數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能管理探究

朱建培

摘? 要：數(shù)字化車間生產(chǎn)是制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。以現(xiàn)階段制造企業(yè)工作情況為依據(jù)，結(jié)合近年來企業(yè)制造車間生產(chǎn)現(xiàn)狀，明確新時代發(fā)展下制造企業(yè)提出的各項要求，分析如何設(shè)計數(shù)據(jù)采集和智能管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架，以此為提高企業(yè)生產(chǎn)車間管理水平奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;車間生產(chǎn);數(shù)據(jù)采集;智能管理

中圖分類號：TP274.2? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0187-02

Abstract： Digital workshop production is the inevitable trend of the development of manufacturing enterprises. Based on the working situation of the manufacturing enterprises at the present stage， combined with the current production situation of the manufacturing workshop in recent years， this paper defines the requirements put forward by the manufacturing enterprises under the development of the new era， and analyzes how to design the overall framework of the data acquisition and intelligent management system， in order to lay the foundation for improving the management level of enterprise production workshop.

Keywords： digitization; workshop production; data collection; intelligent management

在新時代下，隨著現(xiàn)代化技術(shù)水平的持續(xù)提高，促使制造業(yè)開始向著現(xiàn)代化、信息化及數(shù)字化的方向革新。構(gòu)建數(shù)字化車間作為制造企業(yè)革新發(fā)展的重要舉措，不僅能實時收集車間制造期間的數(shù)據(jù)信息，而且可以對車間生產(chǎn)制造過程進行智能化管理。通過當前數(shù)字化車間生產(chǎn)情況可知，不管是數(shù)據(jù)采集還是智能管理都沒有達到預期效果，雖然從思想意識上轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)工作模式，但實際工作依舊存在缺陷。因此，下面對數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能管理進行分析。

1 數(shù)字化車間的概述

簡單來講，數(shù)字化車間會以產(chǎn)品整體生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在計算機技術(shù)輔助下構(gòu)建虛擬的工作環(huán)境，對實際生產(chǎn)過程實施仿真、評估及優(yōu)化等操作，屬于一種新型的生產(chǎn)方式。將其運用到制造生產(chǎn)工作中，不僅能讓制造企業(yè)在虛擬環(huán)境中多次模擬產(chǎn)品生產(chǎn)過程，確保實際生產(chǎn)工作有序落實，而且可以保障生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量安全[1]。

2 目前企業(yè)制造車間生產(chǎn)情況分析

在制造企業(yè)革新發(fā)展中，不管是生產(chǎn)應用技術(shù)還是實際管理水平都得到了提升，此時企業(yè)要想提高自身在社會發(fā)展中占據(jù)的地位，必須要增加生產(chǎn)車間的投資力度。隨著MES、ERP等信息管理系統(tǒng)的大范圍推廣，車間生產(chǎn)需求信息量越來越高。為了全面管控企業(yè)車間生產(chǎn)過程，必須要保障制造階段數(shù)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)可以實時采集和傳遞，并實現(xiàn)真正意義上的智能管理。但了解現(xiàn)如今制造企業(yè)運行情況可知，其主要面臨以下幾點問題：第一，沒有統(tǒng)一管理。現(xiàn)如今只有少部分機床具備通信功能，且方便員工進行數(shù)據(jù)采集，而其他很多數(shù)控設(shè)備都沒有這一功能，不僅無法與計算機系統(tǒng)連接，而且會影響加工生產(chǎn)工作的監(jiān)管效率。第二，沒有統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)[2]。要想引導制造企業(yè)向著數(shù)字化和現(xiàn)代化方向發(fā)展，必須要先提高數(shù)據(jù)采集水平，確保車間應用各類設(shè)備可以在聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上快速收集數(shù)據(jù)信息。但目前機械設(shè)備只有串口服務器采集數(shù)據(jù)的功能，不僅成本支出高，而且實際操作不靈活。第三，無法監(jiān)管設(shè)備狀態(tài)。在工作狀態(tài)下，員工無法及時掌控數(shù)控機床的信息數(shù)據(jù)，如故障、加工質(zhì)量等，這樣不僅無法提高設(shè)備工作效率，而且會影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

