工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)(IOT)在制造業(yè)設(shè)備管理中的應(yīng)用探索

杜振東，黃 瑋，王 兵

(一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

1 課題研究背景及意義

伴隨著 IT 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)(IOT)迅速普及，工業(yè)信息化程度越來越高，越來越多的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備在當(dāng)前信息科技的支持下增添了智能化和信息化的功能，使工業(yè)生產(chǎn)變得更加高效、安全和便捷，在節(jié)省人力、物力的同時(shí)也為企業(yè)帶來了更高的效益。然而在部分企業(yè)中還存在一定比例的老舊設(shè)備未進(jìn)行深入的信息化改造，這些傳統(tǒng)的老設(shè)備與已經(jīng)信息化的設(shè)備相比較存在集中信息化管理困難、生產(chǎn)效率低、耗費(fèi)更多的人力和物力成本等問題。資金充裕的企業(yè)可以通過淘汰舊有生產(chǎn)設(shè)備來進(jìn)行信息化建設(shè)，然而對于大部分傳統(tǒng)行業(yè)企業(yè)來說，其利潤率往往較低，將大批量的車間傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備全部淘汰而購買新生產(chǎn)設(shè)備的方式，成本高昂，故很難實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過一系列的研究探索，發(fā)現(xiàn)了一種可以將老舊設(shè)備進(jìn)行改造從而實(shí)現(xiàn)高效管理、提前預(yù)測故障的可能，可以做出前瞻性的預(yù)防維護(hù)，進(jìn)而避免因?yàn)闄C(jī)器故障造成產(chǎn)線停產(chǎn)[1]。

如圖1 所示，工業(yè)革命分為4 次進(jìn)程，近260 年的歷史體現(xiàn)了從蒸汽機(jī)到智能化的發(fā)展進(jìn)程。通用電氣公司于2012 年率先提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念，并對其發(fā)展寄予厚望。這是人類歷史上的第3 次創(chuàng)新浪潮，希望以此通過高性能設(shè)備、低成本傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)的組合提高現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的效率并創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)。

圖1 工業(yè)革命進(jìn)程圖Fig.1 Industrial revolution

2 新一工廠成型設(shè)備現(xiàn)狀

新一工廠擁有注塑、搪塑發(fā)泡、噴涂三大工藝，是一個(gè)產(chǎn)能22 萬輛的內(nèi)外飾件生產(chǎn)車間，該車間主要設(shè)備是基于日本豐田工機(jī)系統(tǒng)開發(fā)、采用Toyopuc PLC 構(gòu)筑的控制系統(tǒng)(JTEKT 制)。在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層面采用FL-remote 網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)輸入輸出，采取各種信號后輸出報(bào)警提示。在PLC 控制層面采用的是FLNET 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)PLC 控制器之間通信，如本機(jī)是與三菱公司PLC 實(shí)現(xiàn)通信進(jìn)而控制三菱電機(jī)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制器輸出信號和電機(jī)動(dòng)作的同步控制，與上位系統(tǒng)和各種顯示屏等通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其連接。各種Toyopuc PLC 安裝的以太網(wǎng)網(wǎng)口可利用以太網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)連接，并且與電腦等上位機(jī)實(shí)現(xiàn)高速通信，有助于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，尤其像豐田公司這樣的企業(yè)實(shí)現(xiàn)全球標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，在節(jié)省再設(shè)計(jì)成本的同時(shí)兼具開放性網(wǎng)絡(luò)吸收其他先進(jìn)技術(shù)為己所用。由于這套系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)比較薄弱，沒有一個(gè)系統(tǒng)的處理方法，與其他品牌的PLC 無法連接，需要在IT 層面和PLC 層面對上位機(jī)系統(tǒng)信息出路搭建協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息處理，圖2 所示為JTEKT PLC 的基本架構(gòu)。

