基于工業互聯網的數控機床數據采集平臺應用研究

賀 娟

（貴州裝備制造職業學院，貴州 清鎮 551400）

0 引言

作為工業化生產轉型升級的重要抓手,工業互聯網在制造業中的應用已經成為我國現代化工業對標世界經濟,形成競爭合力的橋梁。 工業互聯網技術在各個制造領域生態圈的落地,成為全產業鏈條中不可或缺的重要信息化支撐,也在疏通信息“堵點”,貫穿工業生產全域發揮著不可替代的作用。 數控機床作為工業化進程的基礎,其信息化、數字化水平直接關系著工業信息化的程度,其內部各種機電分系統均由計算機數控裝置協同控制,通過執行軟件指令,完成高精度的工業加工。 其接口眾多,構成復雜,操作精準,是一個國家工業化實力的重要組成部分［1］。 采用工業互聯網技術將數控機床數據進行有效采集與分析,可以將數控機床的應用實現數字孿生,從而在實體經濟平臺全要素的綜合數字機床,實現高效的資源配置與“智造”升級,可以極大地推動工業生產的現代化發展水平提升。

1 數控機床設備網聯的重要現實意義及困難

數控機床作為先進的工業制造設施,通過應用工業互聯網技術實現數據采集,可以積極推進企業在生產制造過程中的高效管控,對機床的使用與維護實現更加科學的管理,為生產決策、統一生產和集約生產奠定了完備的基礎。 通過分析數控機床的運行數據,還能融合企業的生產與銷售數據,進行更為高效的生產任務配給,便于提高數控機床的“費效比”提升,優化產線流程,減少機床的待機與空轉時間,為企業降本增效。 通過平臺構建工業互聯網數據采集與邊緣計算,可以實現遠程的監控與故障處置,通過OTA 軟件升級,可以形成更為有效的生產協同。 鑒于數控機床在企業生產中的重要性,引入工業互聯網平臺加以綜合應用顯得尤為重要［1］。 在有效利用其效能的同時,也必須對其應用過程中可能面臨的挑戰加以重視。 由于采用了網聯技術,勢必需要接入網絡運行,對于復雜的網絡環境,必須在網絡信息安全方面加強必要的管控,防止入侵風險。

2 利用工業互聯網架構構建高效的數控機床數據采集平臺

2.1 構建企業MES 平臺

根據數控機床在企業的應用特點和運行規律,基于工業互聯網平臺的軟硬件特點,以IOT、IaaS、DaaS、PaaS 為核心覆蓋的數據采集目標,采用標準的IoT 邊緣傳感和數據匯聚,融合數控機床原有信息化數據輸出能力,面向行業應用,形成采集平臺框架,通過構建企業MES 平臺,綜合控制整個數據管理,通過數據庫服務、Web 服務、微信服務為移動端平臺應用提供服務,MES 平臺主要對數控機床反饋狀態、運行數據進行管理。

通過數據采集平臺的服務和數據匯集能力,完成對企業數控機床運行、維護、生產等各個環節的大數據融合,用數據統領企業數控平臺運行管理,帶動整個企業生產效率的穩步提升,也為未來工業互聯的大數據與實體經濟的結合,企業生產云端管理創造條件。

2.2 數據采集平臺基本功能

由于采用了工業互聯網的基礎架構,可以通過相關技術支撐,形成與制造企業相匹配的集群數控機床數據采集與監控,不但可以監管數控機床的運行,還能進一步對其生產數據和制造流程進行基于“數字孿生”的具體應用,提升數控機床的數據管控。 數據采集平臺基本功能如表1 所示。

表1 數據采集平臺基本功能

2.3 相關平臺應用服務

相關平臺應用,必須考慮綜合使用的可靠性和信息反饋的準確性,采用工業互聯網成熟的架構形式,形成較為靈活、高效的數控機床管控能力,同時也能結合傳統的數控機床運營模式,承上啟下,保證在升級、改造過程中,完善使用規范,提升數字化運行標準,為平臺采集數據的準確性、實時性和可應用性創造條件［2］。

(1)關注整個平臺在企業或行業的適配性,確保其底層各個數據接口的通用性和擴展性,利用成熟的云端架構,將物聯網技術準確的應用其中,在計算規模較小的節點,引接邊緣計算模塊,利用可靠性較高的SDK組件完成數控機床的狀態數據及運行數據監控,同時形成較為匹配的數據轉譯,將生產數據靈活的應用在系統管理及企業經營的全域過程中。

(2)工業互聯網數據采集平臺最高效的就是采用云端管控,便于各類數據的整合應用。 可以充分地發揮數控機床相關數據的關聯性,形成較好的適配,除去數據冗余,擴展數據規模,結合計算資源的統籌,存儲資源的分布式應用,完成較好的數據匯聚及備份,特別是針對數控機床運行數據的特殊性,以數據分析為最終可用狀態,提供與之匹配的DaaS 關鍵數據服務提供。

(3)鑒于數據采集平臺最關鍵的功能是數據的應用,其輸入、輸出的能力是衡量平臺性能的重要標準。可以通過PaaS 運行環境的構建,實現其關鍵數據分析,延展數據存儲彈性,用容器云、微小服務、可靠中間件實現相關運行環境的全流程架設。 分析數控機床的運行特性,形成相關統計模型,并結合分布式存儲、AI計算提供PaaS 組件及相關服務。

