工業大數據建模方法及生產線運行狀態監控技術研究

摘要：隨著我國科學技術水平的不斷提升，大數據智能技術被廣泛應用于工業生產中，有效推進了我國工業化建設的進程，與此同時，在工業生成過程中，數字化生產線的建設是提高工業生產效率，實現工業智能生產的關鍵環節。然而，在實際工業生產中，大部分車間智能化建設水平還比較低，監測工業制造流程的監控系統存在實時性較差以及準確性不足等問題。因此，文章基于大數據技術背景，利用智能信息通信技術，構建以大數據建模為基礎的實時生產線運行狀態監控系統，實現對生產流程的全面實時監測，加強工業生產的透明化，從而有效提高工業生產運營的管理水平。

關鍵詞：大數據；工業生產；運行狀態；數字化監控

中圖分類號：TN91文獻標志碼：A

0 引言

在現如今的大數據信息化時代，物聯網、大數據、云計算與人工智能技術等信息化新興技術的應用對傳統工業生產造成了極大的沖擊，因此，作為促進我國經濟社會發展的重要經濟行業，工業制造業逐漸向數字化、智能化方向進行轉型［1］。在工業制造中，生產線運行狀態實時監控系統是實現制造生產的重要組成部分之一，通過該監控系統對生產過程進行實時監測，是保證工業生產按照計劃高效、安全進行的最有效途徑，同時也是實現數字智能化生產線構建的技術基礎。而工業大數據的挖掘與應用對于工業制造生產而言，在提高生產效率、降低生產成本與優化資源配置等方面具有重要意義，基于此，本文將以工業大數據為基礎，對工業生產線運行狀態監控數字化系統進行設計，從而提升工業生產的透明度，實現生產過程的智能化、自動化以及核心競爭力的提高。

1 系統架構

基于工業大數據構建生產監控系統是實現對工業生產線運行狀態進行有效管理的重要手段，生產管理人員可以通過監控系統對生產線生產設備的運行狀態進行全面的把控，及時調整生產策略。基于工業大數據的生產線運行狀態監控系統的構建主要通過應用工業大數據與智能化技術，對生產設備的實時生產運行數據進行采集，從而建立實時動態數據庫，同時通過設置底層控制系統，實現對工業大數據采集設備管理調度，進而對生產線的整體運行狀態進行全面掌握。監控系統主要包括客戶機、數據庫服務器等重要硬件設備以及生產管理中心與實時數據庫等軟件設備，整體架構分為物理實物層、數據層、虛擬層與應用層［2］。工業大數據監控系統架構如圖1所示。

2 系統功能設計

基于工業大數據的生產線運行狀態監控系統功能模塊的設計主要包括數據采集模塊、采集接口模塊、通信模塊以及實時數據庫模塊。

2.1 數據采集模塊設計

在對生產線運行狀態監控系統數據采集模塊進行設計時，首先需要按照功能性對生產車間進行劃分，主要分為聚合車間、公共車間等，其中每一個車間都是單獨的空間，具有獨立的控制系統。通過在這些單獨的控制系統中建立重要回路，本文設計方案可以有效確保生產系統中數據的采集點數量足夠多，從而滿足實時監控系統構建的要求。同時，為保證能夠對生產中常規運行數據進行采集，在數據采集模塊的設計過程中采用了安全性能較好的單向隔離網關。數據采集流程如圖2所示。

2.2 采集接口模塊設計

生產線運行狀態數據采集接口的設計是整個工業生產監控系統構建的核心環節，在對工業生產線運行數據進行采集時，專門數據采集接口的應用可實現分散控制系統、可編程邏輯控制器、工控機等多系統的同時運行。并且在對生產線運行數據采集接口進行設計時，為了實現系統架構中配置隔離網的雙向功能，需要在配置隔離網底部構建工業大數據模型，從而建立雙向數據傳輸模式。同時，數據采集接口模塊的設計須對工業生產線運行狀態數據采集現場的底層控制系統與數據采集設備的安全性提供充分的保障，從而有效避免網絡層級攻擊現象的出現，促進工業生產的安全穩定運行。

2.3 通信模式設計

基于工業大數據的生產線運行狀態數據采集的通信方式主要分為基于OPC協議的通信模式以及基于Modbus協議的通信模式［3］。因此，在構建生產線運行監控系統時，可基于OPC協議或Modbus協議建立常規工業控制系統，即分散控制系統、可編程邏輯控制器、工控機等系統提供OPC接口實現生產線運行數據的采集。其中OPC通信主要通過在底層控制系統與生成應用軟件之間建立通信接口來實現數據交互的問題，Modbus通信則采用唯一主機與多從機的架構對數據進行采集與傳輸，被廣泛應用于不同控制器。因此，在實際應用中，底層數據采集設備的數據采集與傳輸通常采用Modbus通信協議。