圖2 JTEKT制PLC架構(gòu)方式Fig.2 JTEKT system PLC architecture mode

此設(shè)備要兼顧泰達(dá)三線及新一線的生產(chǎn)，且沒有備份機(jī)，日常需要大量設(shè)備維修人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。繁重的生產(chǎn)任務(wù)往往使設(shè)備突發(fā)故障造成停機(jī)，嚴(yán)重制約產(chǎn)能輸出。如2014 年成型機(jī)發(fā)生的小火火情，就是因?yàn)槿廴跇渲布訜崞魉斐傻亩搪樊惓?，電打火后引發(fā)火災(zāi)，進(jìn)而造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，停工長達(dá)半年時(shí)間。

由于日常點(diǎn)檢、清掃不到位，以及對加熱器維護(hù)不足，特別是對于電流的變化沒有監(jiān)控，導(dǎo)致一些異常發(fā)生前的預(yù)兆均沒有被發(fā)現(xiàn)，最終引發(fā)火災(zāi)。成型機(jī)冷卻水水套堵塞問題也是由于日常維護(hù)點(diǎn)檢不到位，未能有效做到預(yù)測及故障預(yù)警。水路由于水垢、異物等慢慢堵塞，水流量不斷變化、減少，直至堵塞可能都沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而是當(dāng)樹脂冷卻出現(xiàn)問題以至夾到模具內(nèi)部造成損壞時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題，為此要花費(fèi)大量的工時(shí)去應(yīng)對，嚴(yán)重影響設(shè)備使用。

如表1 所示，因設(shè)備故障造成2 個(gè)月內(nèi)停機(jī)時(shí)間達(dá)530 min，尤其是在生產(chǎn)任務(wù)繁重時(shí)日常維護(hù)管理更為困難，維護(hù)點(diǎn)不清楚，維護(hù)時(shí)間不充裕，形成了惡性循環(huán)。

表1 成型機(jī)故障Tab.1 Molding machine failure

3 改進(jìn)與方案實(shí)施

目前的設(shè)備僅僅被用來制造產(chǎn)品，由于沒有互聯(lián)互通，設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)信息無從獲知，只依靠人工反饋效率低也容易出錯(cuò)，從而導(dǎo)致不科學(xué)、不智能。

我們需要的車間數(shù)字化設(shè)備則是嵌入傳感器、集成電路、軟件和其他數(shù)字化元器件，從而形成機(jī)械、電子、信息技術(shù)深度融合的設(shè)備。數(shù)字化設(shè)備是車間進(jìn)行生產(chǎn)的重要工具，是數(shù)字化車間建設(shè)的物理基礎(chǔ)。用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化解決“三啞”問題，即沒有入網(wǎng)、不能自動(dòng)匯報(bào)、不能進(jìn)行透明化管理的問題，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外界信息交換、資源共享、能力協(xié)同[2]。

基于智慧工廠的理論，我們計(jì)劃以TIM 機(jī)(革新注塑機(jī))為試點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)探索，打造IOT 預(yù)測管理設(shè)備。分為以下4 個(gè)步驟：①篩選設(shè)備檢測點(diǎn)位，追加安裝傳感器并組建內(nèi)部網(wǎng)控；②按照設(shè)備特性收集相應(yīng)數(shù)據(jù)；③對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警管理，包含異常及歷史數(shù)據(jù)的查詢，可以在故障分析中定位更加精準(zhǔn)；④引入算法對設(shè)備進(jìn)行預(yù)測管理。

3.1 點(diǎn)位選擇

我們通過近年來的故障清單一覽表篩選出重要管理點(diǎn)位138 個(gè)，主要涵蓋油壓、冷卻、加熱、伺服控制、注塑品質(zhì)系統(tǒng)，對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，如表2所示。

表2 Tim機(jī)點(diǎn)位取樣一覽表(部分)Tab.2 Tim machine point sampling list(part)

