子表格轉(zhuǎn)換為“.xlsx”格式，此格式可作為Tableau軟件的數(shù)據(jù)源。通過(guò)Tableau軟件對(duì)數(shù)據(jù)后處理，制作可視化的圖表，即可完成對(duì)故障報(bào)警數(shù)據(jù)的匯總與分析。

經(jīng)過(guò)上述的分析，通過(guò)應(yīng)用FT與Tableau軟件，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)故障數(shù)據(jù)采集與分析的可行性很高。

3 軟件選擇及其功能

3.1 鏈接軟件的選擇及其功能

在邏輯控制器上的選擇上，MRA1噴漆車間廣泛使用了羅克韋爾品牌1756-L7x系列的PLC，此類PLC使用CIP通信方式。MRA1噴漆車間使用1756-ENBT模塊為PLC接入設(shè)備中控網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議為EtherNet/IP，通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)PLC與設(shè)備中控系統(tǒng)的連接。

FT是羅克韋爾公司發(fā)布的人機(jī)交互工程軟件，在安裝此軟件的同時(shí)安裝FactoryTalk Linx軟件（此后簡(jiǎn)稱FT Linx），并配置各PLC通信模塊的型號(hào)及地址，通過(guò)此軟件的掃描到遠(yuǎn)程PLC，即可實(shí)現(xiàn)FT軟件與遠(yuǎn)程PLC的鏈接，以數(shù)據(jù)通信作為基礎(chǔ)（如圖3）。

圖3 FT Linx軟件鏈接編輯視圖

3.2 人機(jī)交互工程軟件的選擇及其功能

FT軟件內(nèi)部集成了FT Linx插件，能夠訪問PLC內(nèi)標(biāo)簽地址，故通過(guò)添加標(biāo)簽報(bào)警的方式，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控車間內(nèi)各設(shè)備的故障報(bào)警標(biāo)簽的狀態(tài)。此外，此軟件能夠繪制各設(shè)備的視圖、記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模型、建立與觸發(fā)事件、監(jiān)視或更改PLC內(nèi)的設(shè)備參數(shù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)、發(fā)布客戶端視圖界面至Web端實(shí)現(xiàn)等。

FactoryTalk View Studio軟件的安裝包可安裝視圖編輯軟件、視圖監(jiān)視軟件以及其他相關(guān)的附件，使用FactoryTalk View Studio編輯軟件能夠?qū)④囬g內(nèi)的PLC報(bào)警標(biāo)簽、描述信息、報(bào)警觸發(fā)邏輯等內(nèi)容逐一添加至FT項(xiàng)目，也可以導(dǎo)入至標(biāo)簽與報(bào)警的“.csv”文件，并使用“標(biāo)簽導(dǎo)入和導(dǎo)出向?qū)А睂?shù)據(jù)導(dǎo)入FT項(xiàng)目，都能夠?qū)崿F(xiàn)配置報(bào)警數(shù)據(jù)。

通過(guò)附件“HMI標(biāo)簽報(bào)警記錄設(shè)置”配置實(shí)時(shí)報(bào)警信息記錄的策略，可以將記錄的數(shù)據(jù)寫入本地文件，通過(guò)周期性地創(chuàng)建新文件，再次在新文件內(nèi)進(jìn)行寫入操作，便可實(shí)現(xiàn)周期性的故障記錄日志的自動(dòng)生成。FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”能夠查閱實(shí)時(shí)的故障日志（如圖4），其中“Factory Talk View文件查看器”能夠?qū)⑼瓿蓪懭氩僮鞯娜罩巨D(zhuǎn)換為“.csv”格式的Excel文件。

圖4 使用“AlarmlogView”查閱設(shè)備故障日志

3.3 圖表繪制軟件的選擇及其功能

在圖表繪制軟件上的選擇上，使用了Tableau軟件。Tableau Desktop 是基于斯坦福大學(xué)突破性技術(shù)的軟件應(yīng)用程序。它能生動(dòng)地分析實(shí)際存在的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以在幾分鐘內(nèi)生成美觀的圖表、坐標(biāo)圖、儀表盤與報(bào)告。利用 Tableau簡(jiǎn)便的拖放式界面，可以自定義視圖、布局、形狀、顏色，等等，展現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)視角。

在數(shù)據(jù)處理能力、圖表模型數(shù)量上，Tableau是具備一定優(yōu)勢(shì)的軟件，能夠很方便地關(guān)聯(lián)多種數(shù)據(jù)庫(kù)文件、表格、文檔等，因此，在繪制圖表上是一個(gè)理想的選擇（如圖5）。

