現場數據采集技術及在智能制造系統中的應用

周本華　吳旭光　郭培龍　黃相行

(① 北京英迪致遠科技有限責任公司，北京100102；②河北省專業通訊局，河北 石家莊 050065)

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現場數據采集技術及在智能制造系統中的應用

周本華①吳旭光②郭培龍①黃相行①

(① 北京英迪致遠科技有限責任公司，北京100102；②河北省專業通訊局，河北 石家莊 050065)

詳細介紹了現場數據采集系統的內容、方式，并以案例的方式介紹了該系統在智能制造系統中的作用與應用，說明了數據采集系統在現代化制造環境的重要性和必要性。同時也提出了現場數據采集系統未來的發展方向。

智能制造；數據采集；局域網；大數據分析

1　智能制造的內涵

智能工廠是現代工廠信息化發展的新階段，是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、即時正確地采集生產線數據，以及合理地掌控生產計劃與生產進度。它在數字化管理的基礎上還需要體現其智能性，單機的智能主要體現在單機本身所具備的強大的能力，更重要的是它還應該具備一定的自學習能力，可根據過往積累的經驗來優化工藝和工作流程，適應現場各種新的變化。從單機智能設備的互聯，到不同類型和功能的智能單機設備的互聯組成智能生產線，再到不同的智能生產線間的互聯組成智能車間，智能車間的互聯組成智能工廠，進而由不同地域、行業、企業的智能工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的智能制造系統，這些單機智能設備、智能生產線、智能車間及智能工廠可以自由地、動態地組合，以滿足不斷變化的制造需求。

近兩年來，隨著工業4.0概念的推廣，各軍工企業、民企翹楚們也正積極準備推進智能制造技術，以實現轉型升級和發展方式的轉變,個別地方也初步實現了一些工業4.0實踐的初級樣板。

工業4.0的核心就是智能制造，其主要內容如圖1所示。

智能制造不僅需要單項技術突破，也需要各種技術綜合集成。面對全球新一代信息技術與制造技術融合的趨勢，制造業迎來了鞏固和強化技術優勢的機遇。具體來說，體現在如下3個方面：一是工業軟件的機遇。工業軟件是智能制造的核心和基礎，企業資源管理(ERP)、制造執行系統(MES)、產品生命周期管理(PLM)、可編程控制器(PLC)等核心工業軟件在制造業中的地位愈加穩固。二是工業電子的機遇。集成了傳感、計算、通信的工業電子是智能裝備的核心，如條碼、RFID等識別技術，傳感器、數控技術等在工業應用中愈加普遍。三是制造技術的機遇?；A材料、基礎工藝、基礎裝備、基礎元器件等傳統制造技術與工業軟件、工業電子技術的結合，就構建了智能制造的恢宏大廈。

智能工廠包括智能化生產控制中心、智能生產執行過程管控、智能加工中心與生產線、智能化倉儲/運輸與物流4個部分，其構成關系如圖2所示。

2　數據采集的作用

傳統意義上的DNC系統(即狹義DNC)只注重設備的數據傳輸與管理，而廣義DNC的概念是將設備作為一個信息的節點，將納入到企業整合信息化的管理中，實時、準確、自動地為整個信息系統提供及時、有效、真實的數據，以實現管理層與執行層信息的交流和協同工作。

數據采集系統(又稱MDC系統)就是廣義DNC系統的延伸。采用MDC網絡系統進行生產設備的聯網，并構建一個車間生產現場綜合數據交換平臺，包括設備狀態采集、車間工況數據采集和生產數據交換功能等內容，其數據采集軟件、工況數據采集器可以最大程度地采集滿足生產管理所需的工況數據，實現生產、管理所需的數據、工夾具裝備等資源信息的共享，它在整個制造過程環節中承擔著支撐平臺的作用，是構建智能制造的基石。

