設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

延俊磊，王樹凱，于佳良，李 祥，焦 松

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

生產(chǎn)設(shè)備在制造業(yè)中占據(jù)核心地位，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展不可或缺的組成部分，設(shè)備的數(shù)字化、智能化也是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心。目前，生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備仍然大量存在缺少通信端口的情況，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)無法直接從設(shè)備內(nèi)部采集，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型必須解決的問題。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)（圖1）

圖1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過在設(shè)備加裝傳感器或設(shè)備本身的記錄，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信息，通過通信端口、以太網(wǎng)、IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）等方式傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過交換機(jī)發(fā)送至公司內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，工作人員可通過公司內(nèi)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，還可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)制定故障預(yù)測(cè)邏輯，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判功能。設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提示工作人員，相關(guān)工作人員根據(jù)提示情況及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況分析故障原因，制定解決措施，預(yù)防設(shè)備停機(jī)，并為設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，提高設(shè)備管理效率，提升生產(chǎn)效率。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為兩類，一類是設(shè)備自身提供的通信端口，一般有控制系統(tǒng)的設(shè)備自帶通信端口，但因?yàn)樵O(shè)備不同，端口型號(hào)、端口協(xié)議也不盡相同，需針對(duì)不同端口進(jìn)行通信協(xié)議的開發(fā)或由設(shè)備制造商提供，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；另外一類是在設(shè)備或設(shè)備控制柜內(nèi)安裝傳感器，通過傳感器采集所需要的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備通信端口采集

一般帶控制系統(tǒng)的設(shè)備具有以太網(wǎng)口或RS-232 通信端口，也可以與設(shè)備制造商商議，由設(shè)備制造商提供通信端口協(xié)議，通過端口協(xié)議直接讀取設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括程序開始時(shí)間、程序執(zhí)行狀態(tài)、程序結(jié)束時(shí)間、設(shè)備壓力、主要部件溫度、開關(guān)控制量、設(shè)備坐標(biāo)、測(cè)量結(jié)果等內(nèi)部數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器采集

設(shè)備自身無控制系統(tǒng)或有控制系統(tǒng)但通信協(xié)議不開放，需要增加傳感器（振動(dòng)、壓力、溫度傳感器等），通過傳感器采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。另外，為了實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，需通過設(shè)備加裝電壓電流傳感器和智能電表結(jié)合的方式進(jìn)行能源數(shù)據(jù)采集，采集的能源數(shù)據(jù)主要包含設(shè)備的電流、電壓及功率，并通過有線、無線、IoT 等方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分析及展示。

設(shè)備能耗數(shù)據(jù)采集，需對(duì)每臺(tái)設(shè)備主電源加裝開口式互感器和智能儀表，采集設(shè)備的實(shí)時(shí)電流及電壓，智能儀表根據(jù)采集到的電流、電壓，計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)功率，并將實(shí)時(shí)電流、電壓及功率數(shù)值發(fā)送給通信管理機(jī)，通信管理機(jī)匯聚多臺(tái)設(shè)備的采集數(shù)據(jù)后，按照傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后按照一定的頻率通過交換機(jī)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。

開口式電流互感器進(jìn)行電流測(cè)量，根據(jù)設(shè)備主電源線直徑，每臺(tái)設(shè)備配置合適的開口式互感器。開口式互感器接線方式如圖2 所示。

圖2 開口式互感器接線方式

智能儀表應(yīng)具備電力測(cè)量、開關(guān)量采集一體化等功能，智能儀表至少具備網(wǎng)絡(luò)通信接口和無線通信接口，即可通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，也可通過WiFi 無線接入網(wǎng)絡(luò)，為了提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以有線網(wǎng)絡(luò)采集為主；既可集中組網(wǎng)，也可分散安裝在設(shè)備上組網(wǎng)。同時(shí)預(yù)留安裝5G 模塊的接口，便于后續(xù)5G 模塊的安裝。

智能儀表應(yīng)具備連接顯示面板，顯示面板上設(shè)有漢字液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示線路的監(jiān)測(cè)量，通過鍵盤可方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、事故信息、開關(guān)量狀態(tài)的查詢，并通過密碼設(shè)置可進(jìn)行保護(hù)及監(jiān)測(cè)功能的整定。智能儀表具備數(shù)據(jù)暫存功能，當(dāng)出現(xiàn)斷網(wǎng)時(shí)，智能值儀表能夠暫存采集到的數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)分析系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在公司內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云端，通過基于集群存儲(chǔ)系統(tǒng)的架構(gòu)，形成高效、合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系，按易存儲(chǔ)、易管理、易使用原則，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)資源清單設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集流程，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉庫中，通過接口共享方式，核心數(shù)據(jù)倉保留數(shù)據(jù)控制權(quán)，將數(shù)據(jù)使用權(quán)通過API 接口的形式進(jìn)行平移，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可靠性及數(shù)據(jù)的高利用性。

3.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析

依據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云端存儲(chǔ)的各種設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過設(shè)定算法邏輯，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用。還可以通過數(shù)據(jù)不斷積累，將實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)備故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，制定關(guān)聯(lián)分析模型，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控分析。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)滿足模型邏輯時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警，提示設(shè)備運(yùn)行情況，分析異常原因，制定解決措施，預(yù)防設(shè)備停臺(tái)。通過數(shù)據(jù)積累，可以為設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，提高設(shè)備管理效率，推動(dòng)生產(chǎn)效率提升。

