基于SUB-GHz無線通信技術(shù)的車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

莫哲萌，鮑 敏*，章近達(dá)，何康余

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州名北拓科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

國家確定了通過信息化帶動工業(yè)化的國策，推動制造企業(yè)實(shí)施制造業(yè)信息化[1]。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是面向車間層的管理信息系統(tǒng)，是企業(yè)信息化中必不可少的環(huán)節(jié)。而采集車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)是則是執(zhí)行制造系統(tǒng)底層的基礎(chǔ)系統(tǒng)，擁有性能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)對于企業(yè)信息化升級的實(shí)施具有關(guān)鍵作用[2-3]。

由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)是MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)得到了廣泛的研究。曹偉等[4]基于離散制造車間的特點(diǎn)，提出一種基于無線射頻識別技術(shù)的離散制造車間實(shí)時數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控方法，并開發(fā)了原型系統(tǒng)；任工昌等[5]提出一種基于RFID和OPC技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方法及通信網(wǎng)絡(luò)集成方案，實(shí)現(xiàn)了上層與車間高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸；魯瑤瑤等[6-7]針對國內(nèi)某壓鑄企業(yè)信息滯后的問題，設(shè)計(jì)出一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)及Qt_Embedded的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，有效提高了企業(yè)信息管理水平。

浙江衢州某大型軸承制造企業(yè)，車間占地面積大，共有240條產(chǎn)線，采集點(diǎn)數(shù)量多分布廣。當(dāng)前產(chǎn)能及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)皆由人工統(tǒng)計(jì)及匯報，工作量較大，容易出錯，實(shí)時性欠佳。因此，企業(yè)希望系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自動統(tǒng)計(jì)匯總產(chǎn)能情況，將采集到的產(chǎn)能信息以現(xiàn)場看板的形式展示于車間內(nèi)部，設(shè)置匯總看板供管理人員掌握實(shí)時產(chǎn)能情況，作出相應(yīng)生產(chǎn)調(diào)整。同時，企業(yè)希望也能通過電腦及手機(jī)等終端設(shè)備訪問查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，以便高層管理人員能更快捷地了解當(dāng)前生產(chǎn)情況。

本文根據(jù)企業(yè)要求，搭建無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)現(xiàn)場生產(chǎn)看板及配套Web服務(wù)器。

1 技術(shù)方案選擇

工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸通信方式可分為有線和無線兩種[8]。將無線技術(shù)引入工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，可以解決某些不便布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問題，克服有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩和維護(hù)困難的缺點(diǎn)，提高采集系統(tǒng)的適應(yīng)性[9]。故本次選擇無線通信作為基本傳輸通信方式。

現(xiàn)在主流的無線傳輸方案中WiFi、Zigbee以及SUB-GHz都是候選技術(shù)。它們有著不同的優(yōu)點(diǎn)和劣勢。對于本文目標(biāo)企業(yè)，廠區(qū)分布廣，單個廠房占地面積大，生產(chǎn)設(shè)備擺放相對分散且難以移動，導(dǎo)致采集點(diǎn)數(shù)量多、分布廣。在這種情況下，WiFi通訊距離有限，穿墻能力弱，遠(yuǎn)距離傳輸需要布置中繼放大器，且WiFi功耗較大，需要在車間內(nèi)布置電源接入點(diǎn)，布置實(shí)施成本高。而對于Zigbee，功耗較小，但穿墻能力及傳輸距離仍舊不足，遠(yuǎn)距離通信情況下也需要布置中繼節(jié)點(diǎn)。在采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，覆蓋范圍小；采用樹形結(jié)構(gòu)時，單一節(jié)點(diǎn)的故障將影響關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量多的情況下穩(wěn)定性欠佳；而對于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加會加大通信開銷，需要復(fù)雜的軟件程序支持，才能獲得較強(qiáng)的性能與可靠性[10-14]。

SUB-GHz是指頻率在1GHz以下的無線通信技術(shù)[15-16]。相對于2.4GHz上的WIFI，Zigbee等，有著更少的干擾，更大的覆蓋范圍，更強(qiáng)穿墻能力，同時能保證較低的功耗。在要求大范圍覆蓋的場景下，不需要額外的硬件支持，或是搭建復(fù)雜的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證了較低的搭建成本。因此，對于當(dāng)前考察到企業(yè)的實(shí)際情況，SUB-GHz在保證了一定的傳輸速度及穩(wěn)定性的前提下，提供了最廣的覆蓋范圍，同時保證了較低的成本，是最佳的選擇。

針對企業(yè)外部訪問數(shù)據(jù)的訴求，考慮到開發(fā)成本，以及多端訪問的要求，本研究選擇基于B/S模式。

因此，本文在底層現(xiàn)場采集上選擇了基于SUB-GHz通信的無線開關(guān)量計(jì)數(shù)器及無線網(wǎng)關(guān)，服務(wù)端采用Python腳本語言整理數(shù)據(jù)并儲存至數(shù)據(jù)庫，前端采用現(xiàn)場看板及Web網(wǎng)頁應(yīng)用兩種展示形式，搭建了一個完整的車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 采集設(shè)備的選型與驗(yàn)證

本文選用基于SUB-GHz的MBT4050-C6-SP03無線開關(guān)量計(jì)數(shù)器作為采集設(shè)備，通信頻率433 MHz，通信距離可達(dá)1 500 M，運(yùn)行功耗0.3 W，工作電壓DC12 V，可由機(jī)床直接取電，搭配FZ110SP03無線網(wǎng)關(guān)作為星形架構(gòu)中的AP設(shè)備，每臺最多可鏈接32個開關(guān)量采集器，滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

