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数据采集在离散制造业的应用

  一、离散制造企业信息化建设的一些现状
  
  离散制造企业普遍建设有ERP、CAPP等企业管理及产品设计软件,ERP系统解决了车间生产计划问题,但对车间执行计划完成情况的采集主要还是依靠人员手动录入的方式,不仅效率低,易出错,而且时效性差,在车间生产管理和控制方面存在短板。作为ERP功能延伸的MES,绝大多数离散制造型企业想通过建设车间制造执行系统(MES)来解决车间生产调度和控制存在的问题,但在建设过程中,很多企业面临一系类瓶颈问题,具有代表性的也是普遍存在的就是离散制造车间生产过程中的实时数据无法及时、准确的采集,造成了生产部门就不能及时、准确的得到产品加工数量,不能自动获取设备的运行状态及运行参数,无法准确、科学地制定生产计划,不能准确分析设备利用率、产品质量等等一系类问题,使得车间制造执行系统缺乏有效的数据支持,制造执行成为空中阁楼。一个基于车间信息化系统生产过程的场景我想是这样的,企业从外部获得产品生产订单后,生产计划管理部门根据现有资源安排相应的部门做好准备工作,包括物料准备、生产工艺编制、产品二、三维建模、NC加工程序编写等,技术准备完成后,计划部门需要根据当前的物料状态、设备状态及人员等信息,制定生产计划任务单下发相关车间,生产管理人员结合该车间的物料、人员、设备等生产资料情况,将具体制造任务分解后下发给班组或个人,在生产过程中,车间生产实时状态数据及时反馈车间管理人员,车间管理人员在办公室就可以实时获取当前车间运行状态。针对生产异常情况,如设备异常、质量异常、物料异常可以实时反馈给相关部门或个人,及时解决,以保证生产高效顺利进行。这样的场景应该是每个离散制造企业信息化建设都想达到的基本目标,完成这一过程,关键在于对人员、物料、设备、质量等信息的实时采集和监测,但事与愿违,大部分离散制造企业对数据采集存在困难。
  
  二、离散制造企业数据采集困难原因分析
  
  1.生产数据多而散
  
  离散制造企业开始从传统生产方式向多品种,小批量敏捷制造生产模式转变,各种产品涉及不同的物料、设备、工具及文档等资料,这些资料离散分布在企业中,需要采集的生产数据种类多,生产数据采集过程相对复杂。
  
  2.设备种类多,年代跨度大,接口不统一
  
  主要表现有,一是离散制造企业生产设备种类繁多,控制器品牌及接口协议不统一;二是大多数设备尤其是老旧设备与信息化系统难以甚至无法集成;三是高精尖端设备大部分依赖进口,接口不开放;四是生产现场大量的自动化生产设备,大多采用PLC来进行控制,设备自身存在大量生产及设备状态信息,理论上只要能与这些自动化控制器通信,就能准确采集到需要的信息,但是实际无法获取信息寄存器存储位置和数据含义,给数据采集工作增加了难度。
  
  针对以上问题,制定一套实时,有效并符合离散制造车间特点的数据采集方案,实现制造车间生产的信息化、透明化至关重要。AGV调度有专门的TCS调度系统进行调度,一般不会由MES系统直接调度,MES可以通过与TCS或WMS集成,进行调度控制。离散车间数据采集我觉得是建立在物联网三层网络架构基础之上的。
  
  三层网络架构:感知层、网络层、应用层。将车间实时采集的生产过程数据,通过企业局域网进行数据传输,应用层通过数据将制造车间过程可视化,本次主要讨论离散制造企业基于感知层的生产过程数据如何被采集。
  
  三、解决数据采集难点的办法
  
  车间生产过程数据包括人、机、料、环、测等要素。首先说对人员及物料信息采集,通过对人员、物料及其状态实时采集,一方面可以使车间管理人员及时、准确的掌握车间生产进度情况,通过与原计划进行比较,对订单任务进行实时再分配,保证生产准时完成,另一方面方便企业管理人员实时了解企业内部生产运行情况,为管理层制定生产计划提供可靠的数据支持。在自动化工位,一般不存在人员信息的采集,而物料及其状态一般可以通过采集该工位设备数据获取;在人工工位,对员工信息、物料信息、加工状态信息的采集,我们采用在人工工位部署一体机、扫码枪及RFID的方式进行采集,为每个操作人员分配二维码,同时为待加工工件分配一个RFID标签,存储对应产品唯一编码信息,当然人员信息也可以通过RFID采集。当操作员进入工位操作时需在电子看板(一体机)上通过扫码枪扫人员二维码登入,当待加工工件进入工位时,RFID读写设备提取工件电子标签内容,电子看板采集并显示,产品加工完成进入下一工位,或进入线边库存区时,一方面追踪物料当前位置,另一方面完成上一工位的报工。
  