整個智能工廠的總體架構如圖3所示。

由上述智能制造的總體框架圖可明顯看出MDC系統在其中的作用與地位。MDC網絡系統的應用可以最大限度地壓縮輔助工時、基本消除生產設備的待機和停機時間，從而改善設備的利用率。MDC網絡系統可以解決不同種類、不同年代、不同品牌的生產設備的聯網集成，是消除“信息孤島”實現企業信息化建設中生產過程數字化、智能化的有效工具。

3　現場數據采集的方式及內容

在生產現場，需要采集的信息類型主要包括人、機、料、法、環等如下幾種：

①人員數據：人員編碼，排班情況，上下班情況等。

②設備數據：設備各種狀態，運行參數等。

③工裝數據：工裝編碼，工裝狀態，刀具壽命，刀補參數等。

④物料信息：物料編碼、位置、狀態等。

⑤生產數據：任務單號，產成品數，各類生產過程信息等。

⑥質量數據：各種檢驗(首檢，序檢，終檢)結果信息。

工單信息、人員信息和物料信息等更多地可以通過條碼掃描、刷卡、RFID等方式來采集，簡單直接，而設備信息除了本身的各種狀態外，還包括各類運行參數信息，以及大量的控制信息，非常復雜。工裝也可以歸結為設備，質量數據也越來越依據高精度的檢測設備來完成，所以，在現場數據采集中的最大量的工作就是對設備的各種相關信息的采集。

應該說，在生產現場有各種各樣的生產及其輔助設備，如各類機加設備(車床、銑床、加工中心)，各類檢驗檢測設備，下料設備，沖壓設備，運輸設備，焊接設備，電子板卡類生產設備(SMT、貼片、層壓、絲網、點膠等)，高溫爐設備，存儲設備(各式貨架、立體庫)等等，所有這些設備的通訊接口形態，通訊協議類型等各不相同，為了滿足所有這些設備的信息采集，就需要根據具體形態開發對應的通訊協議。

生產現場的信息采集方式多種多樣，比較常用的主要有以下幾種方式：

3.1TCP/IP協議的以太網模式

隨著技術的發展，數控設備配置以太網功能已是大勢所趨，而以太網方式的信息采集內容更加豐富，甚至可以做到遠程控制，是未來CNC的發展方向。目前各主要數控系統廠商，如FANUC、西門子、HEIDENHAIN、MAZAK、三菱、大隈、FIDIA等均配備了局域網口，并提供了大量與其他系統方便集成的接口，據此可開發出如下功能。

3.1.1設備加工信息實時采集

通過局域網卡式的MDC網絡，可以實時采集數控設備程序運行的開始/結束信息、設備運行狀態信息(斷電、開機、運行、空閑、報警等)、系統狀態信息(編輯、手動、運行、MDI等)，設備所有報警信息(設備錯誤、系統錯誤、操作提示等)、程序運行內容(程序號信息、程序段信息、各種坐標值數據)、操作履歷數據、刀具/設備參數表、設備的實時坐標信息、主軸功率、進給、倍率、轉速等。

3.1.2數控設備的加工限制

通過對數控設備的某些異常加工行為的及時限制，從事后檢查處理上升到事先預防，車間管理得到本質提高，此功能對生產加工、設備安全、質量控制有很大的幫助。

(1)數控設備的程序限制編輯

通過DNC網絡，鎖定設備上的程序編輯功能，無論設備端的程序寫保護是否啟用，DNC網絡實時監控數控系統中的程序變化，發現非法修改情況，立刻鎖住設備，防止非法加工。

(2)數控設備的加工倍率限制隨意修改

通過DNC網絡，鎖定設備上的倍率開關，DNC網絡實時監控數控系統的倍率開關的變化，發現非法修改情況(超出倍率變化范圍)，立刻鎖住設備，防止非法加工。

(3)數控設備的強制換刀

通過DNC網絡，可以限制刀具的超壽命使用，當DNC系統檢測到刀具的使用壽命超過系統的設置數值，而操作工沒有更換刀具，DNC系統立刻鎖住數控設備。

(4)數控設備的限制加工

通過DNC系統，可以限制工件不良品的加工，將DNC與SPC(質量管理系統)聯網(如三坐標測量機)，當DNC系統檢測到某一個尺寸超過了系統的設置值時或有尺寸不良趨勢時，DNC系統立刻鎖住數控設備，以防止批量不良。

