工業(yè)車間生產(chǎn)線設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)

嚴(yán)巖，劉立成

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，江蘇常州，213164）

0 引言

近年來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”的提出和發(fā)展，致力于推動(dòng)發(fā)展新一代信息與制造業(yè)深度融合的革命浪潮，智能生產(chǎn)線也越來(lái)越受各個(gè)工廠的親睞，為了讓產(chǎn)線更加智能化，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生，通過網(wǎng)關(guān)使得各個(gè)設(shè)備和零部件都接入到互聯(lián)網(wǎng)，使之賦予智能化，實(shí)現(xiàn)智能制造。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的提出給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了巨大的變革，同時(shí)產(chǎn)線維護(hù)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。特別是工業(yè)車間產(chǎn)線的設(shè)備，如何使得設(shè)備利用率最大化且保證產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的難題也隨之拋出。

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案。首先通過在生產(chǎn)線部署傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊或借助生產(chǎn)線控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，接著通過網(wǎng)關(guān)連接OT 層和IT層兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)上云。最終在云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示和分析，給出維護(hù)建議，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

目前工業(yè)生產(chǎn)線分為兩類，一類是沒有工業(yè)控制器的傳統(tǒng)工業(yè)車間產(chǎn)線，另一類是集成工業(yè)控制器的智能工業(yè)車間產(chǎn)線，對(duì)于不同生產(chǎn)線，設(shè)備數(shù)據(jù)采集的方式也是不同的。

針對(duì)不帶控制器的傳統(tǒng)工業(yè)車間產(chǎn)線，以糧食生產(chǎn)線輸送電機(jī)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)獲取為例，首先在生產(chǎn)線電機(jī)上加裝溫度傳感器和振動(dòng)傳感器，同時(shí)部署數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的獲取和上傳網(wǎng)關(guān)。

針對(duì)集成智能控制器的產(chǎn)線，以汽車裝配生產(chǎn)線傳輸電機(jī)位置、速度、溫度等數(shù)據(jù)為例，可以通過在生產(chǎn)線電機(jī)上加裝溫度傳感器，通過智能控制器模擬口獲取其溫度數(shù)據(jù)，可通過智能控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，獲取電機(jī)位置和運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，同時(shí)通過智能控制器將采集到數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)可適配不同的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的匯聚，傳統(tǒng)工業(yè)車間產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)通過與采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的采集；智能工業(yè)車間產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)通過與控制器之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能工業(yè)車間產(chǎn)線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。匯集到網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換后，上傳至云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)上云。

設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)匯集到云平臺(tái)，經(jīng)過線性擬合將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在云平臺(tái)進(jìn)行可視化展示，同時(shí)借用平臺(tái)算法工具對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)算法分析結(jié)果給出設(shè)備的維護(hù)意見，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

分別以糧食生產(chǎn)線輸送電機(jī)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)獲取的傳統(tǒng)產(chǎn)線和汽車裝配生產(chǎn)線傳輸電機(jī)位置、速度、溫度數(shù)據(jù)獲取的智能產(chǎn)線為例來(lái)闡述現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)。

■2.1 傳統(tǒng)工業(yè)車間生產(chǎn)線設(shè)備

2.1.1 生產(chǎn)線設(shè)備簡(jiǎn)介

由于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)線的局限性，糧食生產(chǎn)線無(wú)法進(jìn)行輸送電機(jī)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，因此需要部署溫度傳感器、振動(dòng)傳感器和采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)選擇OB04A/PT100 作為溫度傳感器，選取OB04A/VTV122 作為振動(dòng)傳感器，選取RIO-8100-6DI 型IO 模塊進(jìn)行產(chǎn)線傳感器數(shù)據(jù)采集，同時(shí)選擇Modbus 作為傳輸協(xié)議。

2.1.2 傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)獲取

要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)獲取，須建立與IO 采集模塊的通信連接。首先借助AdamApax 掃描軟件，獲取IO 采集模塊的IP 地址。

圖2 IO 地址掃描界面

獲取到IO 采集模塊IP 地址后，針對(duì)相應(yīng)的IO 采集模塊進(jìn)行接口配置，配置完成后，通信便可建立。

圖3 IO 模塊接口配置界面

本方案是通過對(duì)產(chǎn)線部署振動(dòng)傳感器、電機(jī)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)的獲取。至此，只需在配置界面添加相應(yīng)的采點(diǎn)變量，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取。

