張德偉 鄭方明 李碧波

摘? 要：為降低研發(fā)型企業(yè)實驗室管理成本，實現(xiàn)設備故障在線診斷預警和自動計算KPI指標，提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備在線管理平臺解決方案。方案將設備在線管理平臺分為設備層、感知層、傳輸層和應用層四層，通過互聯(lián)網(wǎng)技術打破各個設備供應商的技術壁壘，實現(xiàn)異構設備數(shù)據(jù)實時采集傳輸;同時，將業(yè)務管理系統(tǒng)與設備在線監(jiān)控相結合，進行故障預警和消息推送，自動計算設備開動率，實現(xiàn)單人多機值守，推動智慧實驗室建設發(fā)展。

關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);設備在線管理;設備監(jiān)控;集中監(jiān)控;智慧實驗室

中圖分類號：TP277;TP391.1? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0136-05

Heterogeneous Equipment Online Management Platform Based on Industrial Internet

ZHANG Dewei，ZHENG Fangming，LI Bibo

（Guangzhou Automobile Company Engineering Institute，Guangzhou? 511434，China）

Abstract：In order to reduce the cost of laboratory management in R & D enterprises，realize online diagnosis and early warning of equipment failures and automatic calculation of KPI indicators，a solution for an online equipment management platform based on the industrial internet is proposed. The plan divides the equipment online management platform into four layers：the equipment layer，the perception layer，the transmission layer and the application layer. Through internet technology，it breaks the technical barriers of various equipment suppliers and realizes the real-time collection and transmission of heterogeneous equipment data;at the same time，the business management system and equipment online monitoring is combined to carry out fault early warning and message push，automatically calculate the operating rate of equipment，realize single-person multi-machine on duty，and promote the construction and development of smart laboratory.

Keywords：industrial internet;equipment online management;equipment monitoring;centralized monitoring;smart laboratory

0? 引? 言

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念是由美國企業(yè)通用公司在2012年發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧與機器的界限》白皮書中首次提出，是面向工業(yè)系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術將設備、數(shù)據(jù)與人連接起來，實現(xiàn)異構設備與控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，形成具備自我改善功能的智能工業(yè)網(wǎng)絡，是工業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)結合產(chǎn)生的結果[1-3]。隨著信息技術的應用和“中國智能制造2025”的深入推進，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息通信技術和數(shù)字化技術與制造業(yè)深度融合，正在全方位重構制造效率、成本和質(zhì)量管控新體系，全方位重塑制造業(yè)的生產(chǎn)主體、生產(chǎn)對象、生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正逐步推進從單機智能到系統(tǒng)智能的轉變，整個汽車產(chǎn)業(yè)朝向信息化、數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和在線化迅速發(fā)展。

廣汽新能源智能生態(tài)工廠具備鋼鋁車身柔性生產(chǎn)、數(shù)字化自主決策、互動式定制和能源綜合利用等四大全球優(yōu)勢，被e-works評為“2020中國標桿智能工廠”，東風裝備數(shù)字化項目也已進入了2.0的規(guī)劃和實施階段，實現(xiàn)了經(jīng)營管理的數(shù)字化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已與汽車制造業(yè)深度融合，但是在研發(fā)型企業(yè)尚未得到廣泛應用。生產(chǎn)型企業(yè)建設工業(yè)網(wǎng)絡進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，但設備種類單一、同類型設備數(shù)量多，設備組網(wǎng)難度較小。汽車研發(fā)機構是技術密集型企業(yè)，涵蓋造型、發(fā)動機、新能源、底盤、電子電器、NVH、車身、碰撞安全等多個技術領域，同時也是資產(chǎn)密集型企業(yè)，所使用的設備具有單機智能化程度高、種類多、品牌多和同類設備數(shù)量少的特點，這些特點也導致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在研發(fā)型企業(yè)應用案例十分稀少[4]。

