數(shù)字化工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

史宇

【摘? 要】隨著社會(huì)生產(chǎn)需求的發(fā)展，制造業(yè)逐步向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。制造業(yè)轉(zhuǎn)型的第一步便是對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)采集。論文分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成，對各個(gè)組成部分進(jìn)行了簡要介紹，分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)勢。因此，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以幫助企業(yè)做好數(shù)據(jù)采集工作，有效提高綜合管理效率。

【Abstract】With the development of social production demand， the manufacturing industry is gradually developing in the directions of digitization and intelligence. The first step in the transformation of manufacturing industry is to collect all kinds of data in time. This paper analyzes the composition of the data acquisition system， briefly introduces each component， and analyzes the advantages of the data acquisition system. Therefore， the use of data acquisition system can help enterprises do a good job in data acquisition work and effectively improve the efficiency of comprehensive management.

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化工廠;數(shù)據(jù)采集;生產(chǎn)

【Keywords】digital factory; data acquisition; production

【中圖分類號】TP274+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號】1673-1069（2022）04-0161-03

1 引言

制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，我國的制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)位于世界前列。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，生產(chǎn)物料的存儲(chǔ)情況、生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、流水線上工件的加工進(jìn)度等均使用人工模式進(jìn)行記錄，不僅耗費(fèi)了大量的人力，而且在國際競爭中也不具有優(yōu)勢。為提升產(chǎn)品質(zhì)量，保障企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，在數(shù)字化的浪潮之下，制造業(yè)開始轉(zhuǎn)型，向數(shù)字化方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代社會(huì)中數(shù)字化生產(chǎn)需求的出現(xiàn)，企業(yè)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)模式越來越復(fù)雜，為避免企業(yè)因生產(chǎn)模式的復(fù)雜性導(dǎo)致停工停產(chǎn)，越復(fù)雜的生產(chǎn)車間對現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求就越迫切。生產(chǎn)車間需要對生產(chǎn)線在崗員工、設(shè)備運(yùn)行信息、生產(chǎn)線生產(chǎn)進(jìn)度等一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過顯示端展示給企業(yè)管理人員，保證企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。

數(shù)字化生產(chǎn)的第一步就是對各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將工廠、人員、物資連接成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化制造，對生產(chǎn)情況實(shí)現(xiàn)智能化管理，提高企業(yè)的競爭力，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能制造。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過利用各種傳感裝置和相應(yīng)的傳感技術(shù)，采集車間生產(chǎn)過程中的人員、機(jī)床、物料、加工器具、生產(chǎn)環(huán)境、加工進(jìn)度、生產(chǎn)過程工藝、質(zhì)量等要素信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)對象的智能識別、人員機(jī)床物料的跟蹤定位、生產(chǎn)進(jìn)度及環(huán)境參數(shù)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的智能化管理。車間物聯(lián)網(wǎng)改變了傳統(tǒng)車間的生產(chǎn)過程，通過局域網(wǎng)和以太網(wǎng)與對象建立連接，增強(qiáng)了管理人員監(jiān)控車間和改造流水線的能力，大大提升了工廠的生產(chǎn)力。

2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)的生產(chǎn)車間存在以下問題：生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集不及時(shí)、不完善，導(dǎo)致生產(chǎn)線上的員工對零件的加工進(jìn)度、時(shí)間難以掌握，無法保證加工的進(jìn)度和可靠性;質(zhì)檢時(shí)的合格率等數(shù)據(jù)難以及時(shí)反饋到生產(chǎn)線上，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整批產(chǎn)品的合格率下降，影響交貨時(shí)間;物料的出入庫信息更新慢，無法準(zhǔn)確地為生產(chǎn)車間提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致物料短缺、擠壓，影響企業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以解決以上問題，促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工廠進(jìn)行數(shù)字化改造的第一步，是管理層對現(xiàn)場生產(chǎn)監(jiān)管的紐帶。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對其內(nèi)部人員、設(shè)備、生產(chǎn)資料等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集生產(chǎn)線員工在崗信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、物料的進(jìn)出庫等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)保存，再以波形圖表、數(shù)據(jù)表格的形式呈現(xiàn)給企業(yè)管理人員，提高生產(chǎn)的透明度，方便管理人員掌握生產(chǎn)情況，提高對生產(chǎn)進(jìn)度的把握能力與調(diào)整有效性。系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中的可疑數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到操作人員，實(shí)現(xiàn)操作員遠(yuǎn)程控制、管理者精確管理生產(chǎn)，提高企業(yè)面對突發(fā)情況的應(yīng)對能力。

2.2 系統(tǒng)組成

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由顯示端、傳輸端、控制端、感知端這4個(gè)部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

