基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集平臺(tái)應(yīng)用研究

賀 娟

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州 清鎮(zhèn) 551400）

0 引言

作為工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)對(duì)標(biāo)世界經(jīng)濟(jì),形成競(jìng)爭(zhēng)合力的橋梁。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)制造領(lǐng)域生態(tài)圈的落地,成為全產(chǎn)業(yè)鏈條中不可或缺的重要信息化支撐,也在疏通信息“堵點(diǎn)”,貫穿工業(yè)生產(chǎn)全域發(fā)揮著不可替代的作用。 數(shù)控機(jī)床作為工業(yè)化進(jìn)程的基礎(chǔ),其信息化、數(shù)字化水平直接關(guān)系著工業(yè)信息化的程度,其內(nèi)部各種機(jī)電分系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置協(xié)同控制,通過(guò)執(zhí)行軟件指令,完成高精度的工業(yè)加工。 其接口眾多,構(gòu)成復(fù)雜,操作精準(zhǔn),是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化實(shí)力的重要組成部分［1］。 采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集與分析,可以將數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生,從而在實(shí)體經(jīng)濟(jì)平臺(tái)全要素的綜合數(shù)字機(jī)床,實(shí)現(xiàn)高效的資源配置與“智造”升級(jí),可以極大地推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化發(fā)展水平提升。

1 數(shù)控機(jī)床設(shè)備網(wǎng)聯(lián)的重要現(xiàn)實(shí)意義及困難

數(shù)控機(jī)床作為先進(jìn)的工業(yè)制造設(shè)施,通過(guò)應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,可以積極推進(jìn)企業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中的高效管控,對(duì)機(jī)床的使用與維護(hù)實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的管理,為生產(chǎn)決策、統(tǒng)一生產(chǎn)和集約生產(chǎn)奠定了完備的基礎(chǔ)。 通過(guò)分析數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行數(shù)據(jù),還能融合企業(yè)的生產(chǎn)與銷售數(shù)據(jù),進(jìn)行更為高效的生產(chǎn)任務(wù)配給,便于提高數(shù)控機(jī)床的“費(fèi)效比”提升,優(yōu)化產(chǎn)線流程,減少機(jī)床的待機(jī)與空轉(zhuǎn)時(shí)間,為企業(yè)降本增效。 通過(guò)平臺(tái)構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與邊緣計(jì)算,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控與故障處置,通過(guò)OTA 軟件升級(jí),可以形成更為有效的生產(chǎn)協(xié)同。 鑒于數(shù)控機(jī)床在企業(yè)生產(chǎn)中的重要性,引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)加以綜合應(yīng)用顯得尤為重要［1］。 在有效利用其效能的同時(shí),也必須對(duì)其應(yīng)用過(guò)程中可能面臨的挑戰(zhàn)加以重視。 由于采用了網(wǎng)聯(lián)技術(shù),勢(shì)必需要接入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行,對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,必須在網(wǎng)絡(luò)信息安全方面加強(qiáng)必要的管控,防止入侵風(fēng)險(xiǎn)。

2 利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)構(gòu)建高效的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

2.1 構(gòu)建企業(yè)MES 平臺(tái)

根據(jù)數(shù)控機(jī)床在企業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律,基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的軟硬件特點(diǎn),以IOT、IaaS、DaaS、PaaS 為核心覆蓋的數(shù)據(jù)采集目標(biāo),采用標(biāo)準(zhǔn)的IoT 邊緣傳感和數(shù)據(jù)匯聚,融合數(shù)控機(jī)床原有信息化數(shù)據(jù)輸出能力,面向行業(yè)應(yīng)用,形成采集平臺(tái)框架,通過(guò)構(gòu)建企業(yè)MES 平臺(tái),綜合控制整個(gè)數(shù)據(jù)管理,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、Web 服務(wù)、微信服務(wù)為移動(dòng)端平臺(tái)應(yīng)用提供服務(wù),MES 平臺(tái)主要對(duì)數(shù)控機(jī)床反饋狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的服務(wù)和數(shù)據(jù)匯集能力,完成對(duì)企業(yè)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行、維護(hù)、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的大數(shù)據(jù)融合,用數(shù)據(jù)統(tǒng)領(lǐng)企業(yè)數(shù)控平臺(tái)運(yùn)行管理,帶動(dòng)整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)效率的穩(wěn)步提升,也為未來(lái)工業(yè)互聯(lián)的大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的結(jié)合,企業(yè)生產(chǎn)云端管理創(chuàng)造條件。