按照傳統(tǒng)實驗室設備管理模式，一臺大型設備需要多名操作人員管理，設備運行時間通過手工填寫《設備運行手冊》，存在記錄數(shù)據(jù)不準確，統(tǒng)計難度大，人力成本高、管理效率低和KPI指標統(tǒng)計困難等問題。本文設計了設備在線管理平臺（Equipment Online Management），通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)研發(fā)型設備數(shù)據(jù)實時采集，對設備進行監(jiān)控和故障預警，搭建集中監(jiān)控中心，實現(xiàn)單人多機值守，精確統(tǒng)計設備運行時間，提高設備利用率，降低企業(yè)經(jīng)營成本。

1? 設備在線管理平臺架構

設備在線管理平臺由網(wǎng)絡、系統(tǒng)和安全三部分組成。平臺的建設難點不僅在于設備結構差異大，而且各個設備供應所使用的編程語言、軟件版本、通信協(xié)議各不相同，甚至部分設備的接口協(xié)議不開放。在線監(jiān)控平臺的核心是使用互聯(lián)網(wǎng)技術破除各個設備供應商的技術壁壘，將不同類型的試驗臺架聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集，結合有線和無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。如圖1所示，設備在線管理平臺架構分為四層：設備層、感知層、傳輸層和應用層。

1.1? 設備層

設備層分為設備本體和前端采集裝置兩大類，不僅包含各種不同品牌的多臺設備，而且包含通過獨立采集裝置采集振動、溫度、壓力和電流等信號的采集前端。設備本體類數(shù)據(jù)指的是由設備控制電腦、主機或工控機提供的數(shù)據(jù)，設備上為了實現(xiàn)某些功能安裝了很多傳感器采集數(shù)據(jù)，例如：發(fā)動機臺架通過編碼器、壓力傳感器和溫度傳感器采集電機轉速、機油壓力、進水溫度和出水溫度;前端采集裝置通過增加各類傳感器采集數(shù)據(jù)，例如：發(fā)動機臺架本身沒有振動信號量監(jiān)測，但震動是衡量設備健康狀態(tài)最重要的指標之一，振動信號動態(tài)監(jiān)測是設備故障預警最靈敏、最有效的預測方法，所以振動信號的采集極為重要[5]。

汽車研發(fā)機構異構設備主要包括AVL發(fā)動機臺架、湘儀臺架、常測臺架、AVL底盤測功機、MAHA底盤測功機、WEISS環(huán)境倉、AND臺架、MTS道路模擬設備、五軸加工中心、智能電表等，設備種類和品牌根據(jù)通信方式經(jīng)過轉換最常用的為四種，即：CAN通信協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UPD協(xié)議、串口通信協(xié)議。

1.2? 感知層

數(shù)據(jù)采集是通過Node數(shù)采主機使用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)、重要運行參數(shù)等信息采集，為統(tǒng)計設備開動率、實現(xiàn)設備故障預警、分析被測試件的隱形缺陷等提供基礎數(shù)據(jù)。因為設備結構差異大，通信方式基本不同，所以一臺Node數(shù)采主機只負責一臺設備的數(shù)據(jù)采集。在Node主機上部署Linux操作系統(tǒng)，使用Python語言編寫程序代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。在采樣頻率設置上需要同時考慮數(shù)據(jù)采集的實時性和對設備電腦的資源消耗，采樣頻率太大會占用設備電腦較多的時間進行響應，可能會導致設備原有部分功能響應延遲，引發(fā)重大安全事故。如表1所示，不同類型數(shù)據(jù)對采樣頻率的要求不同。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，采樣頻率設在0.2 Hz～1.0 Hz之間，Node主機可以在不影響設備使用的情況下做到實時監(jiān)控。