感知端是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它所采集的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)質(zhì)量的高低具有決定性作用。傳輸端是系統(tǒng)的核心技術(shù)所在，它連接了顯示端、控制端和感知端，系統(tǒng)的可靠性在一定程度上取決于傳輸連接的可靠性，不同級別的數(shù)據(jù)通過傳輸端不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲煌臄?shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)的安全性。控制端接收指令，進(jìn)行生產(chǎn)，并將生產(chǎn)過程中的異常數(shù)據(jù)反饋到顯示端。整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，為企業(yè)的正常生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2.2.1 顯示端

顯示端包括APP應(yīng)用、工控一體機(jī)、LED顯示屏、觸摸屏等。生產(chǎn)線上的操作員可以從顯示端的顯示器獲取指令，包括生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備維護(hù)等一系列指令。同時(shí)，可以通過顯示端獲取設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在問題，對設(shè)備進(jìn)行維修，也可以根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)對生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步保證生產(chǎn)線的連續(xù)性，減少企業(yè)的損失。顯示端的功能不局限于獲取指令，還包含顯示生產(chǎn)指導(dǎo)書（見圖2）、加工圖紙、上崗考勤、安全預(yù)警等相關(guān)功能。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

顯示端是人機(jī)交互最重要的一環(huán)，讓生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的人、機(jī)、物料之間的交互成為可能，工作人員可以根據(jù)顯示信息，靈活安排工作，提高工作的效率。數(shù)字化顯示操作指令，簡化了煩瑣的指令傳達(dá)環(huán)節(jié)，使傳達(dá)指令更高效;上崗考勤功能，便于開展人員管理，節(jié)約了一定的成本。同時(shí)，顯示端將復(fù)雜的裝配工藝圖形化、圖片化，甚至視頻化，既可以降低操作工人培訓(xùn)的復(fù)雜、煩瑣程度，也可以降低對生產(chǎn)線工人基礎(chǔ)技能的要求。通過此類工藝細(xì)化和梳理，有效地提升自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率，同時(shí)，使得質(zhì)量獲得進(jìn)一步的保障。

2.2.2 傳輸端

傳輸端是利用各種網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備布置現(xiàn)場傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用的設(shè)備包括服務(wù)器、路由器、網(wǎng)線、網(wǎng)絡(luò)接口等，運(yùn)用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過布置的傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，通過顯示端顯示。

傳輸端通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將生產(chǎn)線、庫房等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示端，縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，極大地提高了企業(yè)數(shù)據(jù)的匯總能力，使得生產(chǎn)車間的生產(chǎn)情況能夠及時(shí)上報(bào)。同時(shí)，避免了人工傳輸數(shù)據(jù)存在的數(shù)據(jù)出錯(cuò)問題，提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，提高了生產(chǎn)車間的透明度，強(qiáng)化了管理層對企業(yè)的管理。這些優(yōu)勢促使企業(yè)的信息得到更好的交互與融合，將訂單信息、生產(chǎn)線信息、物料信息、合同履行信息交疊融合，并以時(shí)間進(jìn)度為主線關(guān)系，參照以往的執(zhí)行過程、決策過程、資金過程、物流過程等一系列的過程信息進(jìn)行數(shù)據(jù)比對與分析，提供最佳的決策方案，提高企業(yè)決策信息的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

2.2.3 控制端

操作員可以根據(jù)顯示端的指令，對控制器寫入相應(yīng)的控制程序，控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)活動(dòng)。通過PLC（見圖3）、伺服控制器、嵌入式系統(tǒng)等控制設(shè)備對電機(jī)、機(jī)械臂、液壓器等設(shè)備進(jìn)行控制，這不僅可以節(jié)約勞動(dòng)力成本，還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的競爭力。

通過控制端設(shè)置各種參數(shù)的預(yù)警范圍，監(jiān)測設(shè)備的各種參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)置的范圍時(shí)進(jìn)行異常情況匯報(bào)，通過顯示端對操作員預(yù)警。利用這些手段，使得生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)“鋼”與“柔”并存的生產(chǎn)體系，對這些過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比對，再將這些對比數(shù)據(jù)導(dǎo)入優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，以此獲得更加優(yōu)化的控制手段與方法。

2.2.4 感知端

在生產(chǎn)過程中加裝各種傳感器（見圖4），如溫濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、震動(dòng)傳感器等，對生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、壓力、位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過傳輸端進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，方便系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，在一定程度上能夠提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，感知端是生產(chǎn)過程穩(wěn)定與質(zhì)量保障的重要依據(jù)，通過種類繁多的感知器件，使得過程數(shù)據(jù)和流程得到保障，從某種程度上來說感知端就是企業(yè)的“千里眼”。感知端與傳輸端的穩(wěn)定、有效配合，使企業(yè)的數(shù)據(jù)流獲取和數(shù)據(jù)比對能夠更加有效地實(shí)施，以此有效推進(jìn)生產(chǎn)流程。

