[科普中國]-現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

背景智能制造概述

作為工廠現(xiàn)代化升級的重要內(nèi)容，智能化是工業(yè) 4.0 時代發(fā)展進程中的必然趨勢。信息化發(fā)展到今天，已經(jīng)從數(shù)字化工廠開始向著智能化工廠邁進。物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)備不僅強化了信息掛歷與服務(wù)，也對生產(chǎn)流程、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)線等加以更加智能的改造和掌控，使得生產(chǎn)計劃與進度更加合理和智能。智能制造是數(shù)字化管理基礎(chǔ)上的進階，最明顯的特征就是其具有學(xué)習(xí)和思考能力，能夠?qū)?jīng)驗進行總結(jié)，對工藝進行優(yōu)化，對變化予以快速適應(yīng)。1

智能生產(chǎn)線包含了不同類型、不同功能的智能設(shè)備，可以實現(xiàn)單機設(shè)備的互聯(lián)以及生產(chǎn)線、車間的互聯(lián)，最終形成互聯(lián)互通的智能工廠，進而產(chǎn)生一個涵蓋行業(yè)、地域、企業(yè)在內(nèi)的擁有巨大制造能力的智能制造系統(tǒng)，能夠通過智能分配、組合滿足各類制造需求。1

數(shù)據(jù)采集的作用智能化制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了實時的功能，改變了傳統(tǒng)的 DNC 系統(tǒng)對設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸與管理的方式，將信息作為節(jié)點納入到企業(yè)信息化管理中，形成數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，準確、實時地予以傳輸、分析和存儲，幫助管理層、執(zhí)行層進行信息的交流和協(xié)作。實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) MDC 系統(tǒng)是對傳統(tǒng) DNC 系統(tǒng)的延伸。采用實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建出車間生產(chǎn)現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)的交換，可以將設(shè)備狀態(tài)、車間工況、生產(chǎn)數(shù)據(jù)予以采集、傳遞、分析等，最大程度滿足智能工廠中生產(chǎn)管理需要等，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的大數(shù)據(jù)存儲以及云計算功能。為智能制造工作環(huán)節(jié)提供了技術(shù)支撐，成為智能制造的基礎(chǔ)。MDC 系統(tǒng)在智能制造中的作用和地位從總體框架圖中可以一目了然。通過實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，幫助智能制造系統(tǒng)提升設(shè)備利用率，最大限度地壓縮輔助工時等，對傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中的生設(shè)備予以集成，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)字化、信息化、智能化。1

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容包括了人員、設(shè)備、材料、施工方法、施工環(huán)節(jié)等眾多內(nèi)容。人員數(shù)據(jù)包括人員編碼、排班情況等，設(shè)備數(shù)據(jù)、運行參數(shù)等，工裝編碼、刀具壽命等，物料編碼、位置狀態(tài)等，生產(chǎn)單號、生產(chǎn)過程信息，質(zhì)量檢驗以及結(jié)果等信息。對上述各類信息進行采集，可以通過條碼掃描、、RFID等方式來進行。數(shù)據(jù)的采集需要對復(fù)雜的信息進行處理，可以借助高精度的設(shè)備來完成。所以實時數(shù)據(jù)采集的工作主要是通過設(shè)備來采集各種相關(guān)信息。1

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式生產(chǎn)現(xiàn)場的信息采集方式多種多樣，比較常用的主要有以下幾種方式:1

（1）TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)模式。以太網(wǎng)的數(shù)控配置是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，這種信息采集模式內(nèi)容非常豐富，而且可以實現(xiàn)遠程控制。目前眾多數(shù)控系統(tǒng)廠商，如西門子、三菱、FIDIA 等，均配備了局域網(wǎng)口，擁有大量方便集成的接口，可以實現(xiàn)實時采集數(shù)控設(shè)備程序運行信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、報警信息、運行程序內(nèi)容信息、操作數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、坐標、主軸功率等數(shù)據(jù)。通過數(shù)控設(shè)備的及時限制，實時數(shù)據(jù)采集可以進行生產(chǎn)的事先預(yù)防，對于生產(chǎn)加工、質(zhì)量管控有很好的作用，包括通過 DNC 網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備上的程序編輯功能進行鎖定，啟用設(shè)備寫保護程序，發(fā)現(xiàn)非法修改情況等。另外，數(shù)控設(shè)備的加工倍率也可以限制倍率開關(guān)變化的隨意修改，發(fā)現(xiàn)非法修改可以立即鎖住設(shè)備，防止非法加工。