圖5 使用Tableau關(guān)聯(lián)Excel文件

Tableau軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從文本轉(zhuǎn)換為圖表的過(guò)程，不同于傳統(tǒng)的Excel表格制圖，Tableau能夠較智能地主動(dòng)選擇圖表類型、格式、標(biāo)題內(nèi)容，較方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)類型選擇，極大地縮短了繪制圖表的時(shí)間。

4 配置流程及其參數(shù)

4.1 PLC路徑鏈接參數(shù)配置

在使用Factory Talk View Studio軟件創(chuàng)建了一個(gè)FT項(xiàng)目后，首先，需要確定關(guān)聯(lián)哪些PLC。為此，配置PLC路徑的鏈接必不可少。配置PLC路徑鏈接使用FT Linx軟件，在軟件的主視圖內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)EtherNet鏈接，并選擇Configure Shortcut，為此EtherNet鏈接配置與之關(guān)聯(lián)的PLC通信模塊。隨之進(jìn)入“Factory Talk Administration Console”附件界面，選擇已創(chuàng)建的FT項(xiàng)目樹的FTLinx子項(xiàng)目中的Communication Setup，在此處添加與設(shè)備中控在物理層相連的PLC通訊模塊。

在Device Shortcut視圖內(nèi)，新增路徑鏈接并為此鏈接賦予一個(gè)對(duì)應(yīng)目標(biāo)PLC的名稱。在Primary視圖內(nèi)，在此FT項(xiàng)目的EtherNet鏈接處，右鍵選擇Add Device，選擇目標(biāo)PLC與設(shè)備中控通信模塊的型號(hào)（如圖6）。配置此模塊的命名、實(shí)際IP地址及其在PLC背板機(jī)架上的槽號(hào)（如圖7）。打開生成的通信模塊的鏈接，直至掃描到PLC模塊，分別選擇并點(diǎn)擊此PLC模塊與Device Shortcut內(nèi)相應(yīng)的路徑鏈接后，點(diǎn)擊Apply完成確認(rèn)，即完成此FT項(xiàng)目?jī)?nèi)的一條PLC路徑鏈接的添加。將PLC路徑鏈接添加完成后的效果如上文中的圖3。

圖6 使用FT Linx選擇目標(biāo)PLC通信模塊型號(hào)

圖7 使用FT Linx配置PLC通訊模塊路徑參數(shù)

4.2 設(shè)備的PLC標(biāo)簽及其報(bào)警配置

在Factory Talk View Studio軟件創(chuàng)建的項(xiàng)目?jī)?nèi)，進(jìn)入標(biāo)簽功能中，此界面用于配置創(chuàng)建HMI標(biāo)簽及其報(bào)警。

為用于作為報(bào)警信息的HMI標(biāo)簽創(chuàng)建一個(gè)文件夾，例如，Alert，在此文件夾內(nèi)創(chuàng)建的標(biāo)簽名可按照實(shí)際需求進(jìn)行數(shù)字編碼。在新建標(biāo)簽時(shí)，需要填寫此數(shù)字編碼，定義為開關(guān)量標(biāo)簽以備報(bào)警信息使用；將PLC標(biāo)簽按照“[PLC路徑鏈接名]PLC標(biāo)簽”的格式填寫至“地址”處，并為此標(biāo)簽填寫描述信息；關(guān)與開的標(biāo)記為0與1時(shí)，與此標(biāo)簽實(shí)際的低電平、高電平對(duì)應(yīng)，反之則相反；勾選報(bào)警一欄后，可配置此標(biāo)簽的報(bào)警規(guī)則（如圖8）。

圖8 創(chuàng)建FT項(xiàng)目?jī)?nèi)HMI標(biāo)簽

為HMI標(biāo)簽配置報(bào)警時(shí)，需要選擇“開”或“關(guān)”報(bào)警，與標(biāo)簽的數(shù)值有關(guān)，觸發(fā)報(bào)警的標(biāo)記為1，解除報(bào)警的標(biāo)記為0，報(bào)警中、解除報(bào)警、確認(rèn)報(bào)警的信息處填寫“100s”時(shí)，在報(bào)警中、解除報(bào)警、確認(rèn)報(bào)警時(shí)，分別會(huì)顯示出最長(zhǎng)為100個(gè)字符長(zhǎng)度的標(biāo)簽描述信息（如圖9）。