1.3? 傳輸層

感知層和傳輸層是數(shù)據(jù)從設備本體傳遞到服務器的橋梁，監(jiān)控平臺使用Node數(shù)采主機通過多種通信協(xié)議進行與設備控制主機或數(shù)據(jù)采集裝置進行通信，并通過以太網(wǎng)將預處理后的數(shù)據(jù)傳輸至應用層服務器中。在傳輸層實現(xiàn)接口標準化，將Node數(shù)采主機采集到的數(shù)據(jù)按照一定格式進行標準化處理，再將數(shù)據(jù)傳輸至服務器。設備聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)需要進行實時展示，要求網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠，由于部分設備控制電腦型號老舊，仍然使用Windows XP系統(tǒng)，微軟已經(jīng)不再更新該系統(tǒng)補丁包，Windows XP系統(tǒng)的安全漏洞將不會被修復，并且為了不影響設備操作軟件的使用，一般不在設備操作電腦上安裝殺毒軟件，設備電腦不具備接入外網(wǎng)條件，所以需要重新搭建一套基礎網(wǎng)絡，專門用于設備在線監(jiān)控。

設備網(wǎng)絡采用擴展星形拓撲架構，如圖2所示，一級交換機與二級交換機、二級交換機與三級交換機之間使用光纖進行通信，三級交換機與四級交換機或Node數(shù)采主機使用網(wǎng)線進行連接，局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺三級交換機故障都不會影響到其他交換機的使用，相比于鏈式架構穩(wěn)定性更高，比純星型結構網(wǎng)絡價格更低，施工難度相對較小。對于前端采集硬件則通過Wi-Fi接入設備局域網(wǎng)。

安全是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎，不僅影響設備在線管理平臺的穩(wěn)定運行，同時也對試驗設備有著重大影響，在整個網(wǎng)絡中設置三層防護措施保證網(wǎng)絡安全。首先，應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器處在不同的網(wǎng)絡環(huán)境，數(shù)據(jù)庫服務器僅允許通過局域網(wǎng)訪問，而應用服務器支持外網(wǎng)訪問，在應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器上安裝殺毒軟件，殺毒軟件可以有效識別木馬等病毒，對病毒進行隔離處理，同時在服務器中配置允許接入接出的指定端口號，實現(xiàn)第一層防御雙保護。在一級交換機增加硬件防火墻作為第二層防護，硬件防火墻可以有效阻斷黑客和病毒攻擊。由于Linux操作系統(tǒng)本身比Windows操作系統(tǒng)安全，并且運行于Windows系統(tǒng)上的病毒一般不能在Linux操作系統(tǒng)上運行，因此服務器和Node數(shù)采主機使用Linux操作系統(tǒng)對網(wǎng)絡安全進行第三層保護。

1.4? 應用層

應用層接收設備在線監(jiān)控采集和傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，按照時間維度持續(xù)寫入數(shù)據(jù)庫，具有以下特點：

（1）寫入頻率快，每秒一次;

（2）測點多、信息量大，在線監(jiān)測設備數(shù)量多，每臺設備上百個數(shù)據(jù)點;

（3）按照時間順序產(chǎn)生，且一經(jīng)產(chǎn)生便不再變化;

（4）單點數(shù)據(jù)價值小，分析數(shù)據(jù)需要一次讀取大量數(shù)據(jù);

（5）數(shù)據(jù)一旦記錄后無須更新或者刪除[6]。

根據(jù)設備采集數(shù)據(jù)的特點使用InfluxDB時間序列數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，InfluxDB時間序列數(shù)據(jù)庫具有較高的讀、寫性能，可以使用類似SQL的查詢語言，提供WebAPI，安裝UI Chronograf插件后在瀏覽器中輸入：http：//168.168.3.XX：8888可以直接以可視化的方式訪問InfluxDB數(shù)據(jù)。計算得出的KPI指標值，如設備每日開動時間、耗電量等和應用系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)表均存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中，使用MySQL數(shù)據(jù)庫進行存儲。

2? 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

2.1? 系統(tǒng)功能設計

設備在線管理平臺從功能上分為以下8個功能模塊，如圖3所示，包含系統(tǒng)設置功能，設備臺賬功能，設備預約管理功能，試驗進度查詢功能，設備操作證管理功能，設備故障預警功能，設備開動率統(tǒng)計功能和設備能耗信息統(tǒng)計功能。