工廠為了便于管理采購的物料，通常在物料上粘貼標(biāo)簽，使用RFID手持終端識別標(biāo)簽，管理物料的出入庫情況，同時(shí)，在生產(chǎn)線上獲取工件的加工順序、加工進(jìn)度、加工時(shí)間等信息，如果某個(gè)零件在上一個(gè)環(huán)節(jié)未被掃描，則當(dāng)前環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)出警告。通過讀寫設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，方便管理者進(jìn)行物料管理、實(shí)時(shí)分析車間生產(chǎn)線工作情況，方便操作員掌握生產(chǎn)進(jìn)度。與此同時(shí)，生產(chǎn)管理部門依據(jù)物料數(shù)據(jù)的變化，會(huì)同相關(guān)物資部門、倉庫管理部、物料驗(yàn)收部門以及采購、合同和供配套商，及時(shí)地開展信息預(yù)警與方案制定并指導(dǎo)落實(shí)。

3 優(yōu)勢分析

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，人們的生活與企業(yè)的生產(chǎn)中充滿了數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集成為一大難題，特別是在生產(chǎn)過程中與生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)以及與產(chǎn)品生命周期相關(guān)的數(shù)據(jù)。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，并通過相關(guān)模型或比對數(shù)據(jù)的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，已成為企業(yè)必須思考的重要問題。大數(shù)據(jù)環(huán)境下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)符合企業(yè)發(fā)展過程中的數(shù)據(jù)依托關(guān)聯(lián)關(guān)系，它可以有效地促進(jìn)或幫助企業(yè)獲得規(guī)范、有效和有利于企業(yè)發(fā)展的有價(jià)值數(shù)據(jù)，可以摒棄傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式帶來的冗長與煩瑣問題，通過成熟的數(shù)據(jù)訓(xùn)練或者最優(yōu)化的分析，為生產(chǎn)與決策帶來幫助。相較于人工采集的傳統(tǒng)方式，系統(tǒng)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①數(shù)據(jù)采集效率高。基于人工采集數(shù)據(jù)的方式，在采集數(shù)據(jù)的過程中，極易由人因失誤造成數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且效率低，耗費(fèi)大量人力資源。采集系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅提高了采集效率，還避免了因員工失誤造成的損失，同時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)可以對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測，為產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量添加了一份保障。

②生產(chǎn)透明化。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測設(shè)備和工藝流程的運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行情況，也可以通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)決策信息的數(shù)據(jù)化和流程化，通過顯示設(shè)備直接觀察生產(chǎn)情況和物料信息與決策管理信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，方便企業(yè)管理層人員對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，同時(shí)，幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)，使生產(chǎn)計(jì)劃更科學(xué)、更合理。

③降低生產(chǎn)成本。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的設(shè)備，提高設(shè)備的使用率，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。同時(shí)，通過系統(tǒng)可以設(shè)定設(shè)備的日常維護(hù)與檢查計(jì)劃，定期對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，延長設(shè)備的使用壽命。此外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程的補(bǔ)充，在物料、物資和資金方面，大大減少了時(shí)間成本的消耗。

④數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、記錄完整。應(yīng)用人工數(shù)據(jù)記錄方法收集的數(shù)據(jù)量較小，很多數(shù)據(jù)無法同時(shí)收集。如果出現(xiàn)異常，很難快速作出反應(yīng)，當(dāng)數(shù)據(jù)記錄不及時(shí)，極易導(dǎo)致有用數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、信息失效。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用可以解決上述問題，特別是對于管理過程數(shù)據(jù)，離散化的信息很難實(shí)現(xiàn)集中歸類和分析，這使得企業(yè)難以獲得高效可靠的決策依據(jù)，導(dǎo)致時(shí)效性不足。通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，企業(yè)可以獲得更科學(xué)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的優(yōu)化手段和方法。

⑤安全性高。應(yīng)用傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集方法不僅速度慢、不可靠，而且容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露。競爭對手掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，將大大降低企業(yè)的競爭力。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)可以根據(jù)不同的安全級別通過傳輸端傳輸?shù)讲煌臄?shù)據(jù)庫，針對不同的數(shù)據(jù)庫設(shè)置不同類型的讀取權(quán)限，允許數(shù)據(jù)相關(guān)人員查閱數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)無關(guān)人員不能同級或者串級查閱，這提高了數(shù)據(jù)的安全性，保障了企業(yè)的核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用，提高了企業(yè)采集數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸和共享，加快了工廠的數(shù)字化發(fā)展步伐，為企業(yè)向智能化發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高了企業(yè)生產(chǎn)過程中的透明度，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保障企業(yè)數(shù)據(jù)安全，提高企業(yè)的競爭力。

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