3.2普通以太網模式

除了上述具備以太網開發包的數控設備外，在現場還有大量采用Windows 操作系統帶以太網接口的設備，但沒有給第三方軟件開發商提供開發接口，如大量的激光切割機，高精尖的檢驗檢測設備(三坐標，氣動量儀等)等，這些設備可以通過網絡傳輸生產需求的各類文檔(如NC程序，設計圖紙，生產任務信息等)，也可以及時傳輸檢驗檢測報告，方便進行SPC質量控制。這其中還有些設備已經將各種狀態信息、運行參數信息實時保存到本地數據庫中，如自動立體庫，生產線監控系統等，我們可以很方便地與數據庫進行集成即可滿足實時采集要求。

對于這類設備需要根據設備的具體接口、工作形態等方面隨機應變，盡可能簡單、快捷地提取到設備的各類狀態及運行參數信息。

3.3數據采集卡

此方法與生產設備的控制系統類型無關，只要能與生產設備的相關I/O點、對應的傳感器能連接上，采用專用的采集卡即可采集到相關加工信息。目前可以采集的內容有：設備上電、設備斷電、運行加工開始、加工結束、設備故障以及設備的各種運行參數，如：主軸功率，各種壓力、扭力、溫度等信息。

此種方式適用系統為無串口以及無局域網絡設備，目前主要有如下兩種方式：

(1)開關量采集卡：主要采集設備的開關機，運行的開始、結束、報警等信息。

(2)模擬量采集卡：主要采集設備主軸功率、溫度、壓力等模擬量。

目前市面上也出現了同時具備采集設備I/O點信息和各類模擬量信息的混合型采集卡。

3.4組態軟件采集

對于非數控類的采用PLC控制類的設備可以采用組態軟件(比如：組態王，力控組態，海得組態等均可)來直接讀取PLC中的相關信息，包括PLC中保存的各種狀態的I/O點信息和模擬量信息(如溫度，壓力等，只要PLC中保存了即可)，只要將讀取的這些I/O點信息和模擬量信息存入我們設計好的數據庫中。如圖4所示。

組態軟件是在工業自動化領域興起的一種新型的軟件開發工具，開發人員通常不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態軟件包中的工具，通過硬件組態(硬件配置)、數據組態、圖形圖像組態等工作即可完成所需應用軟件的開發工作。組態軟件通過串口或網口與需要采集設備的PLC相連，采用計算機采集、處理數據，可實時輸出各種曲線，從而提高了設備的監控效果。

綜合考慮，組態方式采集具有投入硬件少，連接方便，穩定可靠，以及適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點，針對工控應用來說是性價比最高的。

根據自動采集方式的差異，分別實現如表1所示功能。

3.5RFID方式

通過RFID來采集人員、物料、設備、工裝等的編碼、位置、狀態信息，有些類似于條碼掃描方式，需要在人員、物料、設備、工裝上綁定RFID芯片。此類方法簡單直接，但前提條件是我們事先需要將此類信息寫入RFID中。目前我們在人員、物料、刀具上開始嘗試使用此類方式，效果良好。

3.6人工輔助方式

對于很多非自動化設備或某些自動化設備不具備自動信息采集功能的條件下，可以采用手工填表、條碼掃描儀、手持終端等模式實現。

人工輔助方式采集雖然由于人工的介入，不可避免會帶入人為誤差，還會影響數據的客觀性，在數據的實時性和準確性上均有缺陷，但它非常靈活方便。這種方式在數據的豐富性、適應性上是自動采集所無法比擬的，彌補了自動采集的相關不足，是自動采集必要的補充，二者相輔相成。