2.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)基本功能

由于采用了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu),可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)支撐,形成與制造企業(yè)相匹配的集群數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,不但可以監(jiān)管數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行,還能進(jìn)一步對(duì)其生產(chǎn)數(shù)據(jù)和制造流程進(jìn)行基于“數(shù)字孿生”的具體應(yīng)用,提升數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)管控。 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)基本功能如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)基本功能

2.3 相關(guān)平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)

相關(guān)平臺(tái)應(yīng)用,必須考慮綜合使用的可靠性和信息反饋的準(zhǔn)確性,采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟的架構(gòu)形式,形成較為靈活、高效的數(shù)控機(jī)床管控能力,同時(shí)也能結(jié)合傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床運(yùn)營(yíng)模式,承上啟下,保證在升級(jí)、改造過(guò)程中,完善使用規(guī)范,提升數(shù)字化運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),為平臺(tái)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可應(yīng)用性創(chuàng)造條件［2］。

(1)關(guān)注整個(gè)平臺(tái)在企業(yè)或行業(yè)的適配性,確保其底層各個(gè)數(shù)據(jù)接口的通用性和擴(kuò)展性,利用成熟的云端架構(gòu),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)準(zhǔn)確的應(yīng)用其中,在計(jì)算規(guī)模較小的節(jié)點(diǎn),引接邊緣計(jì)算模塊,利用可靠性較高的SDK組件完成數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控,同時(shí)形成較為匹配的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)靈活的應(yīng)用在系統(tǒng)管理及企業(yè)經(jīng)營(yíng)的全域過(guò)程中。

(2)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)最高效的就是采用云端管控,便于各類數(shù)據(jù)的整合應(yīng)用。 可以充分地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,形成較好的適配,除去數(shù)據(jù)冗余,擴(kuò)展數(shù)據(jù)規(guī)模,結(jié)合計(jì)算資源的統(tǒng)籌,存儲(chǔ)資源的分布式應(yīng)用,完成較好的數(shù)據(jù)匯聚及備份,特別是針對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)的特殊性,以數(shù)據(jù)分析為最終可用狀態(tài),提供與之匹配的DaaS 關(guān)鍵數(shù)據(jù)服務(wù)提供。

(3)鑒于數(shù)據(jù)采集平臺(tái)最關(guān)鍵的功能是數(shù)據(jù)的應(yīng)用,其輸入、輸出的能力是衡量平臺(tái)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^(guò)PaaS 運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)其關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析,延展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)彈性,用容器云、微小服務(wù)、可靠中間件實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)行環(huán)境的全流程架設(shè)。 分析數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行特性,形成相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型,并結(jié)合分布式存儲(chǔ)、AI計(jì)算提供PaaS 組件及相關(guān)服務(wù)。

2.4 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)核心業(yè)務(wù)及技術(shù)發(fā)展方向

作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心,數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用需要面向企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈和行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)其數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的規(guī)整融合,可以將全產(chǎn)業(yè)鏈的資源進(jìn)行綜合統(tǒng)籌,從而形成與生產(chǎn)效率相匹配的資源配置能力,加強(qiáng)生態(tài)圈協(xié)同,產(chǎn)業(yè)鏈交互等生產(chǎn)的創(chuàng)新模式建設(shè),形成示范效應(yīng),加快推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí),及平臺(tái)的信息化性能迭代,其數(shù)據(jù)采集平臺(tái)核心業(yè)務(wù)及技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)包含如下方面。

