設備數據采集系統的實現與應用

延俊磊，王樹凱，于佳良，李 祥，焦 松

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

生產設備在制造業中占據核心地位，是一個國家工業發展不可或缺的組成部分，設備的數字化、智能化也是我國制造業轉型升級的核心。目前，生產企業的設備仍然大量存在缺少通信端口的情況，導致設備數據無法直接從設備內部采集，是企業實現數字化、智能化轉型必須解決的問題。

1 設備數據采集系統總體架構（圖1）

圖1 設備數據采集系統總體架構

通過在設備加裝傳感器或設備本身的記錄，實時采集設備狀態信息，通過通信端口、以太網、IoT（Internet of Things，物聯網）等方式傳輸至后臺服務器，后臺服務器將數據進行預處理，然后通過交換機發送至公司內部數據存儲中心，工作人員可通過公司內網實時監測設備運行狀態、數據分析統計，還可以根據設備運行狀態制定故障預測邏輯，實現故障預判功能。設備出現故障，系統自動報警提示工作人員，相關工作人員根據提示情況及設備現場作業情況分析故障原因，制定解決措施，預防設備停機，并為設備預測性維護提供數據支撐，提高設備管理效率，提升生產效率。

2 數據采集

數據采集主要分為兩類，一類是設備自身提供的通信端口，一般有控制系統的設備自帶通信端口，但因為設備不同，端口型號、端口協議也不盡相同，需針對不同端口進行通信協議的開發或由設備制造商提供，以實現數據的采集；另外一類是在設備或設備控制柜內安裝傳感器，通過傳感器采集所需要的設備運行狀態數據。

2.1 設備通信端口采集

一般帶控制系統的設備具有以太網口或RS-232 通信端口，也可以與設備制造商商議，由設備制造商提供通信端口協議，通過端口協議直接讀取設備的實時狀態數據，包括程序開始時間、程序執行狀態、程序結束時間、設備壓力、主要部件溫度、開關控制量、設備坐標、測量結果等內部數據。

2.2 傳感器采集

設備自身無控制系統或有控制系統但通信協議不開放，需要增加傳感器（振動、壓力、溫度傳感器等），通過傳感器采集設備運行狀態數據。另外，為了實時跟蹤設備能耗數據，需通過設備加裝電壓電流傳感器和智能電表結合的方式進行能源數據采集，采集的能源數據主要包含設備的電流、電壓及功率，并通過有線、無線、IoT 等方式將數據傳輸至后臺服務器進行分析及展示。

設備能耗數據采集，需對每臺設備主電源加裝開口式互感器和智能儀表，采集設備的實時電流及電壓，智能儀表根據采集到的電流、電壓，計算設備實時功率，并將實時電流、電壓及功率數值發送給通信管理機，通信管理機匯聚多臺設備的采集數據后，按照傳輸協議對數據進行整理，然后按照一定的頻率通過交換機發送到后臺服務器，對數據進行分析整理。

開口式電流互感器進行電流測量，根據設備主電源線直徑，每臺設備配置合適的開口式互感器。開口式互感器接線方式如圖2 所示。

圖2 開口式互感器接線方式

智能儀表應具備電力測量、開關量采集一體化等功能，智能儀表至少具備網絡通信接口和無線通信接口，即可通過網線接入網絡，也可通過WiFi 無線接入網絡，為了提高數據采集的穩定性，以有線網絡采集為主；既可集中組網，也可分散安裝在設備上組網。同時預留安裝5G 模塊的接口，便于后續5G 模塊的安裝。

智能儀表應具備連接顯示面板，顯示面板上設有漢字液晶顯示屏，實時顯示線路的監測量，通過鍵盤可方便地進行監測、事故信息、開關量狀態的查詢，并通過密碼設置可進行保護及監測功能的整定。智能儀表具備數據暫存功能，當出現斷網時，智能值儀表能夠暫存采集到的數據，待網絡恢復后再將存儲的數據傳輸至后臺分析系統。

3 數據處理

3.1 數據存儲

數據存儲在公司內部數據存儲云端，通過基于集群存儲系統的架構，形成高效、合理的數據存儲體系，按易存儲、易管理、易使用原則，設計數據庫表結構，根據數據資源清單設計數據采集流程，將有價值的數據存儲到數據倉庫中，通過接口共享方式，核心數據倉保留數據控制權，將數據使用權通過API 接口的形式進行平移，以實現存儲系統的高可靠性及數據的高利用性。