(1)手工填表

填表設備既可以使用專用的設備，也可以使用普通PC+軟件的方式(即常說的HMI方式)實現，此時需要在車間放置若干采集終端，可以一臺設備放置一個終端(簡稱MES終端)，也可以幾臺設備共用一臺，建議此時計算機的配置可以不是很高，但建議采用工控機，防塵、防干擾、抗高溫等。

(2)條碼掃描

采用條碼掃描儀時，可以將常用采集信息打印在一個條碼模版上，條碼掃描儀掃描的信息通過串口輸出到DNC服務端。如圖5是條碼掃描模板樣例。

表1自動采集方式可實現的功能

通訊采集方式功能要求業務描述備注組態軟件設備狀態關機、空閑、加工、故障運行參數只要PLC中有此信息即可采集。各類開關量信息:如開關切削液,換刀,開關門等。各類模擬量信息:如溫度,壓力,主軸負載(通過主軸負載最大值判斷超負荷運轉)等。報警信息報警:故障號,故障信息所有帶PLC的工控設備均可采用此方式,前提條件是明白PLC中各位置的含義。高溫爐,機器人,各類高精度的儀器儀表等均可。采集模塊設備狀態關機、空閑、加工、故障運行參數各類開關量信息:如開關切削液,換刀,開關門等。各類模擬量信息:如溫度,壓力,主軸負載(通過主軸負載最大值判斷超負荷運轉)等。報警信息報警(無報警號)適合特殊的無串口和局域網系統,如焊機、沖壓機、機器人、切割機。網絡采集設備狀態關機、空閑、加工、故障加工狀態加工件數、位置坐標值、主軸負載、主軸轉速、進給速度、倍率、刀具號、NC程序名、當前加工程序段……CNC狀態EDIT、MDI、MEM、HANDLE、FREE……報警信息報警(有報警號)遠程監控遠程讀取、設置設備的各類配置參數、異常狀態時智能鎖機(如編輯鎖機,參數鎖機,倍率過大鎖機,質量不良鎖機,異常待機鎖機等)適合采用網絡支持的設備,該方案采集到的數據最為齊全,如FANUC0iHEIDENHAINi530FIDIA西門子840DMAZAK三菱OKUMA…

(3)手持終端、手機上報

也可以采用移動手持終端、手機來采集上報，目前可以支持安卓和MOBIL兩種系統。

特別是采用手機方式，可以靈活地應用手機的拍照、條碼掃描、移動通訊等多種優勢，可及時、有效地反饋現場的各種過程化信息，應該會是現場手動采集的一個發展潮流。

應該說，采用手動上報的方式，上報的內容可以是多種多樣的，對于所有生產過程化信息均可上報，如：操作工編號、待機原因、合格品數量、工單信息、不良品原因、圖片和數量、故障原因、各類支持請求(如：維修請求，上料請求，搬運請求，檢驗請求，程序下載等)、各類支持開始和結束(如：維修開始、結束；調機開始、結束；檢驗開始、結束；上料開始、結束)。

利用上述采集到的各種生產現場數據，可以進行多種查詢、統計分析。篇幅關系，在此就不一一展開說明了。

4　數據采集在智能制造中的應用

應該說，綜合采用上述各種采集方法，在現代智能工廠中可以為上層ERP、中間層MES系統提供及時、詳盡的現場信息，為生產決策、計劃調度等提供可靠的依據。下面以MDC系統在無錫貝斯特智能工廠為例說明其應用。

無錫貝斯特智能工廠是江蘇省支持的智能工廠樣板工程，目前在建第三期，筆者承擔的是第二期工程，主要內容是：

項目場地：貝斯特三期新工廠制造二部 2 號廠房內的葉輪車間及 4 號廠房中間殼車間，以及涉及到的配套中控機房等基礎設施安裝場地，如表2、表3。

表2現有自動單元情況

車間生產線工序主要設備CNC系統套數4號車間中間殼桁架線前道雙主軸車床,三軸加工中心SIEMENS34號車間中間殼關節線前道雙主軸車床,加工中心三菱14號車間去毛刺后道去毛刺機器人三菱12號車間葉輪關節線全工序雙主軸車床,五軸加工中心三菱2

