基于Web應用的設備數(shù)據(jù)采集平臺設計與應用

蒙泳行，丁成波，韋家信，李 雄，曹 坤

（上海威克鮑爾通信科技有限公司，上海 200436）

主題詞：自動化設備；設備管理；數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著公司規(guī)模的不斷擴大，為保障和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率，近年來加大了自動化設備的投入，總共配置幾百臺套自動化（半自動化）生產(chǎn)、試驗、機加設備。公司對設備的利用率、稼動率、OEE（Overall Equipment Effectiveness，設備綜合效率）要求也隨之提高，為提升設備管理的效率和質(zhì)量，公司將逐步對貴陽地區(qū)及各分公司的設備進行在線管理，有效掌握這些設備的運行狀態(tài)，監(jiān)測設備運行，用客觀數(shù)據(jù)實時分析設備利用率、稼動率、OEE，為公司產(chǎn)能和勞動效率提升提供管理決策數(shù)據(jù)。

1 設備數(shù)據(jù)采集方法

不同類型的設備，數(shù)據(jù)采集的方法不同。介紹已經(jīng)成功實施設備數(shù)據(jù)采集方法。

（1）機加類設備。機加車間的各類機床設備需要采集軸的輸出信號，其實質(zhì)是使用電機驅(qū)動軸運動來實現(xiàn)產(chǎn)品的車、銑等操作。可以通過采集軸的狀態(tài)來判斷設備的使用狀態(tài)，例如在機床運行時，通過主軸和進給軸的信息可知道機床的狀態(tài)。機床切削運動中的電機的電流大于空載時，可使用電流互感器采集電機動力線上的電流，根據(jù)其大小變化來間接判斷軸電機的狀態(tài)。

（2）非標類設備帶PLC及上位機。針對于有上位機的非標設備，可預先在設備電控PLC里預留好設備狀態(tài)數(shù)據(jù)通道，在上位機程序添加數(shù)據(jù)采集功能模塊，由上位機直接讀取PLC里存儲的設備信息后綁定設備的名稱和編號發(fā)送至服務器平臺服務端。

（3）非標類設備帶PLC。對于沒有上位機的非標設備，可拓展PLC增加通信網(wǎng)口模塊，并預先在設備電控PLC里預留好設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)通道后，直接由采集服務器上位機系統(tǒng)讀取設備的信息。

2 設備數(shù)據(jù)采集平臺設計

2.1 數(shù)據(jù)采集物理網(wǎng)絡架構(gòu)

采集到設備數(shù)據(jù)后，需要通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鳎瑪?shù)據(jù)采集的條件是設備物理聯(lián)網(wǎng)，在工業(yè)環(huán)境中，可以通過有線工業(yè)網(wǎng)線聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)保密要求，公司采用有線聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡物理架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集應用架構(gòu)

為了提高系統(tǒng)運行效率，平臺采用兩層架構(gòu)：平臺層和車間層（圖2）。平臺層包括數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器，應用服務器包含Web應用和數(shù)據(jù)接口應用。Web應用負責設備管理的前臺展示，包含各種看板和報表；數(shù)據(jù)接口應用負責接收車間層采集服務器上傳的數(shù)據(jù)。車間層包含采集服務器和上位機、PLC、傳感器；最后統(tǒng)一由采集服務器上傳數(shù)據(jù)到應用服務器，在增加車間和設備時，不用變動平臺層，增加了平臺的擴展性。

圖2 數(shù)據(jù)采集應用架構(gòu)

2.3 采集的數(shù)據(jù)類型和對應數(shù)據(jù)庫設計

（1）設備狀態(tài)。設備狀態(tài)包括運行、故障、停機、關(guān)機。設備的運行狀態(tài)保存在PLC的1個8位的存儲單元里，設備狀態(tài)變化時，PLC存儲單元里的值會立即變化，上位機定時讀取這個值，再把值上傳到應用服務器的數(shù)據(jù)接口應用，數(shù)據(jù)接口應用把值插入數(shù)據(jù)庫服務器上的設備狀態(tài)表。根據(jù)現(xiàn)場的需求，定時的數(shù)據(jù)更新時間間隔可以是500 ms到20 s，時間間隔太短，會頻繁更新數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫壓力較大，建議20 s更新一次，基本滿足要求。當設備關(guān)機后，不會再更新數(shù)據(jù)庫，可以通過查詢設備的最后一條狀態(tài)新增時間，對比系統(tǒng)當前時間，假如設備長時間（5 min）沒有更新數(shù)據(jù)，判定設備為關(guān)機狀態(tài)。