(1)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)輕型網(wǎng)關(guān),構(gòu)建互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)采集平臺(tái),集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。 通過(guò)合理的構(gòu)建與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集相一致的邊緣網(wǎng)關(guān)集合,可以進(jìn)一步將相關(guān)設(shè)備端側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的邊緣計(jì)算處理,結(jié)合視頻安全算法,GNSS 精確定位技術(shù),覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò),完成生態(tài)圈的資源共享互補(bǔ)能力。 同時(shí)采用先進(jìn)的通信數(shù)據(jù)安全及傳輸應(yīng)用,確保對(duì)不同類型數(shù)控機(jī)床各類控制總線的數(shù)據(jù)有效獲取,及可靠傳輸。 為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的無(wú)人值守和遠(yuǎn)端控制,可以進(jìn)一步提升智能電源管理和無(wú)線數(shù)據(jù)OTA 傳輸,利用高速計(jì)算引擎實(shí)現(xiàn)定制化數(shù)據(jù)匯集。 完成現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床作業(yè)的精細(xì)化管理,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用、測(cè)試及控制等產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)維模式。

(2)復(fù)接集成服務(wù),重視微服務(wù)架構(gòu)建設(shè),確保平臺(tái)應(yīng)用“化整為零”的數(shù)據(jù)管理分析模型構(gòu)成。 PaaS平臺(tái)需要以微小的服務(wù)應(yīng)用為基礎(chǔ),可以通過(guò)將數(shù)控機(jī)床進(jìn)行節(jié)點(diǎn)化和子網(wǎng)化管控,形成便捷的設(shè)備和生產(chǎn)業(yè)務(wù)的管理操作,提升不同層級(jí)用戶對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與使用。 同時(shí)也可以通過(guò)PaaS 應(yīng)用管理,為二次數(shù)據(jù)應(yīng)用及分析和數(shù)據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)造條件。 積極對(duì)接數(shù)控機(jī)床海量數(shù)據(jù)的深度挖掘及計(jì)算,將歷史與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的匹配ETL,形成生產(chǎn)預(yù)測(cè)和產(chǎn)能分析,為保障企業(yè)的生產(chǎn)全過(guò)程創(chuàng)造積極條件。

(3)適配合理的規(guī)則引擎,以數(shù)控機(jī)床運(yùn)行及狀態(tài)數(shù)據(jù)為樣本,形成可分析、可利用、可回溯的數(shù)據(jù)挖掘規(guī)則。 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的效能分析,并與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行事前、事中、事后比對(duì),將復(fù)雜的產(chǎn)線過(guò)程簡(jiǎn)潔化,用相關(guān)規(guī)則引擎進(jìn)行過(guò)濾,增強(qiáng)數(shù)據(jù)與相關(guān)匹配機(jī)床操作的準(zhǔn)確性和聯(lián)動(dòng)性。

3 綜合數(shù)控機(jī)床采集平臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用，形成高效的企業(yè)“智造”能力

數(shù)控機(jī)床是企業(yè)生產(chǎn)最為有效的支撐裝備,通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入,對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并配備云存儲(chǔ)、計(jì)算等配套資源,可以形成分布式的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用模式,根據(jù)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、產(chǎn)品制造情況等數(shù)據(jù)類型的不同,結(jié)合DaaS 關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析服務(wù),形成基于PaaS 環(huán)境的數(shù)據(jù)綜合研判能力。 充分利用容器云、微服務(wù)、數(shù)據(jù)資源池的技術(shù)引接,將數(shù)據(jù)中間件應(yīng)用在整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理過(guò)程中,完成企業(yè)級(jí)PaaS 組件及平臺(tái)服務(wù)［3］。