2.4 實時數據庫設計

實時數據庫是應用工業大數據的基礎，因此，在對監控系統的實時數據庫進行設計時，應注意滿足數據庫數據儲存速度毫秒級的要求，就算是普通的關系數據庫也至少需滿足秒級的速度［4］。在工業生產中，實時數據庫的建立可以實現大量采集數據的整合，從而為用戶提供多樣的數據存儲方案，同時還能在保證數據特性的同時，最大限度地減小數據儲存所需要的空間。實時數據庫主要由以下幾個部分組成。

（1）系統服務管理器：主要負責監控生產線所有運行設備設施的運行狀態，對控制系統與數據采集設備的工業生產數據進行整合。

（2）系統配置工具：負責對用戶的數據進行管理，增加或減少工業生產現場的數據采集點以及數據采集設備。

（3）系統I/O Server：數據采集程序，主要用于對控制系統與單體設備進行數據采集，并將傳輸至數據庫服務器中。

（4）系統I/O Config：負責對數據采集與計算的程序進行配置。

（5）系統數據計算程序：針對采集數據進行二次計算、分析與過濾，并將其寫回數據庫服務器中，從而實現數據清洗與優化。

（6）系統圖像客戶端：為用戶提供圖像開發環境，制作工藝流程圖，用于指導生產與數據分析。

3 工業大數據在生產線監控中的應用

工業大數據在生產線運行監控系統中的應用主要體現在數據采集、數據分析以及數據展示3個方面，下面將以某加工生產線監控系統為例，分析工業大數據的應用。

3.1 數據采集

生產線運行狀態監控系統實時數據的采集，主要通過OPC通信協議進行客戶端的搭建，NET CORE平臺與C#語言進行數據采集程序的開發，同時利用監控系統的IP地址與端口與OPC協議服務端進行連接，從而實現對數據的采集。對于生產系統中關聯的所有設備，則以200 ms的頻率對設備中所有數據采集點配置的數據以及系統服務器中全部數據庫的實時數據進行采集，采集完成后，對數據進行格式規范化處理，并上傳實時數據庫。

3.2 數據分析

生產線運行狀態監控系統的數據分析主要利用實時數據庫展開，對上傳的運行數據進行綜合分析、篩選與處理，并將數據分析的結果與重要的生產運行過程參數通過可視化智能技術生成實時數據曲線或表格，以便于工作人員能夠對生產線的整體運行情況進行掌握。與此同時，可通過數據分析儀的應用，對設備的運行時間進行計算與分析，實現對運行系統的監控，設備運行時間具體計算如式（1）所示［5］。

其中，i為訂單編號，j為工序，r為加工同一個產品的設備總數，k為設備編號，ctkij為設備k加工訂單i第j道工序的加工開始時間，tkij為設備k加工訂單i第j道工序的時間，xkij為設備k加工訂單i第j道工序。

3.3 數據展示

數據展示采用pSpace系統進行，基于工業大數據，通過對生產過程參數與生產設備運行數據的采集、分析與智能化處理，對生產線運行狀態的動態實現實時監控。本次加工生產線運行狀態監控的實時數據如表1所示。

4 結語

在工業生產過程中，工業大數據在生產線運行狀態監控系統中的應用可以更好地實現生產過程的管理與控制，促進生產技術的優化與升級，提高工業生產的核心競爭力。

參考文獻

［1］楊俊浩.工業大數據在生產監控系統中的運用分析［J］.無線互聯科技，2021（19）：88-89.

［2］楊俊浩.工業大數據在生產監控系統中的運用分析［J］.無線互聯科技，2021（19）：88-89.

［3］高如，彭穎穎，劉聰.工業大數據在生產監控系統中的應用［J］.信息記錄材料，2019（10）：177.

［4］張桐.工業大數據在生產監控系統中的應用［J］.科學與財富，2020（29）：340.

［5］郝軍，高文才，王旭峰.基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺研究［J］.中國煤炭，2022（3）：50-55.

Research on industrial big data modeling method and production line

operation status monitoring technology

Abstract： With the continuous improvement of China’s scientific and technological level， big data intelligent technology has been widely used in industrial production， effectively promoting the process of China’s industrialization. However， in actual industrial production， the level of intelligent construction of most workshops is still relatively low， and the monitoring system for monitoring industrial manufacturing processes has problems such as poor real-time performance and insufficient accuracy. Therefore， based on the background of big data technology and the use of intelligent information and communication technology， this paper constructs a real-time production line operation status monitoring system based on big data modeling， realizes comprehensive real-time monitoring of the production process， strengthens the transparency of industrial production， and effectively improves the management level of industrial production and operation.

Key words： big data; industrial production; operation status; digital monitoring