（2）設備故障次數(shù)、生產(chǎn)數(shù)量。設備故障次數(shù)體現(xiàn)設備運行的穩(wěn)定性，設備生產(chǎn)數(shù)量可以體現(xiàn)設備產(chǎn)能。設備故障次數(shù)保存在PLC的1個16位的存儲單元里，設備每發(fā)生一次故障，故障次數(shù)加1，上位機可以定時去讀取這個值，再把當前累計值上傳到應用服務器的數(shù)據(jù)接口應用，數(shù)據(jù)接口應用把值插入數(shù)據(jù)庫服務器上的設備故障次數(shù)表。故障次數(shù)上傳的時間間隔可以較長，定為5 min，設備生產(chǎn)數(shù)量上傳的時間間隔可以較長，定為1 min。故障次數(shù)、生產(chǎn)數(shù)量累計保存在PLC中，設備斷網(wǎng)也能保證數(shù)據(jù)的準確性。由于PLC是被動的存儲數(shù)據(jù)，上位機要主動的去讀取數(shù)據(jù)，不能在設備發(fā)生故障時，立即獲取信息，只能定時讀取。通過時間段，計算設備累計故障次數(shù)的差值，可以計算設備每天發(fā)生的故障次數(shù)，基本準確的計算每小時的故障次數(shù)；通過時間段，計算設備生產(chǎn)數(shù)量的差值，可以計算設備每天的產(chǎn)能，基本準確的計算每小時的產(chǎn)能。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。對于擁有上位機的設備，上位機可以記錄設備生產(chǎn)的每一個產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)。不同產(chǎn)品的要采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)不同，為了統(tǒng)一設計，把單個產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)合并在一個字段保存，當要具體分析質(zhì)量數(shù)據(jù)時，再去解析。質(zhì)量數(shù)據(jù)樣式類似字符串：{sbbh：CS010，czy：20188，cpxh：3.0-3.1，cppch：202112021101，ddh：70000012345，CPID：，zljg：1，jgdm：14.000，ztcd：3.033，sqpd：0.747，sh pd：0.694，spxs：355.000，tzd：0.095，NGlx：，dzsfwz：52.000，spjzsd：6000.000，jiasd：600.000，jiansd：600.000，skwz：750.000，bzcsbbh：3.0-3.1，sjc：，zbzdzj：0.694，zbzxzj：0.694，gbzxzj：90.514，tbzxzj：89.000，tbzdzj：89.000，gbzdzj：90.514，bl1：，bl2：，bl3：，bl4：，bl5：，ztcdzl：1，shpdzl：1，shpdmaxzl：0，shpdminzl：0，tzdzl：1，kzzl：0，fxzl：1，ss：1}。通過產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以計算合格率，設備OEE等數(shù)據(jù)，做更深入的分析。

3 數(shù)據(jù)處理及效果展示

3.1 定期清理不需要長期保存的數(shù)據(jù)

對于設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，屬于實時數(shù)據(jù)，顯示設備的當前狀態(tài)，不需要長期保存，如果不清理，會占用很多空間，故通過數(shù)據(jù)庫定時任務，清理3天前的數(shù)據(jù)。

3.2 對大量數(shù)據(jù)分表處理

對于設備故障次數(shù)，設備開機、停機、故障時間，設備生產(chǎn)數(shù)量，產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，需要長期保存，不能刪除，占用很多空間，對數(shù)據(jù)庫的性能產(chǎn)生影響，后續(xù)數(shù)據(jù)新增、查詢操作會需要更多的時間。故需要通過手動的方式，把往年的數(shù)據(jù)，分表保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。

3.3 效果展示

（1）顯示設備當前的狀態(tài)（圖3）。

圖3 設備狀態(tài)

（2）設備時間統(tǒng)計，根據(jù)日期時間段，統(tǒng)計設備的停機時間、故障時間、運行時間、開機時間、利用率、故障率（圖4）。

圖4 設備時間統(tǒng)計

（3）設備小時利用情況統(tǒng)計，可以統(tǒng)計設備當天每個小時的利用率、稼動率，運行、停機、故障、開機時間（圖5）。

圖5 設備小時利用情況統(tǒng)計

4 設備數(shù)據(jù)采集平臺的展望

隨著設備數(shù)據(jù)采集平臺技術(shù)的發(fā)展進步，設備數(shù)據(jù)采集平臺將朝著更加智能化、科學化的方向發(fā)展。在采集到設備數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以做更深入的大數(shù)據(jù)分析，利用機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)，進行數(shù)據(jù)挖掘，做預測性設備維護，智能排產(chǎn)等工作，設備的數(shù)據(jù)采集平臺的發(fā)展前景遼闊。

5 結(jié)束語

隨著公司智能化的發(fā)展，自動化設備將會越來越多，通過設備數(shù)據(jù)采集平臺，可以快速實現(xiàn)設備聯(lián)網(wǎng)入網(wǎng)。通過設備數(shù)據(jù)采集平臺，可以分析設備的使用情況，車間生產(chǎn)情況，為公司上層決策提供依據(jù)。