圖9 配置HMI標(biāo)簽的報(bào)警規(guī)則

4.3 報(bào)警記錄文件的配置

使用FT的“HMI標(biāo)簽報(bào)警記錄設(shè)置”附件，能夠配置數(shù)據(jù)記錄文件的路徑，以及更新數(shù)據(jù)記錄文件的周期。在數(shù)據(jù)記錄的過(guò)程中，文件可以被讀寫，但是，因?yàn)榇宋募Y源被獨(dú)占的原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)記錄文件的格式轉(zhuǎn)換。通常設(shè)置每天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)文件的周期性創(chuàng)建。數(shù)據(jù)記錄的文檔，無(wú)論是否正在被寫入，均可以使用上文提到的FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”進(jìn)行查閱，其中“Factory Talk View文件查看器”能夠?qū)⒁淹瓿蓪懭氲奈臋n另存為可用Office軟件編輯的“.csv”格式。如需要將數(shù)據(jù)記錄至遠(yuǎn)程服務(wù)器，可以選擇“中心記錄”進(jìn)行配置，可以配置數(shù)據(jù)上傳周期、事件同步、選擇目標(biāo)ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)文件等參數(shù)（圖10）。

圖10 配置報(bào)警記錄文件規(guī)則

5 處理數(shù)據(jù)與圖表構(gòu)建

5.1 處理報(bào)警信息記錄文件

已完成寫入操作的文件可轉(zhuǎn)換為電子表格，其中表格中“;TimeStmp”為事件起始點(diǎn)的時(shí)間戳，“TransType”為事件類型（報(bào)警開始、報(bào)警結(jié)束、確認(rèn)報(bào)警），“TagName”為報(bào)警的HMI標(biāo)簽，“Dscrptn”為HMI標(biāo)簽的描述，僅保留此四列數(shù)據(jù)。

將剩余的數(shù)據(jù)自定義排序，主要關(guān)鍵字為“Dscrptn”，可設(shè)置次要關(guān)鍵字為“;TimeStmp”。單次報(bào)警累計(jì)時(shí)間可用函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，例如，在E列E1創(chuàng)建關(guān)鍵字“Flttm”，E2內(nèi)輸入以下函數(shù)：

=IF(C2=C1,IF(B2=”O(jiān)utAl”,IF(B1=”InAlm “,(A2-A1)×1440,0),0),0)

雙擊E2右下角實(shí)心十字標(biāo)志，即可自動(dòng)運(yùn)算每一報(bào)警的累計(jì)時(shí)間，將E列數(shù)據(jù)格式更改為常規(guī)，（數(shù)據(jù)默認(rèn)為保留10位數(shù)字的浮點(diǎn)數(shù)）單位為分鐘（圖11）。

圖11 計(jì)算單次故障報(bào)警時(shí)長(zhǎng)的函數(shù)式

在完成數(shù)據(jù)處理后，將文件另存為“.xlsx”格式，以備Tableau軟件使用。

5.2 使用Tableau為報(bào)警信息按計(jì)數(shù)排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數(shù)據(jù)區(qū)。如果需要將多個(gè)報(bào)警日志連接至數(shù)據(jù)區(qū)，需要在Tableau的數(shù)據(jù)界面創(chuàng)建一個(gè)包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源（圖12）。

圖12 創(chuàng)建包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源

根據(jù)日志（或多個(gè)日志的并集）數(shù)據(jù)源建立工作表。將“Trans Type”和“計(jì)數(shù)”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“InAlm”設(shè)置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實(shí)際顯示的圖表即為日志（或多個(gè)日志的并集）的故障報(bào)警的降序排序（圖13）S。

圖13 報(bào)警信息按計(jì)數(shù)排序

5.3 使用Tableau為報(bào)警信息按計(jì)時(shí)排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數(shù)據(jù)區(qū)。如果需要將多個(gè)報(bào)警日志連接至數(shù)據(jù)區(qū)，需要在Tableau的數(shù)據(jù)界面創(chuàng)建一個(gè)包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源。

根據(jù)日志（或多個(gè)日志的并集）數(shù)據(jù)源建立工作表。將“Flttm”更改數(shù)據(jù)類型為“數(shù)字（小數(shù)）”，并“轉(zhuǎn)換為量度”，將“Trans Type”和“Flttm”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“OutAl”設(shè)置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實(shí)際顯示的圖表即為日志（或多個(gè)日志的并集）的故障報(bào)警的降序排序（圖14）。

圖14 報(bào)警信息按計(jì)時(shí)排序

6 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)備故障報(bào)警數(shù)據(jù)采集與分析的應(yīng)用，使用近半年以來(lái)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)交互性強(qiáng)、智能化程度高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確率達(dá)到了100%，數(shù)據(jù)丟失率低于0.01%，起到了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)記錄與導(dǎo)向重點(diǎn)問題分析的作用。同時(shí)，在搭建此系統(tǒng)的過(guò)程中，提高了搭建數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、使用數(shù)據(jù)分析工具的能力，在增強(qiáng)企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化、智能化的程度上起到了積極的效果。此系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為同行提供一定參考。