機(jī)床加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集與分析平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙濤 呂太之

摘要：制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。機(jī)床加工設(shè)備是制造業(yè)的基礎(chǔ)，其智能化是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心。論文構(gòu)建機(jī)床加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集與分析平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效能智能監(jiān)控，提高設(shè)備使用率，提高加工效率。平臺通過從設(shè)備直接采集數(shù)據(jù)并利用大數(shù)據(jù)分析，追蹤加工過程的效率和工藝數(shù)據(jù)，對于優(yōu)化工藝過程、改進(jìn)生產(chǎn)管理具有巨大的意義。可對機(jī)加設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，了解設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行情況，找出瓶頸工序和設(shè)備，提出有效解決手段，從而提高制造效率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)數(shù)據(jù)采集;大數(shù)據(jù)應(yīng)用;Hadoop平臺;微服務(wù)

中圖分類號：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0245-02

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基f”。中國近現(xiàn)代歷史證明了要想在世界上有立足之地，國家必須擁有強(qiáng)大的制造業(yè)，才能實(shí)現(xiàn)國家和民族的強(qiáng)盛。目前，全球制造業(yè)已基本形成球科技創(chuàng)新中心、高端制造領(lǐng)域、中低端制造領(lǐng)域、資源輸出國四級梯隊(duì)發(fā)展格局。中國現(xiàn)在處于第三梯隊(duì)，存在自主創(chuàng)新能力薄弱、基礎(chǔ)配套能力不足、部分領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量可靠性有待提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等問題嘲。

全球新一輪工業(yè)革命正在發(fā)生，即智能制造時代，或工業(yè)4.0。新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的主線。以德國等西方發(fā)達(dá)國家推動的工業(yè)4.0浪潮對中國制造“世界工廠”的地位帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和重大機(jī)遇，2015年李克強(qiáng)在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出“中國制造2025”的宏大計(jì)劃，同年《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》提出推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用，尤其是在制造業(yè)的應(yīng)用，提升制造業(yè)三化水平，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造新模式。2016年出臺《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出推動制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合，形成疊加效應(yīng)、聚合效應(yīng)、倍增效應(yīng)，加快新舊發(fā)展動能和生產(chǎn)體系轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)。

機(jī)床，被譽(yù)為“工業(yè)之母”，是制造業(yè)的核心生產(chǎn)設(shè)備，機(jī)械產(chǎn)品的零部件通常是用機(jī)床加工出來的。機(jī)床工業(yè)的現(xiàn)代化水平和規(guī)模，是一個國家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。目前對機(jī)床加工設(shè)備運(yùn)用存在管理程度低、生產(chǎn)過程不透明、存在信息化孤島等問題。制造企業(yè)需要掌握機(jī)床工作的全過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和智能監(jiān)控，達(dá)到生產(chǎn)透明化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工模式向數(shù)字化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過各類傳感器實(shí)時采集機(jī)床加工設(shè)備的狀態(tài)信息，傳感器將信息通過數(shù)據(jù)通信接口（RS-232，以太網(wǎng)、NB-IOT）等方式將數(shù)據(jù)傳遞給邊緣計(jì)算服務(wù)器，邊緣計(jì)算服務(wù)器將預(yù)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果反饋給邊緣計(jì)算服務(wù)器，由其優(yōu)化工藝過程、改進(jìn)生產(chǎn)管理，管理人員通過內(nèi)部電腦可以實(shí)時查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2數(shù)據(jù)采集與存儲

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為兩類，一類是對于機(jī)床加工設(shè)備的采集，一般機(jī)床加工設(shè)備會提供接口，通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。機(jī)床加工設(shè)備，有智能和非智能的，即使是智能的，接口也不盡相同。針對不同廠家的設(shè)備、接口、分布等進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。另外一類是在機(jī)床加工設(shè)備或者設(shè)備控制柜中上添加傳感器，通過傳感器采集環(huán)境、設(shè)備、人員等信息。

（1）設(shè)備采集

一般機(jī)床加工設(shè)備具有網(wǎng)口或RS-232通訊接口，設(shè)備廠家也會提供相應(yīng)的對外接口協(xié)議，通過協(xié)議可以直接從設(shè)備中讀出的設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)。這些實(shí)時數(shù)據(jù)包括程序執(zhí)行狀態(tài)、機(jī)床坐標(biāo)、多種內(nèi)部變量值和開關(guān)控制量值等。

（2）傳感器采集

機(jī)床加工設(shè)備帶控制系統(tǒng)但協(xié)議不開放或不帶控制系統(tǒng)的加工設(shè)備，需要額外信號傳感器（包括聲音、位置傳感器、壓力傳感器等），通過采樣儀器進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行相關(guān)狀態(tài)參數(shù)采集。同時，為了對設(shè)備加工的實(shí)時能耗進(jìn)行跟蹤，對于機(jī)床內(nèi)部不帶能耗傳感器的，仍需電流/電壓傳感器。通過有線、無線、NB-IOT、藍(lán)牙等多種方式將數(shù)據(jù)傳送到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.2數(shù)據(jù)清洗

