王靈峰　肖玉　劉韓影　楊貴林　于興林

摘 要：汽車制造是近幾年在制造數(shù)字化提升中最顯著的行業(yè)，數(shù)字化制造是企業(yè)降本增效的必要途徑，數(shù)智化工廠建設(shè)也成為車企數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要舉措。實(shí)現(xiàn)智能制造的前提是企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)完成數(shù)字化轉(zhuǎn)變，其中“數(shù)據(jù)”是信息化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要產(chǎn)物，同時(shí)影響到工廠的效率、成本和質(zhì)量等重要指標(biāo)。如何收集數(shù)據(jù)，建設(shè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)則是構(gòu)建數(shù)智化汽車工廠的基礎(chǔ)，邊緣計(jì)算的出現(xiàn)，恰恰適應(yīng)了汽車數(shù)智化工廠發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化 數(shù)據(jù)采集

1 概述

在汽車工廠信息化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的獲取，涉及人員、設(shè)備、物料、工藝、環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)車間網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，在經(jīng)過(guò)初步的清洗、過(guò)濾等手段后的數(shù)據(jù)將會(huì)應(yīng)用到可視化、生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量管理等業(yè)務(wù)中。

數(shù)字化工廠建設(shè)的關(guān)鍵是如何利用好生產(chǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)打通生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)，提供生產(chǎn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備之間互聯(lián)互通的物理通道，在此基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、傳輸、分析，是工廠各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞。

汽車工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

汽車制造有較為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和制造工序，而其生產(chǎn)車間內(nèi)的互聯(lián)互通場(chǎng)景也非常復(fù)雜，具有以下特征：

（1）車間內(nèi)設(shè)備類型復(fù)雜，所支持的工業(yè)總線或者接口協(xié)議也很多。

（2）數(shù)據(jù)采集覆蓋四大車間，面向很多的工藝設(shè)備。

（3）不同時(shí)期上線的設(shè)備同時(shí)存在，數(shù)據(jù)采集前需要對(duì)設(shè)備接口改造，工作量大。

（4）對(duì)工廠網(wǎng)絡(luò)覆蓋和性能要求高，需要工業(yè)環(huán)網(wǎng)等方式保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述特征要求，汽車工廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮4層架構(gòu)。

（1）設(shè)備層。該層涵蓋了輸送、搬運(yùn)、焊接、檢測(cè)等一系列設(shè)備，比如焊接機(jī)器人、焊接控制器、RFID讀寫器、伺服、變頻器等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。該層的設(shè)備主要由網(wǎng)絡(luò)數(shù)通設(shè)備構(gòu)成，像汽車工廠常見(jiàn)的Profinet/Ethernet工業(yè)協(xié)議網(wǎng)關(guān)、工業(yè)三層交換機(jī)、工業(yè)無(wú)線AC/AP等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組建了一張穩(wěn)定、高效、安全的工業(yè)局域網(wǎng)，保證各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備間可靠通訊。

（3）數(shù)據(jù)采集層。服務(wù)器上部署的數(shù)據(jù)采集軟件，通過(guò)自身的工業(yè)協(xié)議直接訪問(wèn)設(shè)備層的數(shù)據(jù)，獲取原始數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工并存儲(chǔ)，系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口，例如Socket、MQTT、InfluxDB、Mongo DB、Redis等各種轉(zhuǎn)發(fā)接口將數(shù)據(jù)與MES或者ERP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

（4）業(yè)務(wù)系統(tǒng)層。從以上幾層獲取的人、機(jī)、料、法、環(huán)等原始數(shù)據(jù)，在各個(gè)信息化系統(tǒng)中進(jìn)行處理、分析、計(jì)算、展示、如在制車輛的信息、報(bào)工數(shù)據(jù)、過(guò)程質(zhì)量統(tǒng)計(jì)等。

2 數(shù)字化車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的視角去分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整體可分為三層，分別為設(shè)備局域網(wǎng)、車間數(shù)據(jù)匯聚、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集。車間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用交換機(jī)成環(huán)組網(wǎng)，設(shè)計(jì)之初要考慮產(chǎn)線、設(shè)備、辦公等布局，將整個(gè)區(qū)域切分成多個(gè)子區(qū)域，各子區(qū)域的匯聚交換機(jī)組成了單個(gè)車間的環(huán)網(wǎng)。

在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，有各類工藝、生產(chǎn)等設(shè)備參與了上述過(guò)程，由于設(shè)備年份、類型、通訊能力的等差別，數(shù)據(jù)采集會(huì)有多個(gè)不同方式，大致分為3類：自動(dòng)交互數(shù)據(jù)、半自動(dòng)、以及純手動(dòng)。

2.1 人工采集

人工采集即原始數(shù)據(jù)需要人工在業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)錄入，常見(jiàn)的有工位電腦、手持PDA等設(shè)備。人工錄入的方式存在滯后、易錯(cuò)、繁瑣等問(wèn)題。例如總裝車間隨車單，車輛在每個(gè)工位完成裝配任務(wù)后，需要人工在隨車單上記錄工藝數(shù)據(jù)，車輛下線后，隨車單專人收集并錄入數(shù)據(jù)采集內(nèi)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工位部署了客戶端電腦，客戶端軟件通過(guò)HTTP、WebService等方式實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器后端。