建設(shè)與數(shù)控機(jī)床運(yùn)行匹配的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)則引擎設(shè)計(jì),建立與數(shù)控機(jī)床使用場(chǎng)景相吻合的規(guī)則及過(guò)濾模型,通過(guò)配套相關(guān)邊緣傳感器或升級(jí)設(shè)備原有組件SDK,形成有效的數(shù)據(jù)監(jiān)控與聯(lián)動(dòng),配合數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)運(yùn)行,達(dá)到設(shè)備的運(yùn)行與市場(chǎng)需求的基礎(chǔ)對(duì)接,建立更為高效的企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行模式。

關(guān)注數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)應(yīng)用過(guò)程中的信息安全加固,確保平臺(tái)數(shù)據(jù)的輸入、輸出安全,保證企業(yè)“智造”能力的發(fā)揮。 身份認(rèn)證是現(xiàn)代信息技術(shù)重要的安全保護(hù)方式,作為基于工業(yè)互聯(lián)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái),核心是數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用。 因此,在使用大量數(shù)控機(jī)床接入節(jié)點(diǎn)的情況下,確保網(wǎng)連接的安全與數(shù)據(jù)隱私非常重要。 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)身份驗(yàn)證和授權(quán)系統(tǒng)可以做到這一點(diǎn)。 作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)其關(guān)鍵作用是對(duì)感應(yīng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)對(duì)傳輸,如果簡(jiǎn)單的應(yīng)用口令或節(jié)點(diǎn)硬件地址綁定等方式進(jìn)行合法應(yīng)用身份認(rèn)證,無(wú)法確保相關(guān)等數(shù)據(jù)安全。 各種針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等攻擊行為,多數(shù)是以模擬身份和滲透式分析為技術(shù)方式,可以對(duì)認(rèn)證方式進(jìn)行破解,因此在大規(guī)模工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中身份的認(rèn)證必須充分考慮復(fù)雜性和效率綜合匹配,更多要通過(guò)密碼運(yùn)算方式,以身份認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)可靠性互認(rèn)。 并適時(shí)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的不同信息特性、數(shù)據(jù)完整性方式和傳輸效率更新相關(guān)認(rèn)證機(jī)制,確保其升級(jí)可靠性和實(shí)現(xiàn)性。

數(shù)控機(jī)床傳感器節(jié)點(diǎn)安全設(shè)計(jì)分為兩種情況,傳感器中如果使用安全芯片,則網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用調(diào)用安全中間件上層服務(wù),由芯片實(shí)現(xiàn)密鑰生成、存儲(chǔ)和密碼運(yùn)算等功能；如果傳感器中沒(méi)有安全芯片,則由安全中間件實(shí)現(xiàn)所有安全功能。 采用密鑰管理系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)中心,通信密鑰和證書均采用國(guó)密算法。 所有通信密鑰均由數(shù)據(jù)中心密碼機(jī)生成并保存,通信過(guò)程中所有的加解密和簽名驗(yàn)簽操作均在硬件設(shè)備中完成,具有防重放攻擊機(jī)制,有效保障通信安全［2］。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集其目標(biāo)是完成對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的管理與運(yùn)行,通過(guò)IoT、IaaS、PaaS 等相關(guān)技術(shù)融合和應(yīng)用研究,形成面向企業(yè)的結(jié)合“數(shù)字孿生”的數(shù)控機(jī)床綜合管理和高效使用,從企業(yè)的應(yīng)用拓展為行業(yè)的應(yīng)用,最終形成生態(tài)的應(yīng)用,確保數(shù)控機(jī)床在全壽命、全周期的運(yùn)行過(guò)程中,所有數(shù)據(jù)能夠得到科學(xué)采集與靈活分析應(yīng)用。 以網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、定制化開(kāi)發(fā)為平臺(tái)的拓展方向,加強(qiáng)網(wǎng)聯(lián)化數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)共享,結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)、安全規(guī)劃和信息接口管理,不斷迭代平臺(tái)的數(shù)字化應(yīng)用水平,將安全、可靠、協(xié)同、共享理念融入數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的應(yīng)用研究,為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)化工業(yè)設(shè)備應(yīng)用,提供可借鑒、可復(fù)制的示范。