每臺采集器有6路開關(guān)量干/濕節(jié)點(diǎn)，3路計(jì)數(shù)器通道。采集器與網(wǎng)關(guān)之間采用Modbus通信協(xié)議通信。開關(guān)量采集器掛至機(jī)床配電箱外部，直接從配電箱取電，節(jié)點(diǎn)與機(jī)床現(xiàn)有PLC相連。無線網(wǎng)關(guān)布置于車間2樓機(jī)房，每臺網(wǎng)關(guān)下接20臺采集器，網(wǎng)關(guān)將其下采集器數(shù)據(jù)匯總后，上傳至數(shù)據(jù)采集PC處理。由于現(xiàn)場傳輸?shù)亩际抢^電器的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，且網(wǎng)關(guān)之上采用以太網(wǎng)通訊，同時網(wǎng)關(guān)輪詢間隔設(shè)置為0.5 s，即使是微型軸承加工周期也在1 s～2 s左右，因此，可以滿足通訊需要。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試，在各終端啟動時間同步之后，根據(jù)數(shù)據(jù)時間戳對比，通訊延遲大致在1 ms～8 ms之間，通信效果良好。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

采集軟件主要需要實(shí)現(xiàn)以下幾個功能：(1)顯示實(shí)時產(chǎn)能及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)同步至數(shù)據(jù)庫；(2)對采集上來計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)按所屬產(chǎn)線分別累加，并按班次生成歷史記錄儲存于歷史數(shù)據(jù)庫中；(3)實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場看板的展示；(4)實(shí)現(xiàn)云端Web服務(wù)器，可由移動設(shè)備訪問查看。

用Python語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集腳本的處理流程，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

其中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要考慮將實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)分開儲存，分別為實(shí)時展示與后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)，方便后續(xù)服務(wù)調(diào)用，同時將讀寫壓力分散到多張數(shù)據(jù)表，降低數(shù)據(jù)庫延遲。

bcnow表為實(shí)時數(shù)據(jù)表，主要記錄了產(chǎn)線名稱，班次信息，設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)前產(chǎn)量，更新時間等數(shù)據(jù)。其字段詳情如表1所示。

bchistory表為歷史數(shù)據(jù)表，記錄著班次號，本班開始，結(jié)束時間，本班總產(chǎn)量，同時記錄了一個班次內(nèi)，產(chǎn)線每種運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)時間，以及每小時的平均產(chǎn)量。其字段詳情如表2所示。

表1 bcnow實(shí)時數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

表2 bchistory歷史數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

每當(dāng)一個班次結(jié)束，每條產(chǎn)線實(shí)時數(shù)據(jù)停止記錄，并自動生成一條歷史數(shù)據(jù)，確認(rèn)歷史數(shù)據(jù)儲存成功后，開始下一個班次生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄。

關(guān)于數(shù)據(jù)展示方面，車間現(xiàn)場展示看板之一如圖3所示。

圖3 車間現(xiàn)場看板

看板模塊基于Python PyQt開發(fā)，包括產(chǎn)線實(shí)時進(jìn)度看板，產(chǎn)線比對看板等多塊看板。看板掛置于每條生產(chǎn)線頭部，數(shù)據(jù)每2 s刷新，保證數(shù)據(jù)實(shí)時性。產(chǎn)線實(shí)時進(jìn)度看板可實(shí)時展示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)能、生產(chǎn)進(jìn)度等信息。產(chǎn)線比對看板可按選擇展示多條產(chǎn)線的生產(chǎn)完成情況，以及每條產(chǎn)線的平局產(chǎn)量。

Web網(wǎng)頁界面如圖4所示。

Web服務(wù)器基于Flask框架開發(fā)，F(xiàn)lask是由Python實(shí)現(xiàn)的輕型web框架，可以讓開發(fā)者專注于系統(tǒng)邏輯，快速實(shí)現(xiàn)Web應(yīng)用[15]。Web應(yīng)用架設(shè)于云服務(wù)器，減輕了企業(yè)的硬件維護(hù)成本。整個Web系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)查看當(dāng)前所有采集節(jié)點(diǎn)工作情況，查詢歷史產(chǎn)能數(shù)據(jù)等功能，并能在電腦、手機(jī)等多端進(jìn)行訪問。同時考慮到數(shù)據(jù)安全，Web系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶權(quán)限模塊，針對不同權(quán)限級別的用戶，開放不同的數(shù)據(jù)訪問接口。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)某軸承制造企業(yè)信息化升級的要求，選定了SUB-GHz作為無線采集系統(tǒng)的通信方案，搭建了完整的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了現(xiàn)場生產(chǎn)看板，及配套web服務(wù)器。

目前，系統(tǒng)已在目標(biāo)企業(yè)小規(guī)模上線使用，通過對當(dāng)前企業(yè)實(shí)際運(yùn)行情況分析，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大大減輕了過去人工統(tǒng)計(jì)匯總的工作量，能完成實(shí)時產(chǎn)能的匯總。整套系統(tǒng)基本滿足了企業(yè)信息化升級要求。

后續(xù)可以考慮增加采集數(shù)據(jù)種類，加大采集范圍，擴(kuò)展Web系統(tǒng)的功能，并對累計(jì)儲存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算OEE(設(shè)備綜合效率)等，通過對效率損失的分析及對應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)整，解決影響設(shè)備效率的因素，以降低過程損失和成本。

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