2.2 半自動(dòng)采集

半自動(dòng)采集方式的形態(tài)已經(jīng)接近于全自動(dòng)方式了，只是在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，需要人工使用工具后，才能觸發(fā)數(shù)據(jù)的同步，所以在采集方式上也可定義為全自動(dòng)。比如像總裝車間內(nèi)飾裝飾線，工人在安裝關(guān)鍵零件后，需要用掃描器準(zhǔn)一掃碼記錄，物料信息會(huì)自動(dòng)錄入至數(shù)據(jù)采集客戶端并上傳至服務(wù)器。

2.3 全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集

在數(shù)字化車間中，大部分生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)都是通過(guò)自動(dòng)方式采集的，在汽車工廠常見(jiàn)的PLC控制器、KUKA/ABB機(jī)器人、焊接控制器、AVI過(guò)點(diǎn)等。

針對(duì)汽車總裝車間內(nèi)的自動(dòng)化循環(huán)線，它的采集對(duì)象主要是PLC控制器，作為產(chǎn)線的控制單元，在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)后可根據(jù)編程的控制策略，控制著循環(huán)線的運(yùn)行和停止。

以西門子1500系列PLC為例，它支持第三方系統(tǒng)通過(guò)S7協(xié)議訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)塊，同樣也支持外部對(duì)其數(shù)據(jù)的寫入，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)S7協(xié)議驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)時(shí)獲取產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中根據(jù)采集數(shù)據(jù)類型可分為開(kāi)關(guān)量、模擬量，如工件到位，設(shè)備運(yùn)行/停止為開(kāi)關(guān)量，再如溫度、流量、壓力、VIN碼等均已模擬量表示，在采集系統(tǒng)中建模時(shí)，這些采集對(duì)象以單個(gè)標(biāo)簽的方式組態(tài)，針對(duì)每個(gè)標(biāo)簽可以設(shè)置訪問(wèn)周期，例如每隔1000ms采集一次，面向?qū)崟r(shí)性高的業(yè)務(wù)場(chǎng)景可以設(shè)置100ms周期，而對(duì)時(shí)間不敏感的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以設(shè)置為5s甚至更高。

3 數(shù)據(jù)集成與存儲(chǔ)

3.1 采集數(shù)據(jù)的集成

汽車數(shù)字化車間內(nèi)設(shè)備品牌和型號(hào)復(fù)雜，產(chǎn)線和工裝夾具經(jīng)過(guò)改造和迭代升級(jí)，設(shè)備的通訊接口也從串口升級(jí)到以太網(wǎng)口。

在實(shí)際場(chǎng)景中，汽車工廠有很多上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如ERP、MES、WMS、PQS、工廠可視化等等，如果這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接訪問(wèn)設(shè)備，將會(huì)造成被訪問(wèn)設(shè)備通信負(fù)載大，車間網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大，如PLC的通信資源被占用，造成主程序掃描和執(zhí)行周期變長(zhǎng)。

對(duì)于上述的業(yè)務(wù)需要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要負(fù)責(zé)完成原始數(shù)據(jù)的采集和處理，在各個(gè)上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)間提供二次加工的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)流的有序和整潔，此時(shí)數(shù)采系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中樞的角色，南向負(fù)責(zé)打通信息化系統(tǒng)和底層設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)，北向負(fù)責(zé)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)推送至MES、WMS、PTL等系統(tǒng)。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成是整合來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，屏蔽數(shù)據(jù)之間類型和結(jié)構(gòu)上的差異，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的來(lái)源復(fù)雜、結(jié)構(gòu)異構(gòu)問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理和分析，實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)差別訪問(wèn)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)清洗與轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)降維[1]。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)選型及管理

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)是其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的核心工具，大量數(shù)據(jù)的高速處理與存儲(chǔ)，能夠連續(xù)運(yùn)行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長(zhǎng)期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機(jī)接口，豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，過(guò)程數(shù)據(jù)收集軟件，人機(jī)接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計(jì)算機(jī)的集成化。

數(shù)據(jù)采集功能將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)采集完成后，所有產(chǎn)線數(shù)據(jù)后可將重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中以便后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，將普通數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫(kù)連接存儲(chǔ)至關(guān)系庫(kù)中。

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的劃分、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)采系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在北向的業(yè)務(wù)系統(tǒng)如MES可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口實(shí)時(shí)去獲取。目前我們使用較多的為SQL Server、MySQL、Oracel等。

除了關(guān)系型數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)工藝敏感的采集對(duì)象，比如溫度，壓力、流量等，需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間戳、值、質(zhì)量等信息，考慮內(nèi)存的容量，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)一般設(shè)計(jì)為10分鐘的時(shí)效性，在10分鐘以后的數(shù)據(jù)將自動(dòng)進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)中樞，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。

為打造數(shù)字化工廠和車間夯實(shí)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在未來(lái)汽車產(chǎn)品個(gè)性化定制、工廠柔性生產(chǎn)的新模式下，智能制造過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)依賴程度呈指數(shù)級(jí)上漲，如何健壯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是今后長(zhǎng)期探索的內(nèi)容。

基金項(xiàng)目：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)工業(yè)和信息化部關(guān)于下達(dá)2022年度智能制造標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目-《汽車行業(yè)智能工廠和數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目（GZ06/23-096）》。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳世超，崔春雨，張華，馬戈，朱鳳華，商秀芹，熊剛. 制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理方法綜述[J].大數(shù)據(jù)，2020，6（05）：55-81.