■2.2 智能生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 生產(chǎn)線設(shè)備簡(jiǎn)介

智能生產(chǎn)線由于自帶控制器，所以汽車裝配生產(chǎn)線只需部署溫度傳感器，然后通過自身控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)便可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線電機(jī)溫度采集，通過與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信便可獲取電機(jī)位置、速度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)選擇OB04A/PT100 作為溫度傳感器，選擇S7-1215 為控制器，同時(shí)選擇PLC 內(nèi)嵌的OPC UA 協(xié)議作為傳輸協(xié)議。

圖4 IO 模塊變量添加界面

2.2.2 智能生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)獲取

對(duì)于智能工業(yè)車間裝配產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集。PLC 通過自身模擬口實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線電機(jī)溫度的采集，并通過與設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的通信，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取。

針對(duì)生產(chǎn)線電機(jī)溫度數(shù)據(jù)，PLC 通過自身模擬口讀取傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，因采集到數(shù)據(jù)并非實(shí)際數(shù)據(jù)值，需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)后，才可上傳云平，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序截圖

針對(duì)生產(chǎn)線電機(jī)位置、速度數(shù)據(jù)，PLC 可通過與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信的方式獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，因以通信方式獲取的數(shù)據(jù)已是變量實(shí)際數(shù)值，便可直接上傳云平臺(tái)進(jìn)行分析。

圖6 變量獲取程序截圖

3 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與上云

網(wǎng)關(guān)作為工作在網(wǎng)絡(luò)層上的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)不同網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交互，本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)OT 層和IT 層兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集和上云。

3.1 網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置

想要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，首先需要給網(wǎng)關(guān)一個(gè)“身份ID”，而這個(gè)ID 在網(wǎng)絡(luò)里面則對(duì)應(yīng)的是IP 地址。網(wǎng)關(guān)設(shè)備WAN 口接入廣域網(wǎng)可選擇DHCP 服務(wù)功能，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問的安全，對(duì)于LAN 口接入的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，一般分配靜態(tài)的IP 地址。

圖7 網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置

■3.2 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集

3.2.1 傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集

借助Modbus TCP 傳輸協(xié)議，傳統(tǒng)工業(yè)車間設(shè)備的數(shù)據(jù)已發(fā)送至IO 模塊，通過網(wǎng)關(guān)內(nèi)配置相應(yīng)的電機(jī)溫度、生產(chǎn)線振幅等數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。便可實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。

生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)采集配置，設(shè)置點(diǎn)名稱為AI0、數(shù)據(jù)類型為Analog、轉(zhuǎn)換類為Unsigned Integer、地址為40001、最高量程為20、最低量程為4、設(shè)置縮放類型為Scale Defind Input H/L to Span、同時(shí)設(shè)置Scale 為65535。

圖8 采點(diǎn)添加配置界面

接著在網(wǎng)關(guān)設(shè)備中添加電機(jī)溫度和振動(dòng)變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。

3.2.2 智能生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集

網(wǎng)關(guān)借助OPC UA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與PLC 的通信。PLC 控制器內(nèi)置OPC UA 服務(wù)功能，通過激活OPC UA 服務(wù)器，使得PLC 控制器開放客戶端接口，通過對(duì)OPC UA 服務(wù)器接口配置，實(shí)現(xiàn)PLC 數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)。

圖9 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)添加界面

圖10 OPC UA 服務(wù)器接口配置界面

新建網(wǎng)關(guān)工程，PLC 與網(wǎng)關(guān)之間通過OPC UA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，設(shè)置通信IP 地址為10.0.0.10，端口號(hào)為4840。接著進(jìn)新建數(shù)據(jù)采點(diǎn)設(shè)備名稱為PLC_2，設(shè)備類型為OPC UA，單元號(hào)2。

圖11 網(wǎng)關(guān)工程配置

接著進(jìn)行采點(diǎn)配置，以速度數(shù)據(jù)為例，設(shè)置名稱為P0、數(shù)據(jù)類型為Analog、地址為ns=4;i=4。添加完成后，再將PLC 內(nèi)部速度數(shù)據(jù)變量添加到 OPC UA 服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對(duì)速度數(shù)據(jù)的采集。

