動(dòng)力總成車間數(shù)字化方案

文/唐一凡，楊明川，張龔磊 北京奔馳汽車有限公司

奔馳動(dòng)力總成工廠已應(yīng)用了眾多數(shù)字化設(shè)備并且搭建了傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)，但由于種類繁多，上傳流程難以統(tǒng)一，還未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)閉環(huán)。本方案創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在端到端業(yè)務(wù)流的數(shù)字打通，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、創(chuàng)造性的全面打通數(shù)控中心工業(yè)層信息孤島，在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳之間搭建橋梁，將采集數(shù)據(jù)雜亂的格式進(jìn)行歸一化處理，降低后期數(shù)據(jù)分析的難度，使數(shù)據(jù)真正地流動(dòng)起來(lái)，應(yīng)用起來(lái)，形成反饋提升設(shè)備性能；更為重要的是，本方案創(chuàng)造性地解決了數(shù)控系統(tǒng)各種類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一上傳，針對(duì)各種場(chǎng)景形式能夠綜合分析。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)字化，業(yè)績(jī)數(shù)字化。

整個(gè)項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與構(gòu)成如圖1所示，通過(guò)BFC（BrownField connectivity）解決設(shè)備多樣性造成的數(shù)據(jù)采集格式不統(tǒng)一及數(shù)據(jù)孤島的問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)會(huì)被上傳到MSB平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與展示，并傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1 方案網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與構(gòu)成

整個(gè)項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì)及流程如圖2所示，控制層各執(zhí)行單元通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及通信，集中數(shù)據(jù)處理NCU與上位機(jī)PCU通信。同時(shí)PCU中預(yù)置MSB-kibana平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示。BFC客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)整合、收集、統(tǒng)一上傳到工廠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，另外工廠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器具備訪問(wèn)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)配置端等功能，最終服務(wù)器與MSB連通對(duì)接業(yè)務(wù)。存儲(chǔ)在msb服務(wù)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)算法處理，將處理結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)庫(kù)還包含其余與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的信息，如工程師經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，預(yù)防性維護(hù)清單等。在進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)、緊急性維修時(shí)，MSB平臺(tái)及維修信息數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)提供設(shè)備參數(shù)值趨勢(shì)及異常情況、歷史維護(hù)報(bào)告、故障根本原因預(yù)測(cè)等；一方面可以檢索過(guò)往的維修信息，設(shè)備狀態(tài)，另一方面通過(guò)算法分析給出優(yōu)化建議和維護(hù)策略。同時(shí)設(shè)備的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋，優(yōu)化系統(tǒng)信息。

圖2 方案軟硬件設(shè)計(jì)及流程

硬件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，即可開始采集數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集

北京奔馳動(dòng)力總成系統(tǒng)內(nèi)大量的高自動(dòng)化智能化設(shè)備，其控制方式也多樣化，例如PLC控制、NC系統(tǒng)控制等。如圖3所示，數(shù)據(jù)源自于眾多廠商的加工設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)、傳感器、智能電表，多個(gè)來(lái)源渠道對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集造成了很大的困難。這些設(shè)備大部分可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器或存儲(chǔ)在緩存區(qū)中，但這種分散式的存儲(chǔ)方式有幾項(xiàng)缺陷，一方面浪費(fèi)資源，可能需要購(gòu)買不同類型的服務(wù)器或存儲(chǔ)設(shè)備，另一方面，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的分析造成很大的困難，在分析前需要完成大量的篩選與整合工作，比如將所需信息從不同渠道聚合在一起，并且統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、時(shí)間戳(timestamp)等。

圖 3 多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備

傳統(tǒng)方案中會(huì)使用PLC或者OPC采集加工中心數(shù)據(jù)，但這一方案對(duì)加工設(shè)備的硬件版本或PLC軟件版本有較為嚴(yán)格的要求，若版本不匹配會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集。為了解決多種規(guī)格型號(hào)的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集這一問(wèn)題，北京奔馳與西門子公司合作開發(fā)了BFC解決方案，該網(wǎng)關(guān)可以連接不同型號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)，如西門子、FANUC、heidenhain等，還可以連接智能電表、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在統(tǒng)一的平臺(tái)上配置采集信息，如頻率、上傳格式等。同時(shí)，上傳數(shù)據(jù)時(shí)支持多種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可以匹配工廠中所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該方案實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件設(shè)備的統(tǒng)一化連接，通過(guò)在硬件設(shè)備上安裝BFC插件，從而得到與該設(shè)備唯一匹配的ID，在軟件端配置時(shí)，從ID列表中選取需要采集信息的設(shè)備的ID，即可完成數(shù)據(jù)采集配置與其相對(duì)應(yīng)的硬件的連接，BFC網(wǎng)關(guān)連接工廠網(wǎng)絡(luò)，全程采用信息閉環(huán)傳遞，極大的保障的數(shù)據(jù)安全與網(wǎng)絡(luò)安全。

北京奔馳目前使用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架為MSB(Manufacturing Service Bus)平臺(tái)，該平臺(tái)以MQTT協(xié)議為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、到數(shù)據(jù)展示的功能。BFC解決方案在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)上傳中增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)的整合，例如，改造前，同一機(jī)床設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、電機(jī)振動(dòng)頻率等都是通過(guò)獨(dú)立的json文件上傳至服務(wù)器的，各個(gè)網(wǎng)關(guān)也需要單獨(dú)配置，改造后，同一機(jī)床的眾多數(shù)據(jù)源在同一json文件中上傳，網(wǎng)關(guān)只需要配置一次，在kibana展示頁(yè)面可以高效的查看這一設(shè)備的所有信息。