3.2 數據應用與分析

依據數據存儲云端存儲的各種設備實時運行數據，通過設定算法邏輯，將數據進行分析應用。還可以通過數據不斷積累，將實時運行參數與設備故障進行關聯分析，制定關聯分析模型，通過實時數據監控分析。當運行參數滿足模型邏輯時進行故障預警，提示設備運行情況，分析異常原因，制定解決措施，預防設備停臺。通過數據積累，可以為設備預測性維護提供數據支撐，提高設備管理效率，推動生產效率提升。

設備利用率反映設備實際使用情況，為生產能力設計和生產決策、分析提供依據和基礎資料。

設備負載率客觀記錄真實負載運行情況，為修程優化提供精準客觀數據。

4 設備數據采集系統應用

將數據應用分析后，通過搭建一個設備數字化平臺，將運行、監控、數據展示的功能直觀可視化。可以展示設備運行負載率、設備利用率、設備狀態歷史信息、設備運行看板、設備能耗等信息。設備運行負載率是通過設備實際加工過程中各階段信息，計算不同狀態持續時間及設備所處工況而得出。設備利用率是統計設備開機時長及設備加工時間進行計算而得出。設備狀態歷史信息是通過設定不同時間、不同使用單位、不同人員等多個維度的設備數據統計，方便工作人員掌握設備狀態，改進設備維修方式方法，提高設備利用率。設備運行看板包含設備的開機、關機、待機、負載、運行時長等狀態信息。設備能耗是通過電壓、電流、功率等信息的處理，展示設備當日、當月、累計能耗值。

4.1 平臺界面

主界面顯示整個車間在線監測設備的具體位置及實時運行狀態，設備實施運行狀態統計顯示，設備利用率和負載率當日實時顯示及超閥值提醒顯示（故障顯示）。

子界面顯示單臺設備運行看板，單臺設備當日運行狀態統計，單臺設備利用率和負載率當日實時統計，電壓及電流曲線，單臺設備的電壓、電流各種閥值設定入口等。

4.2 設備利用率

通過分析單臺設備實際開機情況，結合實時電流曲線，設置開機電流值，設定單臺設備最大和最小預警閥值。通過分析單臺設備開關機時間、實時電流曲線等數據，設定單臺設備最大和最小預警閥值。當單臺設備利用率高于最大預警閾值時，提醒維保單位加強設備現場巡檢維護；當單臺設備利用率低于最小預警閾值時，結合OEE（Overall Equipment Effectiveness，全局設備效率）指標情況，合理安排生產，提高生產效率。

4.3 設備負載率

通過分析單臺設備實際工作情況，結合實時電流曲線，設置工作電流值，設定單臺設備最小預警閥值。當單臺設備負載率低于最小預警閾值時，從負載時間和開機時間兩方面進行原因分析，若負載時間較短，提醒相關單位合理安排生產；若開機時間較長，提醒使用單位及時關機，減少等待浪費。

4.4 設備能耗

通過實時采集設備主電源的電流、電壓信息對設備的運行負荷狀態進行監控，也可通過歷史記錄查詢，為設備故障分析提供數據支撐，還可對單臺設備的能耗進行統計分析。

4.5 輔助生產、工藝，提升管理效能

通過對設備利用率、負載率等的統計，可輔助進行工藝布局優化及工藝程序優化；通過設備實時運行狀態監控，可為排產計劃提供支持，提高生產效率。

5 結束語

設備雖然在制造業是不可或缺的重要組成部分，但在實際應用中仍然存在大量缺少通信端口的情況，導致數據信息無法直接從設備內部采集。數字化平臺可以通過物聯網技術實現設備的數據采集，以及設備的數字化、智能化。該平臺也可以通過加裝傳感器采集數據的方式，獲取所需要的設備狀態數據，且不影響其正常運行。通過設備數字化平臺，可以優化生產排產計劃，提升設備利用率和設備運行負載率，提高設備維護水平，保障設備的可靠性，并為設備預測性維修和全壽命周期管理提供數據支撐。