表3新上自動單元情況

車間生產線工序主要設備CNC系統套數4號車間中間殼桁架線前道雙主軸車床三軸加工中心SIEMENS(運動控制)34號車間中間殼關節線前道雙主軸車床,加工中心SIEMENS(運動控制)24號車間去毛刺后道去毛刺機器人FANUC12號車間葉輪關節線全工序雙主軸車床五軸加工中心SIEMENS2

二期項目的主要內容：通過組態軟件及其它采集手段，將 PLC 和 DCS 主控制器的狀態信息、運行參數信息采集上來，并進行各類統計分析，投放到中控室的監控大屏上，以實現操作無人化，管理少人化的目標(在目前人員配備的基礎上，能夠最大程度地縮減現場人員)。

當然，在自動化、智能化的基礎上，不摒棄人員的參與。人工作為系統功能實現的一部分，在足夠充分的信息基礎上，系統提供必要防錯功能的保護下，人工開展生產運營工作。實現包含人的“自動化”，而不是不包含人的“自動化”，通過系統功能的技術手段必須做到閉環控制，確保人的參與和系統同樣可靠。

整個系統的體系架構如圖6所示，涉及到的各子系統的關系如圖7所示。

中央監控室的模擬效果圖如圖8所示。

5　數據采集未來發展方向

數據采集是實現數字化、智能制造的基礎，只有完美解決了底層設備的實時采集問題才能實現智能化程度高的生產管控。為此，筆者預計在未來的幾年內，數據采集將向如下幾個方向發展：

(1)統一的通訊協議平臺

目前數據采集的最大難點就是底層設備的通訊方式、協議的千差萬別，相互之間還互相保密，互不兼容。未來幾年內，隨著通訊協議的標準化推進，相信各底層設備將采用統一規范的通訊協議(如OPC協議)，該協議對于第三方開發商來說都是透明的，廣大的第三方開發商可以為客戶開發出大量的APP來滿足用戶各種個性化的需求。

(2)移動式應用平臺

象上面所描述的手機APP在信息上報中的應用只是這種應用的開端，更多的手機APP將應用于現場生產管理，同時，設備本身的智能化也大步提高，可通過GPS或北斗定位系統實時將自身的狀態、運行參數發布到遠程監控中心，未來將開發出更多的移動式應用來遠程監控各種生產設備，實現遠程診斷、遠程維護。

(3)大數據分析的引入

隨著采集數據的規模、范圍的不斷擴大，采集數據的容量也在飛速擴展，如何從現有數據中挖掘出有價值的內容就成為必然，大數據分析的深入應用也就順理成章，大數據分析的結果將作為設備能效智能優化、業務智能重構提供有力的支撐，從而進一步推動智能制造的發展步伐。

6　結語

總之，在當前的形勢下，大力發展基礎設備的信息采集，將是我國制造業邁向數字化、智能化的基礎，也只有把底層設備的信息采集問題進行了很好的解決，邁向智能化的腳步才能更加穩固扎實，也希望廣大制造業企業充分認識到這一點，先從解決底層信息的采集開始，逐步掌控底層設備的狀態，積累底層設備的運行參數，逐步找到企業的生產管理瓶頸，從而找到徹底的解決之法，將企業的生產管理推進到一個新的高度。

(編輯李靜)

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Application of field data acquisition in intelligent manufacturing system

ZHOU Benhua①, WU Xuguang②, GUO Peilong③, HUANG Xiangxing④

(①Beijing Integ-Forever Technology Co.,Ltd., Beijing 100102, CHN;②Hebei Communications Administration, Shijiazhuang 050065, CHN)

This paper provides a detailed introduction to the content and methods in the field machining data collect system(MDC). And we illustrates the applications and effects of this system in intelligent manufacturing systems(IMS)by specific cases, explaining the importance of MDC in the modern manufacturing environment. This study also points out some possible developments of the MDC.

intelligent manufacturing;collecting data; LAN;big data analysis

TN919

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.002

2016-03-01)

160618