所構建系統(tǒng)采用B/S架構，集成于統(tǒng)一身份認證平臺，用戶登錄統(tǒng)一身份認證平臺后點擊對應的圖標按鈕即可跳轉登錄系統(tǒng)，無須輸入賬號密碼，用戶權限由PC端系統(tǒng)進行控制。PC端建立設備臺賬，對設備運行、使用、維修、保養(yǎng)進行管理，并對每臺監(jiān)控設備設置故障預警條件，通過故障預警提前發(fā)現(xiàn)設備故障隱患，以報表的方式展示全部設備狀態(tài)和開動率。

2.2? 監(jiān)控大屏實現(xiàn)

按照“全院總控+按區(qū)分控”的方式規(guī)劃建設多個監(jiān)控中心。如圖4所示，設備進行實時數(shù)據(jù)采集后通過監(jiān)控大屏進行數(shù)據(jù)展示。

采用超大屏幕和PC顯示器顯示的方式集中監(jiān)控，主要用于資產(chǎn)管理、設備管理保全人員監(jiān)控、接待參觀和對外宣傳，在監(jiān)控大屏上展示全院設備設施總體狀態(tài)，資產(chǎn)管理指標和動態(tài)報表，所有數(shù)據(jù)通過分控中心傳輸，與分控中心集成，可隨意切換顯示各分控中心的數(shù)據(jù)。按照區(qū)域和設備類別建立多個分控中心，各個設備分控中心具有設備運行監(jiān)測、設備健康監(jiān)測、視頻監(jiān)測和氣體監(jiān)測等功能，同時還建立有能源監(jiān)測分控中心、消防監(jiān)測分控中心。各個設備分控中心建立視頻墻和操作臺，將設備實時數(shù)據(jù)和視頻信息顯示在視頻墻，主要用于監(jiān)控設備設施的運行數(shù)據(jù)、試驗進度、設備及試驗的具體參數(shù)，進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)耐久類實驗統(tǒng)一監(jiān)控，一個操作員可以同時監(jiān)管多臺設備。

2.3? 移動端實現(xiàn)

設備在線管理平臺移動端接入企業(yè)微信移動平臺，設備管理人員無需安裝APP即可訪問系統(tǒng)，相對比開發(fā)Android和iOS應用程序，開發(fā)HTML5格式的網(wǎng)頁版程序成本低，同時避免了每次更新功能都需要發(fā)布新版本程序的問題。如圖5所示，用戶在移動端通過攝像頭可以查看到實驗室內(nèi)的視頻信息，同時可以查看設備的KPI指標值和關鍵參數(shù)曲線。

根據(jù)消息推送與通知的重要程度將消息分為三個級別：

Ⅰ級，誤入通知，在設備運行中任何人不得打開實驗室房間強行進入，若有人誤入則向設備操作人發(fā)送Ⅰ級預警;

Ⅱ級，設備故障監(jiān)測預警通知，根據(jù)設備運行參數(shù)實時判斷預測，避免設備損壞和發(fā)生重大安全事故;

Ⅲ級，業(yè)務類消息通知，故障維修通知、設備保養(yǎng)通知、試驗結束通知、設備每日運行記錄等業(yè)務類消息。

3? 結? 論

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入推進，互聯(lián)網(wǎng)技術廣泛應用于汽車企業(yè)，設備管理在線化成為必然趨勢。本文分析了設備在線管理平臺的技術架構，設計包含臺賬、設備維修保養(yǎng)、操作證查詢和報表等業(yè)務功能和軟件系統(tǒng)。以設備網(wǎng)絡為基礎，通過互聯(lián)網(wǎng)技術將不同種類、多種品牌和各種規(guī)格型號的設備組網(wǎng)，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)實時采集傳輸;以企業(yè)微信為載體進行故障預警和消息推送;以管理平臺為核心，自動計算設備開動率等KPI指標，搭建集中監(jiān)控中心對設備集中監(jiān)控，實現(xiàn)單人多機值守變革原有設備管理模式和方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共通共享，推動智慧實驗室建設發(fā)展。

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作者簡介：張德偉（1993—），男，漢族，山西忻州人，資產(chǎn)管理責任職員，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、資產(chǎn)管理、設備管理、樣車管理及資產(chǎn)管理信息化建設。