2.4 數據采集平臺核心業務及技術發展方向

作為工業互聯網的核心,數據采集與應用需要面向企業的產業鏈和行業生產領域,通過對其數據采集平臺的規整融合,可以將全產業鏈的資源進行綜合統籌,從而形成與生產效率相匹配的資源配置能力,加強生態圈協同,產業鏈交互等生產的創新模式建設,形成示范效應,加快推進數字化轉型升級,及平臺的信息化性能迭代,其數據采集平臺核心業務及技術發展方向應包含如下方面。

(1)應用物聯網輕型網關,構建互聯互通的數據采集平臺,集成數據轉換能力。 通過合理的構建與數控機床數據采集相一致的邊緣網關集合,可以進一步將相關設備端側數據進行靈活的邊緣計算處理,結合視頻安全算法,GNSS 精確定位技術,覆蓋5G 網絡,完成生態圈的資源共享互補能力。 同時采用先進的通信數據安全及傳輸應用,確保對不同類型數控機床各類控制總線的數據有效獲取,及可靠傳輸。 為實現后續的無人值守和遠端控制,可以進一步提升智能電源管理和無線數據OTA 傳輸,利用高速計算引擎實現定制化數據匯集。 完成現場機床作業的精細化管理,實現遠程調用、測試及控制等產業鏈運維模式。

(2)復接集成服務,重視微服務架構建設,確保平臺應用“化整為零”的數據管理分析模型構成。 PaaS平臺需要以微小的服務應用為基礎,可以通過將數控機床進行節點化和子網化管控,形成便捷的設備和生產業務的管理操作,提升不同層級用戶對于相關數據的收集與使用。 同時也可以通過PaaS 應用管理,為二次數據應用及分析和數據產品開發創造條件。 積極對接數控機床海量數據的深度挖掘及計算,將歷史與當前數據進行有效的匹配ETL,形成生產預測和產能分析,為保障企業的生產全過程創造積極條件。

(3)適配合理的規則引擎,以數控機床運行及狀態數據為樣本,形成可分析、可利用、可回溯的數據挖掘規則。 通過對數據的效能分析,并與生產過程進行事前、事中、事后比對,將復雜的產線過程簡潔化,用相關規則引擎進行過濾,增強數據與相關匹配機床操作的準確性和聯動性。

3 綜合數控機床采集平臺數據應用，形成高效的企業“智造”能力

數控機床是企業生產最為有效的支撐裝備,通過工業互聯網技術的引入,對其數據進行采集,并配備云存儲、計算等配套資源,可以形成分布式的數據管理應用模式,根據數控機床的生產、設備運行監控、產品制造情況等數據類型的不同,結合DaaS 關鍵數據分析服務,形成基于PaaS 環境的數據綜合研判能力。 充分利用容器云、微服務、數據資源池的技術引接,將數據中間件應用在整個平臺的數據管理過程中,完成企業級PaaS 組件及平臺服務［3］。

建設與數控機床運行匹配的工業互聯網規則引擎設計,建立與數控機床使用場景相吻合的規則及過濾模型,通過配套相關邊緣傳感器或升級設備原有組件SDK,形成有效的數據監控與聯動,配合數控機床的生產運行,達到設備的運行與市場需求的基礎對接,建立更為高效的企業生產運行模式。

關注數控機床數據應用過程中的信息安全加固,確保平臺數據的輸入、輸出安全,保證企業“智造”能力的發揮。 身份認證是現代信息技術重要的安全保護方式,作為基于工業互聯的數據管理平臺,核心是數控機床數據的采集與應用。 因此,在使用大量數控機床接入節點的情況下,確保網連接的安全與數據隱私非常重要。 通過網絡身份驗證和授權系統可以做到這一點。 作為工業互聯網網絡其關鍵作用是對感應數據在網絡上進行無差錯對傳輸,如果簡單的應用口令或節點硬件地址綁定等方式進行合法應用身份認證,無法確保相關等數據安全。 各種針對工業互聯網絡等攻擊行為,多數是以模擬身份和滲透式分析為技術方式,可以對認證方式進行破解,因此在大規模工業網絡中身份的認證必須充分考慮復雜性和效率綜合匹配,更多要通過密碼運算方式,以身份認證標準協議進行通信節點之間網絡可靠性互認。 并適時根據數控機床的不同信息特性、數據完整性方式和傳輸效率更新相關認證機制,確保其升級可靠性和實現性。

數控機床傳感器節點安全設計分為兩種情況,傳感器中如果使用安全芯片,則網絡管理應用調用安全中間件上層服務,由芯片實現密鑰生成、存儲和密碼運算等功能；如果傳感器中沒有安全芯片,則由安全中間件實現所有安全功能。 采用密鑰管理系統集成數據中心,通信密鑰和證書均采用國密算法。 所有通信密鑰均由數據中心密碼機生成并保存,通信過程中所有的加解密和簽名驗簽操作均在硬件設備中完成,具有防重放攻擊機制,有效保障通信安全［2］。

4 結語

數控機床數據采集其目標是完成對數控機床實現以數據為基礎的管理與運行,通過IoT、IaaS、PaaS 等相關技術融合和應用研究,形成面向企業的結合“數字孿生”的數控機床綜合管理和高效使用,從企業的應用拓展為行業的應用,最終形成生態的應用,確保數控機床在全壽命、全周期的運行過程中,所有數據能夠得到科學采集與靈活分析應用。 以網絡協同、定制化開發為平臺的拓展方向,加強網聯化數控機床的數據共享,結合工業互聯網網絡標識、安全規劃和信息接口管理,不斷迭代平臺的數字化應用水平,將安全、可靠、協同、共享理念融入數據采集平臺的應用研究,為工業互聯網的精準化工業設備應用,提供可借鑒、可復制的示范。