通過邊緣技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，清洗后的數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器。數(shù)據(jù)清洗階段將含有空值字段、內(nèi)容不完整、不一致的字段進(jìn)行補(bǔ)全和修正五個步驟。

2.3數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲在公司私有云上，通過基于集群存儲系統(tǒng)的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、合理的數(shù)據(jù)組織體系以實(shí)現(xiàn)存儲系統(tǒng)的高可靠性和數(shù)據(jù)的高可用性?；贖adoop的異構(gòu)集群存儲系統(tǒng)采用異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的感知算法對集群中的節(jié)點(diǎn)形成多層的存儲區(qū)域，通過改進(jìn)Map Reduce計(jì)算底層的分布策略來引導(dǎo)任務(wù)集中在性能優(yōu)異的節(jié)點(diǎn)上，優(yōu)化Hadoop集群的能源開銷。系統(tǒng)模型如下圖所示：

3數(shù)據(jù)分析

依托大數(shù)據(jù)安全存儲平臺系統(tǒng)，分析工業(yè)管理信息平臺架構(gòu)，通過模糊推理系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、模糊規(guī)則挖掘等學(xué)習(xí)算法提升平臺的工業(yè)數(shù)據(jù)挖掘效率和穩(wěn)定性，機(jī)床設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與分析平臺對常見的復(fù)雜非線性過程進(jìn)行預(yù)測，改進(jìn)預(yù)測算法，改進(jìn)生產(chǎn)效率。系統(tǒng)為第三方軟件開發(fā)提供了統(tǒng)一的API接口，為今后的功能拓展做了鋪墊。平臺架構(gòu)如圖4所示。

4數(shù)據(jù)可視化微服務(wù)

將整個運(yùn)行、監(jiān)控、數(shù)據(jù)展示的功能通過一系列微服務(wù)來提供。平臺采用Spring Cloud框架開發(fā)微服務(wù)，該框架基于Java語言，有快速開發(fā)、持續(xù)交付和容易部署等特點(diǎn)。主要提供的微服務(wù)包括設(shè)備運(yùn)行效率、設(shè)備狀態(tài)歷史、統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行看板、績效看板等。設(shè)備運(yùn)行效率是通過設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)的信號，計(jì)算不同狀態(tài)的持續(xù)時間以及設(shè)備運(yùn)行的工況，通過用戶輸入的產(chǎn)品質(zhì)量信息，計(jì)算設(shè)備綜合效率（OEE），OEE是TPM關(guān)鍵指標(biāo)，可以清晰地了解設(shè)備效率情況，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)歷史分析自動輸出按不同時長、不同時段、不同管理單位、不同人員職責(zé)等各種維度的長期、短期設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便管理人員及時掌握設(shè)備狀態(tài)，改進(jìn)設(shè)備管理、維護(hù)方法，提高設(shè)備利用率。統(tǒng)計(jì)分析優(yōu)化根據(jù)設(shè)備的重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測，與關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對比、同設(shè)備不同時段等的加工參數(shù)和參數(shù)變化分析結(jié)果，供工藝部門進(jìn)行分析優(yōu)化。設(shè)備運(yùn)行看板包括運(yùn)行狀態(tài)包括設(shè)備的開機(jī)、停機(jī)、空載、滿載狀態(tài)。展現(xiàn)的設(shè)備電量（電壓、電流、功率）等能耗信息。設(shè)備績效包括設(shè)備的開機(jī)時長、有效加工時長，設(shè)備運(yùn)行效率。

5結(jié)束語

機(jī)床加工設(shè)備在制造過程中得到了廣泛應(yīng)用，但仍然存在大量無信息接口的制造要素，相關(guān)制造指令和參數(shù)的無法快速發(fā)放與反饋。傳統(tǒng)的人工發(fā)放與反饋模式，存在易出錯、勞動強(qiáng)度大、效率低等缺陷。基于此，平臺應(yīng)用物聯(lián)技術(shù)構(gòu)建機(jī)床加工設(shè)備要素互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工設(shè)備的智能化。平臺支持多種非介入獲取設(shè)備狀態(tài)的方式，而不影響設(shè)備正常運(yùn)行。通過平臺的使用，改進(jìn)生產(chǎn)組織，提升設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率;平臺提高設(shè)備維護(hù)水平，保證高水平設(shè)備可用率;平臺為設(shè)備投資分析和投資管理提供科學(xué)、精確依據(jù);平臺實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)程，促進(jìn)精益生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn);平臺為考核和激勵提供了科學(xué)依據(jù)。