在json文件配置中，進(jìn)行統(tǒng)一的命名，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后進(jìn)行提取和分析，例如index均使用it-ocs_msb_prd-cnc-mcprocess作為頭部字符，變量命名時(shí)，使用線體名稱+工位名稱+采集變量類型的方式，例如CS2OP30EpowerConsumption，表示該變量采集的是曲軸線op30E工位的能耗等。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，如主軸溫度、實(shí)時(shí)電流、設(shè)備耗能、PLC反饋數(shù)據(jù)等通過(guò)平臺(tái)上傳至服務(wù)器后，工程師可以遠(yuǎn)程查看設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，不需要在工廠設(shè)備PLC端查看或調(diào)試異常數(shù)據(jù)。但動(dòng)力總成廠區(qū)內(nèi)有近500臺(tái)機(jī)加工設(shè)備，40臺(tái)自動(dòng)裝配設(shè)備及320臺(tái)半自動(dòng)裝配設(shè)備，并且電池工廠采用全自動(dòng)電池生產(chǎn)線，若采用人工監(jiān)測(cè)異常情況，會(huì)有以下3個(gè)缺陷，效率低、時(shí)效性差、無(wú)法分析異常趨勢(shì)。

人工監(jiān)測(cè)與軟件算法監(jiān)控相比，對(duì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性判斷會(huì)較差，并且對(duì)于人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和維護(hù)理論水平有較大要求，異常情況分析時(shí)間也較長(zhǎng)，反之，軟件算法可以快速統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)溫度高于某一閾值的次數(shù)或持續(xù)時(shí)間，這些數(shù)據(jù)在圖表上不容易統(tǒng)計(jì)，人工監(jiān)測(cè)時(shí)，工程師需要查看原始文件，再逐一統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，耗費(fèi)大量時(shí)間；軟件算法也可以對(duì)一些趨勢(shì)進(jìn)行分析，例如是否存在電流值的擬合曲線參數(shù)波動(dòng)，人工監(jiān)測(cè)可以看出數(shù)據(jù)值明顯的波動(dòng)或突變，但難以分辨這種較小的趨勢(shì)性變化，而這種趨勢(shì)性的波動(dòng)往往體現(xiàn)了某些元器件的老化或異常使用，在設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)與性能提升等方面有著重大的意義。

數(shù)據(jù)監(jiān)控前端平臺(tái)的一個(gè)頁(yè)面內(nèi)可以選擇多個(gè)曲線進(jìn)行展示，該平臺(tái)可以選擇時(shí)間段查看相對(duì)應(yīng)的曲線趨勢(shì)，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)的更新進(jìn)行曲線的實(shí)時(shí)更新，方便工程師瀏覽設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。該展示平臺(tái)可以從兩個(gè)維度進(jìn)行展示和設(shè)備監(jiān)控，數(shù)據(jù)點(diǎn)類型和硬件設(shè)備。一方面，可以展示所有相似設(shè)備的同一類型的數(shù)據(jù)，如溫度監(jiān)控；另一方面，可以在一個(gè)頁(yè)面中展示該設(shè)備的所有數(shù)據(jù)指標(biāo)，全面監(jiān)控該設(shè)備的健康狀態(tài)。SCADA系統(tǒng)監(jiān)控如圖4所示。

圖4 SCADA系統(tǒng)監(jiān)控

除此之外動(dòng)力總成工廠同事能對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，基于SCADA系統(tǒng)，具備狀態(tài)反饋已經(jīng)效率指標(biāo)的監(jiān)控，如OEE、TA 及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理。并借助于SCADA系統(tǒng)打通ERP 的接口實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流動(dòng)。

數(shù)據(jù)展示

設(shè)備采集信息存儲(chǔ)在MSB服務(wù)器中，設(shè)備運(yùn)行屬性存儲(chǔ)在prisma系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)展示平臺(tái)為SFM，為了實(shí)現(xiàn)上述的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警、智能維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和智能化預(yù)防性維護(hù)，需要整合不同平臺(tái)的信息。上述的幾個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能操作起來(lái)較為煩瑣，沒(méi)有設(shè)計(jì)一鍵導(dǎo)出的功能，若人為的導(dǎo)出數(shù)據(jù)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，效率低下。智能維護(hù)及數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出及監(jiān)控預(yù)警均采用了機(jī)器人流程自動(dòng)化(Robotic Process Automation，RPA)，根據(jù)不同軟件和數(shù)據(jù)的特征，采用了像素定位法和圖像識(shí)別定位法，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)化執(zhí)行。

數(shù)據(jù)展示平臺(tái)如圖5所示，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)靈活的看板展示功能，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的預(yù)警，為了實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，需要將數(shù)據(jù)下載從展示平臺(tái)上下載到本地，經(jīng)過(guò)相關(guān)算法處理，再次上傳到異常預(yù)警平臺(tái)，若數(shù)值超過(guò)指定的值，數(shù)值將會(huì)顯示為紅色，同時(shí)會(huì)發(fā)送郵件給負(fù)責(zé)該設(shè)備或技術(shù)類型的工程師。由于數(shù)據(jù)較多，并且需要及時(shí)更新，人工操作的話會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，并且數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)，故采用了RPA，可以自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)下載、算法執(zhí)行、數(shù)據(jù)上傳等功能，目前更新頻率為一小時(shí)，可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)調(diào)整頻率。

圖5 MSB前端展示頁(yè)面