  每隔几百毫秒对关键生产设备采集一次数据,利用这些数据可以对设备数据进行统计分析,包括设备开机率、主轴运转率、主轴负载率、运行率、故障率、生产率、设备综合利用率(OEE)、零部件合格率、质量百分比等。通过对这些数据进行深入的挖掘与分析,为企业相关人员正确决策提供数据支撑,关键设备一旦发生故障,如果不及时处理,不但造成巨大的经济损失,有可能还会引发安全事故,可以通过设备运行状态、巡检及检维修纪录等信息,找到设备变化的规律,建立设备故障数学模型,对设备潜在的故障进行预警。总的来讲,设备数据采集有四种方式,分别是直接联网通信采集,通过加装智能网关、协议转换器采集,通过远程IO进行采集和内嵌客户端采集。这四种采集方式的应用场景,我已在之前文章中描述过,现在我把他贴过来,供大家交流。
  
  第一种直接联网通信采集。针对协议开放且为以太网接口类设备,可以采用直接与设备联网通信的方式采集,可以实现对设备开机、关机、运行、暂停、报警信息、加工数量及运行参数的采集,典型设备有FANUC、西门子等数控机床。
  
  第二种加装智能网关,协议转换器采集。针对有通行接口(以太网、RS485、RS232、CAN等),但协议不开放的设备,可以通过加装明匠牛顿1.0智能网关进行采集,该智能网关内嵌牛顿1.0操作系统,内含协议容器,可以将私有协议转换成标准的工业总线协议与采集系统集成。
  
  第三种远程IO采集,针对没有控制器也没有通信接口的设备,可以通过部署远程IO进行设备运行状态采集器,通过远程IO的方式可以实时采集设备的开机,关机,运行,报警等信息。明匠远程IO,是工业级远程采集与控制模块,提供了无源节点的开关量输入采集,通过对设备电气系统的分析,确定需要的电气信号,连接入远程IO模块,由模块将电气系统的开关量、模拟量转化成网络数据,通过车间局域网传送给数据采集服务器。
  
  第四种内嵌客户端采集。针对基于PC机上层采集软件的单机且对外不开放接口的设备,可以通过在PC机上内嵌客户端进行采集,同时将采集信息通过车间局域网推送服务器。
  
  有些产品的生产车间或仓库需要在一定的环境条件(温度、湿度、清洁度等)下生产或储存,才能保证产品质量。由于离散制造车间环境复杂,环境监测点多而且离散,有线网络和供电部署实施困难且不易扩展。针对这一问题,我们研发了成本低,组网简单,功耗低及容量大,基于ZigBee的采集模块。该模块可以采用锂电池供电,同时可以获取温湿度等传感器信号,这些信号通过采集模块处理后,可以通过Zigbee网关推送给数据采集服务器。
  
  最后讲测测试数据,关注质量,严格来说检测设备属于设备的一种,采集可以参考设备数据采集。有些产品由于考虑生产节拍或缺乏有效自动化检测手段,只能通过人工的方式检测,其检测异常只能人工通过一体机选择相应的问题的方式采集。
  
  以下是作者与读者之间的精彩问答:
  
  问:若集生产制造、研发、销售为一体的企业,想要在自己内部组建一支为企业智能制造服务的团队,其从事企业基础数据采集这一块的人才需要具备怎样的知识结构才能胜任呢?
  
  答:这些协议机床用的比较多,以后OPC-UA相对更有发展,我个人认为从事数据采集工作人员,应具备电子、通信、计算机、电气及强电相关知识,需要有扎实软件,硬件、数据库及网络知识,软件包括以C为代表的嵌入式软件及上位机软件(C#,C++等),熟悉各种硬件接口及工业现场总线协议,具备电气自动化基础,具有一定的设备及数据分析能力。
  
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  问:离散制造型企业和流程制造型企业,在智能制造转型升级的过程中,在数据采集这一块的难点有哪些,如何解决这些难点呢?以及常用的数据采集方法有那些呢?能否举些实际案例来说明。
  
  答:离散制造企业生产设备种类多、年代跨度大、接口和协议不统一,有硬件接口的设备,协议不开放;本身自带采集系统的设备,软件接口封闭,不支持第三方软件集成;甚至有些设备连接口都没有,这是离散制造企业数据采集面临的实际问题和难点。解决这一问题,我们自主研发了牛顿平台,在这平台上开发一系列的数据采集产品,包括牛顿1.0智能网关、串口服务器、协议转换器、远程IO、效能管理等。
  
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  问:对于不开放的机床如何采集数据?
  