基于此清單，我們在設(shè)備上安裝了145 個(gè)傳感器，與設(shè)備PLC 調(diào)通后，服務(wù)器通過網(wǎng)線與PLC 的TCP/IP 設(shè)備鏈接并導(dǎo)通，服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)線程通過FAT 協(xié)議讀取PLC 地址數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。圖3、4 體現(xiàn)了總控及傳感器的安裝情況。數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)，治好了設(shè)備的“啞”，它會(huì)“說”出自己的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖3 傳感器總控裝置Fig.3 Sensor master control device

3.2 連接方法

依托設(shè)備原有局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)解析端將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫讀取出來，將數(shù)據(jù)按管理內(nèi)容計(jì)算并解析，將對應(yīng)數(shù)據(jù)放入響應(yīng)內(nèi)存中等待展示。數(shù)據(jù)展示進(jìn)程啟動(dòng)后會(huì)根據(jù)刷新時(shí)間定時(shí)從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并按管理內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示在數(shù)據(jù)展示界面，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)線程安排數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、存儲(chǔ)、分組、分析等過程，合理安排資源，后臺(tái)定時(shí)查看系統(tǒng)資源應(yīng)用情況，及時(shí)清除冗余數(shù)據(jù)釋放內(nèi)存。圖5 體現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果和狀態(tài)。

圖4 加熱器電流計(jì)監(jiān)控Fig.4 Heater ammeter monitoring

圖5 數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.5 Data transmission diagram

3.3 大數(shù)據(jù)比對

數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)比對，當(dāng)發(fā)生超限時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息。如冷卻水的溫度達(dá)到25 ℃時(shí)會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，這個(gè)時(shí)候我們可以設(shè)定冷卻水的溫度不超過25 ℃，一旦超過就報(bào)警提醒相關(guān)人員檢查設(shè)備，以確保生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定。圖6 是可動(dòng)側(cè)模溫機(jī)出水溫度，上下限及實(shí)時(shí)溫度可視，并實(shí)時(shí)通知設(shè)備維修人員現(xiàn)階段設(shè)備的狀況，出現(xiàn)問題能夠及時(shí)報(bào)告，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

圖6 上下限報(bào)警設(shè)置Fig.6 Upper and lower alarm Settings

歷史數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)的重中之重，注塑機(jī)的所有相關(guān)項(xiàng)的管理數(shù)據(jù)都會(huì)按時(shí)間軸記錄下來，這為今后對產(chǎn)品的追溯提供了依據(jù)。根據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查，我們可以追溯當(dāng)時(shí)設(shè)備的狀態(tài)，可以對不合格產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而找出影響品質(zhì)的關(guān)鍵因素。為了更好地梳理數(shù)據(jù)和使數(shù)據(jù)更加易懂，我們將多組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，形成了關(guān)聯(lián)性波形，在進(jìn)行故障分析時(shí)使工作開展更為精準(zhǔn)、設(shè)備狀態(tài)走向及趨勢性更加明了。圖7 顯示的是關(guān)聯(lián)波形，其便于更好地分析故障和把握現(xiàn)狀。

圖7 關(guān)聯(lián)性波形顯示Fig.7 Correlation waveform display

3.4 設(shè)備故障預(yù)測管理

本功能是最為重要的一部分，也是本次工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)探索的點(diǎn)睛之筆。我們采用了故障預(yù)測管理運(yùn)用較多的MT 法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。衡量正確數(shù)值與實(shí)際值之間的偏移，利用馬氏距離(馬哈拉諾比斯距離)來表示點(diǎn)與一個(gè)分布之間的距離，這是一種計(jì)算2 個(gè)未知樣本集的相似度的有效方法。日本的田口玄一利用馬氏距離來進(jìn)行多變量分析，稱之為馬氏田口算法，也叫MT 法。采用MT 算法可以進(jìn)行項(xiàng)目之間的相關(guān)性分析，用它來預(yù)測和優(yōu)化制造工程的數(shù)據(jù)，從而便于診斷當(dāng)前狀態(tài)[3]。