設(shè)備利用率反映設(shè)備實(shí)際使用情況，為生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策、分析提供依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

設(shè)備負(fù)載率客觀記錄真實(shí)負(fù)載運(yùn)行情況，為修程優(yōu)化提供精準(zhǔn)客觀數(shù)據(jù)。

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用

將數(shù)據(jù)應(yīng)用分析后，通過搭建一個(gè)設(shè)備數(shù)字化平臺(tái)，將運(yùn)行、監(jiān)控、數(shù)據(jù)展示的功能直觀可視化?？梢哉故驹O(shè)備運(yùn)行負(fù)載率、設(shè)備利用率、設(shè)備狀態(tài)歷史信息、設(shè)備運(yùn)行看板、設(shè)備能耗等信息。設(shè)備運(yùn)行負(fù)載率是通過設(shè)備實(shí)際加工過程中各階段信息，計(jì)算不同狀態(tài)持續(xù)時(shí)間及設(shè)備所處工況而得出。設(shè)備利用率是統(tǒng)計(jì)設(shè)備開機(jī)時(shí)長(zhǎng)及設(shè)備加工時(shí)間進(jìn)行計(jì)算而得出。設(shè)備狀態(tài)歷史信息是通過設(shè)定不同時(shí)間、不同使用單位、不同人員等多個(gè)維度的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，方便工作人員掌握設(shè)備狀態(tài)，改進(jìn)設(shè)備維修方式方法，提高設(shè)備利用率。設(shè)備運(yùn)行看板包含設(shè)備的開機(jī)、關(guān)機(jī)、待機(jī)、負(fù)載、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等狀態(tài)信息。設(shè)備能耗是通過電壓、電流、功率等信息的處理，展示設(shè)備當(dāng)日、當(dāng)月、累計(jì)能耗值。

4.1 平臺(tái)界面

主界面顯示整個(gè)車間在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體位置及實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備實(shí)施運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)顯示，設(shè)備利用率和負(fù)載率當(dāng)日實(shí)時(shí)顯示及超閥值提醒顯示（故障顯示）。

子界面顯示單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行看板，單臺(tái)設(shè)備當(dāng)日運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)設(shè)備利用率和負(fù)載率當(dāng)日實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，電壓及電流曲線，單臺(tái)設(shè)備的電壓、電流各種閥值設(shè)定入口等。

4.2 設(shè)備利用率

通過分析單臺(tái)設(shè)備實(shí)際開機(jī)情況，結(jié)合實(shí)時(shí)電流曲線，設(shè)置開機(jī)電流值，設(shè)定單臺(tái)設(shè)備最大和最小預(yù)警閥值。通過分析單臺(tái)設(shè)備開關(guān)機(jī)時(shí)間、實(shí)時(shí)電流曲線等數(shù)據(jù)，設(shè)定單臺(tái)設(shè)備最大和最小預(yù)警閥值。當(dāng)單臺(tái)設(shè)備利用率高于最大預(yù)警閾值時(shí)，提醒維保單位加強(qiáng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)；當(dāng)單臺(tái)設(shè)備利用率低于最小預(yù)警閾值時(shí)，結(jié)合OEE（Overall Equipment Effectiveness，全局設(shè)備效率）指標(biāo)情況，合理安排生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

4.3 設(shè)備負(fù)載率

通過分析單臺(tái)設(shè)備實(shí)際工作情況，結(jié)合實(shí)時(shí)電流曲線，設(shè)置工作電流值，設(shè)定單臺(tái)設(shè)備最小預(yù)警閥值。當(dāng)單臺(tái)設(shè)備負(fù)載率低于最小預(yù)警閾值時(shí)，從負(fù)載時(shí)間和開機(jī)時(shí)間兩方面進(jìn)行原因分析，若負(fù)載時(shí)間較短，提醒相關(guān)單位合理安排生產(chǎn)；若開機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，提醒使用單位及時(shí)關(guān)機(jī)，減少等待浪費(fèi)。

4.4 設(shè)備能耗

通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備主電源的電流、電壓信息對(duì)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，也可通過歷史記錄查詢，為設(shè)備故障分析提供數(shù)據(jù)支撐，還可對(duì)單臺(tái)設(shè)備的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.5 輔助生產(chǎn)、工藝，提升管理效能

通過對(duì)設(shè)備利用率、負(fù)載率等的統(tǒng)計(jì)，可輔助進(jìn)行工藝布局優(yōu)化及工藝程序優(yōu)化；通過設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，可為排產(chǎn)計(jì)劃提供支持，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

設(shè)備雖然在制造業(yè)是不可或缺的重要組成部分，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在大量缺少通信端口的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法直接從設(shè)備內(nèi)部采集。數(shù)字化平臺(tái)可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，以及設(shè)備的數(shù)字化、智能化。該平臺(tái)也可以通過加裝傳感器采集數(shù)據(jù)的方式，獲取所需要的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，且不影響其正常運(yùn)行。通過設(shè)備數(shù)字化平臺(tái)，可以優(yōu)化生產(chǎn)排產(chǎn)計(jì)劃，提升設(shè)備利用率和設(shè)備運(yùn)行負(fù)載率，提高設(shè)備維護(hù)水平，保障設(shè)備的可靠性，并為設(shè)備預(yù)測(cè)性維修和全壽命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐。