蒙泳行，丁成波，韋家信，李 雄，曹 坤

（上海威克鮑爾通信科技有限公司，上海 200436）

主題詞：自動(dòng)化設(shè)備；設(shè)備管理；數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著公司規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為保障和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率，近年來(lái)加大了自動(dòng)化設(shè)備的投入，總共配置幾百臺(tái)套自動(dòng)化（半自動(dòng)化）生產(chǎn)、試驗(yàn)、機(jī)加設(shè)備。公司對(duì)設(shè)備的利用率、稼動(dòng)率、OEE（Overall Equipment Effectiveness，設(shè)備綜合效率）要求也隨之提高，為提升設(shè)備管理的效率和質(zhì)量，公司將逐步對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)及各分公司的設(shè)備進(jìn)行在線管理，有效掌握這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，用客觀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析設(shè)備利用率、稼動(dòng)率、OEE，為公司產(chǎn)能和勞動(dòng)效率提升提供管理決策數(shù)據(jù)。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法

不同類(lèi)型的設(shè)備，數(shù)據(jù)采集的方法不同。介紹已經(jīng)成功實(shí)施設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法。

（1）機(jī)加類(lèi)設(shè)備。機(jī)加車(chē)間的各類(lèi)機(jī)床設(shè)備需要采集軸的輸出信號(hào)，其實(shí)質(zhì)是使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的車(chē)、銑等操作?？梢酝ㄟ^(guò)采集軸的狀態(tài)來(lái)判斷設(shè)備的使用狀態(tài)，例如在機(jī)床運(yùn)行時(shí)，通過(guò)主軸和進(jìn)給軸的信息可知道機(jī)床的狀態(tài)。機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)中的電機(jī)的電流大于空載時(shí)，可使用電流互感器采集電機(jī)動(dòng)力線上的電流，根據(jù)其大小變化來(lái)間接判斷軸電機(jī)的狀態(tài)。

（2）非標(biāo)類(lèi)設(shè)備帶PLC及上位機(jī)。針對(duì)于有上位機(jī)的非標(biāo)設(shè)備，可預(yù)先在設(shè)備電控PLC里預(yù)留好設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通道，在上位機(jī)程序添加數(shù)據(jù)采集功能模塊，由上位機(jī)直接讀取PLC里存儲(chǔ)的設(shè)備信息后綁定設(shè)備的名稱(chēng)和編號(hào)發(fā)送至服務(wù)器平臺(tái)服務(wù)端。

（3）非標(biāo)類(lèi)設(shè)備帶PLC。對(duì)于沒(méi)有上位機(jī)的非標(biāo)設(shè)備，可拓展PLC增加通信網(wǎng)口模塊，并預(yù)先在設(shè)備電控PLC里預(yù)留好設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)通道后，直接由采集服務(wù)器上位機(jī)系統(tǒng)讀取設(shè)備的信息。

2 設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采集到設(shè)備數(shù)據(jù)后，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，數(shù)據(jù)采集的條件是設(shè)備物理聯(lián)網(wǎng)，在工業(yè)環(huán)境中，可以通過(guò)有線工業(yè)網(wǎng)線聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)保密要求，公司采用有線聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用架構(gòu)

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，平臺(tái)采用兩層架構(gòu)：平臺(tái)層和車(chē)間層（圖2）。平臺(tái)層包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器包含Web應(yīng)用和數(shù)據(jù)接口應(yīng)用。Web應(yīng)用負(fù)責(zé)設(shè)備管理的前臺(tái)展示，包含各種看板和報(bào)表；數(shù)據(jù)接口應(yīng)用負(fù)責(zé)接收車(chē)間層采集服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)。車(chē)間層包含采集服務(wù)器和上位機(jī)、PLC、傳感器；最后統(tǒng)一由采集服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)到應(yīng)用服務(wù)器，在增加車(chē)間和設(shè)備時(shí)，不用變動(dòng)平臺(tái)層，增加了平臺(tái)的擴(kuò)展性。

圖2 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用架構(gòu)

2.3 采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)包括運(yùn)行、故障、停機(jī)、關(guān)機(jī)。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)保存在PLC的1個(gè)8位的存儲(chǔ)單元里，設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)，PLC存儲(chǔ)單元里的值會(huì)立即變化，上位機(jī)定時(shí)讀取這個(gè)值，再把值上傳到應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口應(yīng)用，數(shù)據(jù)接口應(yīng)用把值插入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上的設(shè)備狀態(tài)表。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求，定時(shí)的數(shù)據(jù)更新時(shí)間間隔可以是500 ms到20 s，時(shí)間間隔太短，會(huì)頻繁更新數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)壓力較大，建議20 s更新一次，基本滿(mǎn)足要求。當(dāng)設(shè)備關(guān)機(jī)后，不會(huì)再更新數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過(guò)查詢(xún)?cè)O(shè)備的最后一條狀態(tài)新增時(shí)間，對(duì)比系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，假如設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間（5 min）沒(méi)有更新數(shù)據(jù)，判定設(shè)備為關(guān)機(jī)狀態(tài)。

（2）設(shè)備故障次數(shù)、生產(chǎn)數(shù)量。設(shè)備故障次數(shù)體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)量可以體現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)能。設(shè)備故障次數(shù)保存在PLC的1個(gè)16位的存儲(chǔ)單元里，設(shè)備每發(fā)生一次故障，故障次數(shù)加1，上位機(jī)可以定時(shí)去讀取這個(gè)值，再把當(dāng)前累計(jì)值上傳到應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口應(yīng)用，數(shù)據(jù)接口應(yīng)用把值插入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上的設(shè)備故障次數(shù)表。故障次數(shù)上傳的時(shí)間間隔可以較長(zhǎng)，定為5 min，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)量上傳的時(shí)間間隔可以較長(zhǎng)，定為1 min。故障次數(shù)、生產(chǎn)數(shù)量累計(jì)保存在PLC中，設(shè)備斷網(wǎng)也能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于PLC是被動(dòng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，上位機(jī)要主動(dòng)的去讀取數(shù)據(jù)，不能在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，立即獲取信息，只能定時(shí)讀取。通過(guò)時(shí)間段，計(jì)算設(shè)備累計(jì)故障次數(shù)的差值，可以計(jì)算設(shè)備每天發(fā)生的故障次數(shù)，基本準(zhǔn)確的計(jì)算每小時(shí)的故障次數(shù)；通過(guò)時(shí)間段，計(jì)算設(shè)備生產(chǎn)數(shù)量的差值，可以計(jì)算設(shè)備每天的產(chǎn)能，基本準(zhǔn)確的計(jì)算每小時(shí)的產(chǎn)能。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。對(duì)于擁有上位機(jī)的設(shè)備，上位機(jī)可以記錄設(shè)備生產(chǎn)的每一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)。不同產(chǎn)品的要采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)不同，為了統(tǒng)一設(shè)計(jì)，把單個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)合并在一個(gè)字段保存，當(dāng)要具體分析質(zhì)量數(shù)據(jù)時(shí)，再去解析。質(zhì)量數(shù)據(jù)樣式類(lèi)似字符串：{sbbh：CS010，czy：20188，cpxh：3.0-3.1，cppch：202112021101，ddh：70000012345，CPID：，zljg：1，jgdm：14.000，ztcd：3.033，sqpd：0.747，sh pd：0.694，spxs：355.000，tzd：0.095，NGlx：，dzsfwz：52.000，spjzsd：6000.000，jiasd：600.000，jiansd：600.000，skwz：750.000，bzcsbbh：3.0-3.1，sjc：，zbzdzj：0.694，zbzxzj：0.694，gbzxzj：90.514，tbzxzj：89.000，tbzdzj：89.000，gbzdzj：90.514，bl1：，bl2：，bl3：，bl4：，bl5：，ztcdzl：1，shpdzl：1，shpdmaxzl：0，shpdminzl：0，tzdzl：1，kzzl：0，fxzl：1，ss：1}。通過(guò)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算合格率，設(shè)備OEE等數(shù)據(jù)，做更深入的分析。

3 數(shù)據(jù)處理及效果展示

3.1 定期清理不需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)

對(duì)于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，屬于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，不需要長(zhǎng)期保存，如果不清理，會(huì)占用很多空間，故通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)定時(shí)任務(wù)，清理3天前的數(shù)據(jù)。

3.2 對(duì)大量數(shù)據(jù)分表處理

對(duì)于設(shè)備故障次數(shù)，設(shè)備開(kāi)機(jī)、停機(jī)、故障時(shí)間，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)量，產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，需要長(zhǎng)期保存，不能刪除，占用很多空間，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的性能產(chǎn)生影響，后續(xù)數(shù)據(jù)新增、查詢(xún)操作會(huì)需要更多的時(shí)間。故需要通過(guò)手動(dòng)的方式，把往年的數(shù)據(jù)，分表保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.3 效果展示

（1）顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)（圖3）。

圖3 設(shè)備狀態(tài)

（2）設(shè)備時(shí)間統(tǒng)計(jì)，根據(jù)日期時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間、故障時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)間、利用率、故障率（圖4）。

圖4 設(shè)備時(shí)間統(tǒng)計(jì)

（3）設(shè)備小時(shí)利用情況統(tǒng)計(jì)，可以統(tǒng)計(jì)設(shè)備當(dāng)天每個(gè)小時(shí)的利用率、稼動(dòng)率，運(yùn)行、停機(jī)、故障、開(kāi)機(jī)時(shí)間（圖5）。

圖5 設(shè)備小時(shí)利用情況統(tǒng)計(jì)

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的展望

隨著設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)將朝著更加智能化、科學(xué)化的方向發(fā)展。在采集到設(shè)備數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以做更深入的大數(shù)據(jù)分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，做預(yù)測(cè)性設(shè)備維護(hù)，智能排產(chǎn)等工作，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的發(fā)展前景遼闊。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著公司智能化的發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多，通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)入網(wǎng)。通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，可以分析設(shè)備的使用情況，車(chē)間生產(chǎn)情況，為公司上層決策提供依據(jù)。