  答:针对有硬件接口,但协议不开放的设备,我们采用牛顿1.0智能网关采集,将设备私有协议转换成开放的工业以太网协议,提供上层系统;牛顿1.0智能网关,内嵌牛顿1.0操作系统,内含协议容器,包含500多种设备私有协议,目前还在增加中。针对有非以太网硬件接口,且协议开放的设备,我们采用协议转换器完成硬件接口转换同时提供开放的工业以太网协议提供上层系统,无硬件接口类设备,我们根据需求,采用远程IO的方式或者加装传感器方式采集。还有些自带采集系统,但系统接口不对外开放的设备或设备单元,采用在该系统内嵌采集软件的方式采集。最简单的,以太网接口、软件接口或协议开放类设备,上层采集系统直接采集。文章中我提到了针对焊机采集的两种方式:加装智能网关和加装传感器的方式,下面的案例是针对机床采用直接采集+加装传感器方式采集,在每一台机床旁部署一台一体机,一体机中部署明匠DNC系统,通过以太网直接与机床通信采集数控设备的运行参数,零件加工过程中机床主轴的震动情况与产品质量存在一定的关系,通过在机床主轴上加装震动传感器采集主轴震动情况判定加工零件的质量。下图是我们针对FANUC机床开发的采集软件。
  
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  问:相对于流程制造企业,离散制造企业的车间执行过程中的生产数据采集有哪些特点?
  
  答:离散制造相较流程制造自动化及信息化程度低,同时工艺复杂多变,采集的生产数据种类多,同时设备种类多,年代跨度大,接口不统一,采集相对复杂。同时离散制造车间环境复杂,现场数据采集实施需要考虑的网络、布线、安装等问题。
  
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  问:离散制造企业产品零部件加工工艺复杂、质量要求高,质检工作是生产的重要组成部分,需要对质量过程进行全面管理,质量数据采集是数踞采集的重要组成部分。关于质量数据采集这方面,有哪些数据采集方式?
  
  答:产品质量检测的方式主要有两种,一种是采用仪表仪器及检测专机,另一种采用人工检测判断方式。仪表仪器及检测专机其实也属于设备类,具体采集方法及方式同设备数据采集,有些产品由于考虑生产节拍或缺乏有效自动化检测手段,只能通过人工的方式检测,其检测异常可以人工通过一体机选择相应的问题的方式采集。另外有些关键设备加工时的运行参数和产品质量息息相关,如:注塑机注塑时的温度、压力、时间、速度等参数;焊机的输出电流、电压、保护气体流量及送丝速度等,可以通过对设备运行时的关键参数与产品质量分析,优化生产工艺,提高产品质量。
  
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  问:数据采集是为了更好地指导生产,那么明匠在数据挖掘及预测方面是否有所布局?
  
  答:在数据挖掘方面,明匠为客户建设有车间私有云平台,通过挖掘采集到的产品品质信息和生产工艺信息,优化生产工艺,提高产品品质。
  
  在数据预测方面,明匠在客户车间私有云平台上,建立设备数学模型,根据采集到的数据做预防性维护,降低设备故障率,提高生产效率。
  
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  问:可否介绍下对OPC-UA、MTConnect的运用设想?
  
  答:我们主推的应用架构是:目前我们事先了将所有的标准或者非标准协议统一转换成OPC UA,牛顿1.0网关,对于机床类的应用我们现在在做MTConnect的应用试点。
  
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  问:能不能简单介绍一下智能网关和普通的协议适配器的区别?
  
  答:智能网关与普通协议转换器的区别,1.智能网关硬件接口丰富、集成协议种类多,物理接口协议可选择、可配置。2.普通协议转换器接口单一,转换协议定制,一般适用于协议开放但非以太网接口的场合。
  
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  问:针对国外某些智能机床厂商不提供接口,现在明匠也是有办法解决的了?
  
  答:目前咱们国内厂家主流的数控系统:i5、西门子、Fanuc、三菱、MAZAK、大偎,这些加在一起市场占有率59%以上,这些很多都不开放接口,我们都可以支持了,其他系统陆续增加中,一直在路上。
  
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