■3.3 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)上云

首先啟用SimpleMQTT 功能，填寫目的主機(jī)和端口號(hào)、用戶名、密碼、Data Topic、Command Topic、上傳周期等信息，對(duì)SimpleMQTT 通信進(jìn)行配置。接著將數(shù)據(jù)點(diǎn)添加到MQTT 的配置里面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的上云。

圖12 PLC 數(shù)據(jù)點(diǎn)采集

圖13 網(wǎng)關(guān)上云配置界面

配置完成Simple MQTT 協(xié)議則代表網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)之間已經(jīng)建立了聯(lián)系，將需要分析的數(shù)據(jù)點(diǎn)添加到MQTT 的數(shù)據(jù)包中，同時(shí)添加設(shè)備連接狀態(tài)，便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)上云。

圖14 數(shù)據(jù)點(diǎn)添加界面

4 數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)性告警

在整個(gè)設(shè)計(jì)的分析部分中，云平臺(tái)起到了極大的作用，它基于硬件的基礎(chǔ)上提供了計(jì)算和存儲(chǔ)的能力，使得數(shù)據(jù)更具有參考價(jià)值。

■4.1 云平臺(tái)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目中采用了和工業(yè)網(wǎng)關(guān)相配套的工業(yè)云平臺(tái)，該工業(yè)云平臺(tái)是BOSCH 旗下的云平臺(tái)之一，通過整合了云計(jì)算、可視化顯示、數(shù)據(jù)分析、工單生成以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)與協(xié)同制造等服務(wù)與一體的工業(yè)云平臺(tái)，能夠滿足工業(yè)的需求。

圖15 云平臺(tái)概覽圖

■4.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是指選用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理分析，從而獲得需要的信息。本設(shè)計(jì)選用范圍法和最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1)范圍法

范圍是指在一段時(shí)間內(nèi)，某個(gè)正在發(fā)生的事件的最小值到最大值的區(qū)間稱為范圍，并且在最大值和最小值的區(qū)間內(nèi)還存在了許多的數(shù)值。

通過范圍法數(shù)學(xué)模型分析數(shù)據(jù)可以得到一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的最值，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)車間裝配產(chǎn)線的設(shè)備檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)的最值和正常值異常，則需要安排檢修。

圖16 范圍法分析圖

(2)最小二乘法

最小二乘法是通過一些數(shù)據(jù)誤差的平方來(lái)求得適合的函數(shù)匹配。通過最小二乘法估計(jì)的線性特性、無(wú)偏性、最小方差性等特點(diǎn)，可以起到對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的作用。

本設(shè)計(jì)選用最小二乘法分析設(shè)備數(shù)據(jù)，以此預(yù)測(cè)趨勢(shì)，從而判斷設(shè)備是否處于正常狀態(tài)，并給出維護(hù)建議。

圖17 最小二乘法分析圖

■4.3 報(bào)警工單生成

使用數(shù)據(jù)分析可以獲得設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行趨勢(shì)，而工單則是對(duì)數(shù)據(jù)分析的又一體現(xiàn)形式，通過設(shè)置預(yù)警上下限，當(dāng)數(shù)據(jù)處于該區(qū)間范圍外觸發(fā)工單報(bào)警，以此來(lái)達(dá)到預(yù)測(cè)性維護(hù)的目的。

5 系統(tǒng)測(cè)試

完成網(wǎng)關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的配置后便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的上云。網(wǎng)關(guān)通信配置和數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證和查看測(cè)試界面如圖18 所示。

圖18 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)圖

6 工單生成測(cè)試

以溫度為例，設(shè)置設(shè)備溫度預(yù)警和報(bào)警數(shù)值后，當(dāng)達(dá)到預(yù)警和報(bào)警值時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖19 所示的預(yù)警工單和報(bào)警工單。

圖19 工單生成測(cè)試圖

7 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)下車間生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生因設(shè)備零部件問題導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，極大影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率。針對(duì)此現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)出了一種針對(duì)傳統(tǒng)車間生產(chǎn)線設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案，通過在生產(chǎn)線和設(shè)備上部署采集裝置來(lái)獲取生產(chǎn)線數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，借助平臺(tái)算法工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析情況，對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備給出預(yù)測(cè)性維護(hù)建議，從而降低因設(shè)備問題導(dǎo)致的生產(chǎn)線停機(jī)概率，提高生產(chǎn)線的效率。經(jīng)過測(cè)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。