（2）普通以太網(wǎng)模式。通過以太網(wǎng)開發(fā)包的數(shù)控設(shè)備，采用 windows 操作系統(tǒng)進行以太網(wǎng)接口設(shè)備的數(shù)控，可以利用第三方軟件開發(fā)商提供的開發(fā)接口，對激光切割機等高精尖設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，滿足各類數(shù)據(jù)的傳輸需求。對 SPC 等實現(xiàn)質(zhì)量控制。而且將各種設(shè)備的狀態(tài)信息、參數(shù)信息進行保存，保存在如自動立體庫等本地數(shù)據(jù)庫中，滿足對數(shù)據(jù)庫集成的實時采集要求。

（3）數(shù)據(jù)采集卡。通過與生產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)I/O點與對應(yīng)的傳感器進行連接，采集相應(yīng)的加工信息，包括設(shè)備運行加工、設(shè)備故障等參數(shù)等。適用系統(tǒng)包括無串口和無局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用的方式為開關(guān)量采集卡、模擬量采集卡等。

（4）組態(tài)軟件采集。通過 PLC控制類的設(shè)備對非數(shù)控類組態(tài)軟件進行相關(guān)信息的讀取，包括各種模擬量信息，如溫度和壓力等，將讀取的I/O點信息存入數(shù)據(jù)庫中。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的新型軟件開發(fā)工具，組態(tài)軟件可以幫助開發(fā)人員利用軟件包中的工具，對軟件進行硬件配置、數(shù)據(jù)、圖形等的開發(fā)工作。組態(tài)軟件通過串口或者網(wǎng)口與 PLC 相連，數(shù)據(jù)采集和處理通過計算機完成，可以將各種曲線進行實時輸出 [2]。經(jīng)過實踐驗證，組態(tài)方式實時數(shù)據(jù)采集具有投入少，連接方便、穩(wěn)定性強的有點，對于智能制造中的工控來說性價比最高。

（5）RFID 方式。是對人員、物料等進行編碼、位置、狀態(tài)等信息的實施采集，通過 RFID 芯片的綁定，將人員、物料的信息等寫入RFID 中。通過實際使用，這個方法簡單直接，效果良好。

（6）人工輔助方式。適用于非自動化設(shè)備以及不具備自動信息采集功能的自動化設(shè)備，采用手工填表、條碼掃描、手持終端等，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。其具有靈活方便的優(yōu)勢，彌補了自動采集在豐富性、適應(yīng)性上的缺陷，但也存在實時性和準確性的缺點。

實時數(shù)據(jù)采集在智能制造中的應(yīng)用實時數(shù)據(jù)采集方法，為現(xiàn)代智能工廠提供了現(xiàn)場信息的實時詳盡的采集技術(shù)支持，為生產(chǎn)的決策、調(diào)度等提供可靠參照依據(jù)。通過實際項目中的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運行，智能化工廠實現(xiàn)了數(shù)字化、智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完美解決了底層設(shè)備的實施數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了智能生產(chǎn)管控的較高程度。

數(shù)據(jù)采集未來發(fā)展方向數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)數(shù)字化、智能制造的基礎(chǔ)，只有完美解決了底層設(shè)備的實時采集問題才能實現(xiàn)智能化程度高的生產(chǎn)管控。為此，筆者預(yù)計在未來的幾年內(nèi)，數(shù)據(jù)采集將向如下幾個方向發(fā)展：2

( 1) 統(tǒng)一的通訊協(xié)議平臺目前數(shù)據(jù)采集的最大難點就是底層設(shè)備的通訊方式、協(xié)議的千差萬別，相互之間還互相保密，互不兼容。未來幾年內(nèi)，隨著通訊協(xié)議的標準化推進，相信各底層設(shè)備將采用統(tǒng)一規(guī)范的通訊協(xié)議( 如 OPC 協(xié)議) ，該協(xié)議對于第三方開發(fā)商來說都是透明的，廣大的第三方開發(fā)商可以為客戶開發(fā)出大量的 APP 來滿足用戶各種個性化的需求。

( 2) 移動式應(yīng)用平臺象上面所描述的手機 APP 在信息上報中的應(yīng)用只是這種應(yīng)用的開端，更多的手機 APP 將應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)管理，同時，設(shè)備本身的智能化也大步提高，可通過GPS或北斗定位系統(tǒng)實時將自身的狀態(tài)、運行參數(shù)發(fā)布到遠程監(jiān)控中心，未來將開發(fā)出更多的移動式應(yīng)用來遠程監(jiān)控各種生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)遠程診斷、遠 程維護。