3 數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析及管理需求

3.1 數(shù)據(jù)分析

通過了解當前制造企業(yè)車間的工作情況可知，由于包含數(shù)據(jù)類型較多，所以選擇采集方式存在差異，且需要對它們進行分類采集與管理。一般來講，車間制造數(shù)據(jù)主要分為以下幾種：第一，靜態(tài)。這類數(shù)據(jù)通常不會產(chǎn)生變化，如物料信息、產(chǎn)品名稱及人員信息等;第二，動態(tài)。這類信息會跟隨制造過程而改變，屬于必須要及時采集的內(nèi)容，如加工情況、計劃進度等;第三，中間。這類信息是指在處理其它兩種數(shù)據(jù)后獲取的數(shù)據(jù)，可以為之后的制造數(shù)據(jù)引用提供依據(jù)。

3.2 管理需求

通過了解制造企業(yè)發(fā)展目標，明確現(xiàn)場生產(chǎn)要求，智能管理系統(tǒng)必須要對制造過程數(shù)控設(shè)備工作情況進行全方位管控，并認真收集加工期間的數(shù)據(jù)信息，而后和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)共享應用。一般來講，管理系統(tǒng)功能需求主要體現(xiàn)在以下幾點：第一，有效連接計算機平臺和車間數(shù)控設(shè)備，有助于提高制造企業(yè)車間數(shù)控設(shè)備的管理水平;第二，實時收集與數(shù)控設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如開關(guān)機、報警情況及故障信息等;第三，監(jiān)管數(shù)控機床運行情況，確保車間生產(chǎn)工作可以高效進行;第四，統(tǒng)計研究與數(shù)控機床工作情況有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，促使車間管理人員可以由此提出準確的管理決策;第五，如果數(shù)控設(shè)備提出警告，必須要通過系統(tǒng)研究故障所在位置、類型及次數(shù)、時間等信息，并將有價值的內(nèi)容提供給管理人員，確保他們可以及時提出有效的處理措施[3]。

4 數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

分析數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)管理需求可知，離散制造車間的數(shù)控機床具有異構(gòu)性，因此在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，要結(jié)合分布式采集集中式管理的方式進行實踐工作。這樣不僅能更好處理不同類型的數(shù)控機械，而且可以為各崗位員工提供共享信息。其中，分布式采集需要根據(jù)不同型號的數(shù)控機床提出具有針對性的采集方式，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效采集;而集中式管理需要從PC端和服務器入手，采集系統(tǒng)主要接收不同類型的機床數(shù)據(jù)，并將其儲備到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，而智能管理軟件可以在研究系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息時，將它們呈現(xiàn)到PC端，促使企業(yè)管理決策擁有及時且有效的信息依據(jù)。一般來講，數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計主要分為三方面：

4.1 車間層

其中包含了串口機床、普通機床及采集器等內(nèi)容，主要用于采集、識別和監(jiān)管數(shù)控機床數(shù)據(jù)。這一層屬于架構(gòu)體系的最底端，是整體系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)內(nèi)容。數(shù)控機床作為數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場的基礎(chǔ)設(shè)備，大部分離散制造車間都要采集如下數(shù)據(jù)：第一，機床的開關(guān)機;第二，機床運行狀態(tài);第二，零件加工情況[4]。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸與儲存層

其中包含數(shù)據(jù)庫服務器和Web Socket服務器，主要用于傳遞、儲備及研究采集數(shù)據(jù)。這一層會接收車間層的設(shè)備信息，為車間層和管理層的信息傳遞提供平臺，不僅能處理兩層信息交流難題，而且可以保障系統(tǒng)運行效率。在處理數(shù)據(jù)時，按照功能劃分可以分為兩大模塊，其一為數(shù)據(jù)采集服務模塊，其二為數(shù)據(jù)庫服務模塊。通過連接前者和車間層，并結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)為制造車間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)平臺，將Mod bus協(xié)議看作后者與車間層傳遞數(shù)據(jù)的有效依據(jù)。并將采集數(shù)據(jù)在有效處理后儲備到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，有助于向管理層提供有效依據(jù)。

