基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)可視化設(shè)計(jì)

劉晶晶， 韓秀林， 于振寧， 劉傳水，李建一， 胡 濤， 王 洋

（1. 華油鋼管有限公司， 河北青縣 062658；2. 河北省高壓管線螺旋焊管技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北青縣 062658）

0 前 言

焊管制造是標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)流程， 有著較多的工序、 較復(fù)雜的工藝以及繁多的指標(biāo)等特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。 隨著全球焊管市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增大， 企業(yè)可以通過(guò)提高產(chǎn)品質(zhì)量、 產(chǎn)品生產(chǎn)效率、 降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗等方式在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出， 將傳統(tǒng)的焊管制造企業(yè)發(fā)展成為智能化、 綠色化的企業(yè)。由于焊管產(chǎn)品的種類和質(zhì)量各不相同， 對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)施有效的采集、 傳輸、 分析和監(jiān)控是提高焊管產(chǎn)品整體質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵， 也是焊管生產(chǎn)企業(yè)從自動(dòng)化、 信息化走向數(shù)字化、智能化的重要因素。

近年來(lái)， 在大數(shù)據(jù)、 云計(jì)算、 人工智能為代表的新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下， 石油裝備制造業(yè)緊密把握 “中國(guó)制造2025” 戰(zhàn)略機(jī)遇，堅(jiān)持轉(zhuǎn)變發(fā)展方式， 深入推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合[1]。 螺旋焊管生產(chǎn)工廠自動(dòng)化、 信息化水平不斷提升， 通過(guò)信息系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)車間人員、 設(shè)備、 物料、 測(cè)量等生產(chǎn)要素的實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。MES 系統(tǒng)[3]、 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[4]和SCADA[5]系統(tǒng)的持續(xù)應(yīng)用與優(yōu)化， 對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的多源信息采集[6]、 生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控[7-8]以及數(shù)據(jù)、 信息與知識(shí)協(xié)同和交互效能提出了更高的要求[9]。

在焊管生產(chǎn)線向智慧工廠轉(zhuǎn)型過(guò)程中， 積累了海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息， 而這些數(shù)據(jù)信息又分布在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中， 存在信息流與實(shí)物流脫節(jié)、 生產(chǎn)過(guò)程不透明等問(wèn)題[10]， 如何有效實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的集成應(yīng)用， 并存儲(chǔ)管理、 分析和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)資源進(jìn)行效率分析， 對(duì)于管理決策具有重要作用[11]。 從這個(gè)角度出發(fā)， 本研究提出并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、 SCADA 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)的焊管機(jī)組生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)， 并對(duì)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了敘述， 為信息系統(tǒng)之間的集成提供了實(shí)現(xiàn)方式， 為制造過(guò)程中的生產(chǎn)過(guò)程信息、 設(shè)備狀態(tài)信息、 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息的監(jiān)控提供了一種新的交互模式和實(shí)現(xiàn)途徑。

1 螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程

螺旋埋弧焊管制造工藝從帶鋼進(jìn)入拆卷機(jī)開(kāi)始， 經(jīng)過(guò)二十幾道工序， 最后制成焊管成品， 整個(gè)過(guò)程全部在機(jī)械化、 數(shù)字化的生產(chǎn)線上連續(xù)完成。

焊管生產(chǎn)工藝整體流程如圖1 所示。 從帶鋼開(kāi)卷到定尺切斷前工序?yàn)槌尚碗A段。 成型階段的主要工序包括拆卷→矯平→剪板→對(duì)頭焊→粗銑邊→精銑邊→遞送成型→內(nèi)外焊接→定尺切斷。在成型階段， 帶鋼經(jīng)螺旋成型及焊接后制成焊管。 精整階段的主要工序包括管端內(nèi)外焊縫磨削→管端擴(kuò)徑→全焊縫X 光檢測(cè)→水壓試驗(yàn)→管體及焊縫超聲波探傷→倒棱→成品檢驗(yàn)→成品噴標(biāo)入庫(kù)。 經(jīng)過(guò)精整階段， 得到合格的螺旋埋弧焊管成品。

2 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)處理引擎的應(yīng)用， 建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)， 完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、 處理。 MySQL 中間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各種數(shù)據(jù)源分類規(guī)整存儲(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、 質(zhì)量、 理化數(shù)據(jù)的報(bào)表分析導(dǎo)出， 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控， 能耗信息的多維度分析及日?qǐng)?bào)月報(bào)的多元化分析。 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

2.2 功能架構(gòu)

焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能主要是對(duì)焊管生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)控， 其中包括產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn)工藝、 物料信息等數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的整合過(guò)濾分析。 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3 所示。

3 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施內(nèi)容

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合焊管生產(chǎn)過(guò)程中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、 MES 系統(tǒng)、 SCADA 系統(tǒng)搭建ETL 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)[12]，并為算法分析模塊提供數(shù)據(jù)， 把分析結(jié)果回存到ETL 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。 系統(tǒng)提供用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理， 數(shù)據(jù)可視化模塊通過(guò)ETL 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提供數(shù)據(jù)， 對(duì)用戶展示。 圖4 所示為焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施內(nèi)容。

3.1 ETL 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用

ETL 負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)系統(tǒng)分布的、 異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)， 如關(guān)系數(shù)據(jù)、 平面數(shù)據(jù)文件等， 抽取到臨時(shí)中間層后進(jìn)行清洗、 轉(zhuǎn)換、 集成[13]， 最后加載到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)或數(shù)據(jù)集市中， 成為聯(lián)機(jī)分析處理、 大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)[14]。