在TIM 機(jī)IOT 管理系統(tǒng)中分析管理會(huì)顯示出具體的結(jié)果，圖形顯示區(qū)域會(huì)通過散點(diǎn)的形式顯示出數(shù)據(jù)的離散性，通過對這些離散性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以預(yù)測設(shè)備的使用情況。其中MT 的值越大說明數(shù)據(jù)的離散性就越大，證明設(shè)備工作情況越不穩(wěn)定，通過將每天的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析就可以從中找到規(guī)律，進(jìn)而預(yù)警設(shè)備的使用情況。當(dāng)然，通過圖中的離散點(diǎn)也可以結(jié)合報(bào)警信息分析出設(shè)備究竟什么時(shí)間什么情況出現(xiàn)問題，從而對于現(xiàn)場預(yù)防維護(hù)起到積極的推動(dòng)和指向作用[3]。

3.5 現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用改善事例

2019 年10 月19 日，IOT 設(shè)備報(bào)警，顯示PJ4 冷卻水流量發(fā)生異常，設(shè)備維修人員于兩班之間對設(shè)備管路及水箱進(jìn)行了調(diào)查和確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)管路有堵塞、水槽臟污。由于此部位處于設(shè)備內(nèi)部，平時(shí)不易發(fā)現(xiàn)問題，在安裝外部監(jiān)視流量計(jì)后可以迅速發(fā)現(xiàn)問題點(diǎn)并及時(shí)應(yīng)對，保證了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和制品品質(zhì)。圖8體現(xiàn)了流量傳感器的實(shí)際應(yīng)用，提前預(yù)防了問題的發(fā)生，設(shè)備不再聾啞，設(shè)備維修人員的工作效率也在大幅提升，為打造整體智巧透明工廠做了鋪墊。

圖8 設(shè)備問題及處理后實(shí)績照片F(xiàn)ig.8 Equipment problems and actual results after treatment

如圖9 所示，在導(dǎo)入IOT 系統(tǒng)后，TIM 機(jī)的使用率穩(wěn)中有升，整體保險(xiǎn)杠產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)可控，避免了因設(shè)備不良造成的損失，設(shè)備維修人員工數(shù)大幅下降，克服品質(zhì)不良節(jié)省111.66 萬元，維修費(fèi)用遞減46 萬元，在設(shè)備維修人員學(xué)習(xí)培訓(xùn)后預(yù)計(jì)會(huì)有更顯著的效果。我們計(jì)劃開辦學(xué)習(xí)班，培養(yǎng)設(shè)備維修專門人才，結(jié)合智能設(shè)備以點(diǎn)帶面打造智能生產(chǎn)車間。

圖9 TIM機(jī)可動(dòng)率推移圖Fig.9 Diagram of TIM machine moving rate

4 展 望

車間作為生產(chǎn)第一線，數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏量巨大且價(jià)值巨大，是工業(yè)大數(shù)據(jù)的富礦，是智能制造的基礎(chǔ)所在，今后智能制造可以被視為是以“智能+”為代表的新經(jīng)濟(jì)的“基石”，也是世界各國技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展競爭的“焦點(diǎn)”，未來基于IT 系統(tǒng)開發(fā)的云計(jì)算和以其為核心的云服務(wù)會(huì)為我們搭建起更加廣闊的天地，信息實(shí)達(dá)手機(jī)App、一鍵掌握車間所有動(dòng)態(tài)和數(shù)據(jù)報(bào)表將不再是夢想。我們要以自己的車間為基礎(chǔ)，以TIM 機(jī)的IOT 設(shè)備預(yù)測管理為起點(diǎn)，循序漸進(jìn)、堅(jiān)持不懈、不斷完善，在豐田首個(gè)海外的TNGA(Toyota New Global Architecture)工廠通過開發(fā)以革新注塑機(jī)為代表的設(shè)備預(yù)測管理系統(tǒng)，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測分析，以點(diǎn)帶面，以期推動(dòng)基于大數(shù)據(jù)的智慧工廠(smart factory)的快速構(gòu)建，打造超一流的樹脂成型車間，引領(lǐng)樹脂成型行業(yè)的不斷發(fā)展。