4.3 管理層

其中包含了可視化顯示、智能監(jiān)控及科學統(tǒng)計報表等功能。上層管理系統(tǒng)可以運用Web Socket服務器接收車間層提供的采集數(shù)據(jù)，促使軟件前端和數(shù)據(jù)庫服務器實現(xiàn)信息交互。同時，處理后的數(shù)據(jù)可以按照用戶需求及時呈現(xiàn)到屏幕上，促使管理人員可以在數(shù)據(jù)引導下提出有效決策。同時，數(shù)據(jù)處理層服務器軟件與車間硬件層會在工業(yè)以太網(wǎng)的引導下傳遞所需數(shù)據(jù)，且只需在服務器中安裝管理層客戶端軟件，此時客戶不僅能遠程操控、訪問網(wǎng)絡(luò)平臺，而且可以獲取及時數(shù)據(jù)。需要注意的是，車間制造過程的數(shù)據(jù)儲存必須要具備嚴密性，因此在構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)時，只有企業(yè)內(nèi)部人員在車間局域網(wǎng)中按照規(guī)定要求進行訪問，才能獲取所需內(nèi)容。這樣不僅可以保障數(shù)據(jù)的安全性，而且可以及時掌控數(shù)控機床的工作情況。

5 智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

了解當前數(shù)字化車間生產(chǎn)情況可知，每臺數(shù)控機床都會在網(wǎng)絡(luò)布線中設(shè)計RJ45網(wǎng)口。針對現(xiàn)如今不同類型的機床設(shè)備，可以選擇的信息采集方式有：第一，基于電氣電路信號;第二，基于串口宏指令;第三，基于DNC網(wǎng)口，最終將在交換機的引導下傳遞到數(shù)據(jù)服務器層。

數(shù)據(jù)管理服務器作為整體系統(tǒng)運行的關(guān)鍵內(nèi)容，不僅能與機床、采集器等進行實時交互，而且可以進行數(shù)據(jù)處理、儲存等工作。其中，數(shù)據(jù)服務器和車間設(shè)備在傳遞信息時會基于Mod bus協(xié)議進行操作。

而客服端軟件需要向數(shù)據(jù)庫服務器提出請求，只有這樣才能實時管控數(shù)控設(shè)備工作情況，并查閱不同階段的數(shù)據(jù)信息，同時也能對企業(yè)系統(tǒng)、機床設(shè)備及員工等進行信息管控，修改、刪除或調(diào)查機床基本數(shù)據(jù)。這一軟件需要基于Web Socket服務器提供的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行工作，在獲取車間層提供實時數(shù)據(jù)后，將其傳遞到數(shù)據(jù)庫服務器中，最終實現(xiàn)真正意義上的實時監(jiān)管。除此之外，智能管理系統(tǒng)也具備Internet網(wǎng)絡(luò)管理服務，制造企業(yè)管理人員可以根據(jù)用戶名和密碼進入系統(tǒng)內(nèi)部，這樣不僅能及時了解數(shù)控機床設(shè)備運行情況，而且可以隨時發(fā)現(xiàn)潛藏安全問題。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平持續(xù)提高，有關(guān)軟件系統(tǒng)架構(gòu)模式越來越多，如客戶機/服務端（C/S）和瀏覽器/服務器（B/S）這兩種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)如今市場中的應用非常多，不僅各有優(yōu)勢，而且應用價值極高。所以在設(shè)計數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場智能管理系統(tǒng)時，會從開發(fā)維護、硬件投資及企業(yè)未來發(fā)展等多個角度入手進行研究，最終發(fā)現(xiàn)B/S系統(tǒng)開發(fā)更具有優(yōu)勢，不僅能實現(xiàn)運用瀏覽器進行遠程監(jiān)控，而且可以實時呈現(xiàn)處理后的數(shù)據(jù)信息，確保企業(yè)管理人員可以提出準確且完善的發(fā)展決策[5]。

6 結(jié)束語

綜上所述，面對制造企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場涌現(xiàn)出的各類問題，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)架構(gòu)，不僅能突破傳統(tǒng)管理模式的制約，而且可以提高實際生產(chǎn)加工水平。因此，在新時代下，企業(yè)行業(yè)必須要加大對數(shù)字化車間生產(chǎn)工作的探索力度，注重結(jié)合以往工作經(jīng)驗，科學引用現(xiàn)代化技術(shù)理念，只有這樣才能提出更加適宜的技術(shù)架構(gòu)，并由此促進我國制造業(yè)發(fā)展步伐。

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