運(yùn)用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)ETL 轉(zhuǎn)換處理技術(shù)， 采用轉(zhuǎn)換工具Kettle 軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[15]， 自動(dòng)定時(shí)無(wú)斷式轉(zhuǎn)移大量歷史數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)抽取高效穩(wěn)定， 實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互聯(lián)互通， 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多源梳理， 跨數(shù)據(jù)庫(kù)按照邏輯設(shè)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理， 保障數(shù)據(jù)源頭采集， 數(shù)據(jù)同步按需觸發(fā)， 無(wú)人值守式數(shù)據(jù)同步。 圖5 為ETL 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖。

3.2 算法分析

系統(tǒng)以聚類分析、 時(shí)間序列模型、 線性回歸等典型的大數(shù)據(jù)處理算法為依據(jù)， 結(jié)合焊管產(chǎn)品的工藝標(biāo)準(zhǔn)、 機(jī)組參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、 產(chǎn)量與材耗比、 用電量與生產(chǎn)量比等生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 可以自動(dòng)識(shí)別異常數(shù)據(jù)， 向用戶傳達(dá)異常數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 能為管理者改善生產(chǎn)工藝、 降低生產(chǎn)成本、 延長(zhǎng)生產(chǎn)機(jī)組壽命提供數(shù)據(jù)支持。

以采用聚類分析模型在機(jī)組生產(chǎn)時(shí)參數(shù)出現(xiàn)異常拐點(diǎn)的情況為例， 對(duì)機(jī)組生產(chǎn)時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。 初步分析確定有兩大類聚類： 正常生產(chǎn)和異常生產(chǎn)。 對(duì)參數(shù)曲線進(jìn)行歸一化處理， 得到該機(jī)組的參數(shù)特征； 根據(jù)參數(shù)異常轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間， 對(duì)機(jī)組的參數(shù)曲線進(jìn)行比較， 必要時(shí)設(shè)置閾值區(qū)間， 不屬于區(qū)間的判斷為機(jī)組異常。圖6 為機(jī)組生產(chǎn)參數(shù)的聚類分析模型。

3.3 數(shù)據(jù)可視化

可視化過(guò)程首先完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的清洗， 并根據(jù)ECharts 基礎(chǔ)圖形圖表庫(kù)的參數(shù)要求， 結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化模型對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。然后進(jìn)行可視化分析及數(shù)據(jù)封裝， 構(gòu)建可視化數(shù)據(jù)服務(wù)接口， 再通過(guò)Ajax 技術(shù)調(diào)用該接口獲取可視化參數(shù)數(shù)據(jù)， 利用ECharts 庫(kù)調(diào)用可視化處理邏輯形成可視化組件， 依據(jù)業(yè)務(wù)需求創(chuàng)建可視化視圖或支持可視化的交互， 利用HTML5 頁(yè)面呈現(xiàn)給終端用戶。

系統(tǒng)可視化的內(nèi)容包括：

（1） 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)可視化。 系統(tǒng)通過(guò)可視化方式對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 實(shí)現(xiàn)機(jī)組異常或報(bào)警情況的快速處理。

（2） 焊管產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)可視化。 在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工藝指標(biāo)， 對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析展示， 實(shí)現(xiàn)焊管產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格把控。

（3） 生產(chǎn)消耗可視化。 系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中的原材料、 電能、 水、 氣的消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)消耗的把控。

4 焊管機(jī)組生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

基于上述介紹， 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)， 并進(jìn)行初步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行如圖7 所示。

在測(cè)試階段， 該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)， 前端設(shè)計(jì)友好， 各級(jí)人員都能夠快速、 清晰地從設(shè)備中獲取到實(shí)時(shí)參數(shù)和指標(biāo)； 通過(guò)系統(tǒng)中提供的報(bào)表、 圖形、 文檔等模塊， 輔助人員能夠快速做出初步?jīng)Q策； 系統(tǒng)中的設(shè)備故障診斷模塊、 工況異常識(shí)別模塊和產(chǎn)品性能指標(biāo)異常模塊等能夠滿足對(duì)焊管生產(chǎn)的監(jiān)控需求， 且診斷結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化處理，該系統(tǒng)使相關(guān)人員能夠直觀、 高效地理解數(shù)據(jù)，是智能監(jiān)控中不可缺少的技術(shù)； 當(dāng)生產(chǎn)線上出現(xiàn)設(shè)備報(bào)警或產(chǎn)品質(zhì)量異常時(shí)， 報(bào)警信息會(huì)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)人員， 以便及時(shí)參與維護(hù)和支持移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)檢查。 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本， 提高了焊管生產(chǎn)線的運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量， 促進(jìn)了傳統(tǒng)制造企業(yè)的初步智能化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的螺旋焊管機(jī)組生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)， 開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)線、 質(zhì)量、 設(shè)備和能耗監(jiān)控模塊， 建立起新型的人機(jī)交互集成可視化生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)。 平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)、可視化分析等新興技術(shù)， 提出基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集， 有效提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和有效性； 利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況、 工序異常檢測(cè)、 產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控； 采用可視化技術(shù)輔助用戶完成更有效的分析決策，為提高焊管生產(chǎn)的運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明， 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊管數(shù)字化車間的實(shí)時(shí)監(jiān)控與評(píng)估分析， 提升了企業(yè)的制造執(zhí)行能力和交付能力， 給企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)控提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 有助于螺旋焊管制造企業(yè)生產(chǎn)向數(shù)字化、 信息化與精益化管理模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。