黎瀚文　胡覺醒　王春喜

摘 要：針對汽車車間中對設(shè)備實時狀態(tài)及智能化管理維護的需求，IOT系統(tǒng)需要獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進而開發(fā)了設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序。根據(jù)實際生產(chǎn)車間中的問題與需求，開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序并結(jié)合IOT系統(tǒng)進行應(yīng)用，解決生產(chǎn)難點，提升車間智能化與自動化程度，提高生產(chǎn)效率與設(shè)備管理效率。

關(guān)鍵詞：IOT系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集

1 引言

在汽車制造業(yè)中，數(shù)據(jù)交互非常頻繁，大多是基于各個生產(chǎn)IT系統(tǒng)間的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)交互。與此同時，各個車間存在著多類設(shè)備，各類設(shè)備自身也會產(chǎn)生種類繁多的數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)IT系統(tǒng)對于這些數(shù)據(jù)的采集及使用是較少的，因此現(xiàn)場人員對于設(shè)備狀態(tài)與信息的認知缺乏快速智能的獲取方式[1]。此外，對于現(xiàn)場部分痛點問題也缺少智能化的解決方案，導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍的損失。

IOT（Internet of things）是將各類設(shè)備的多種數(shù)據(jù)收集并分析，最終將設(shè)備的實時狀態(tài)及預(yù)期狀態(tài)等智能化呈現(xiàn)的一個概念。而對這些數(shù)據(jù)的使用分析通常能夠提供多個維度的視角給與車間人員對設(shè)備實時狀態(tài)的了解[2，3]。而IOT的構(gòu)建需要多種類型的設(shè)備數(shù)據(jù)進行支撐，也因此設(shè)備數(shù)據(jù)采集的開發(fā)成為了至關(guān)重要的一環(huán)。在車間中，傳統(tǒng)意義上獲取設(shè)備數(shù)據(jù)的方式并不夠智能化，通常是通過人工記錄的紙質(zhì)版數(shù)據(jù)或是導(dǎo)出的電子版文檔來獲取，這不僅增加了現(xiàn)場員工的工作量并且也增加了數(shù)據(jù)獲取的時間。因此，在工業(yè)4.0的背景下，智能化采集設(shè)備數(shù)據(jù)是非常有必要的。設(shè)備數(shù)據(jù)采集一般可以通過C/java/C#開發(fā)工業(yè)數(shù)據(jù)采集程序，運行在上位端或是邊緣側(cè)通過工控網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[4，5]，進而自動獲取需求數(shù)據(jù)并用過IOT系統(tǒng)智能化呈現(xiàn)。

本文主要介紹運用C#編程語言開發(fā)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序與IOT結(jié)合，在汽車各車間內(nèi)的多類應(yīng)用，用于現(xiàn)場生產(chǎn)痛點的解決與設(shè)備互聯(lián)狀態(tài)信息共享。此外，涉及到的數(shù)據(jù)交互方式及技術(shù)路線也將一并介紹。

2 車間數(shù)據(jù)交互框架

一般而言，需采集的設(shè)備主要分布在沖壓、焊裝、涂裝以及總裝四個車間。在不同車間里的同種設(shè)備可以通過相同的方式進行數(shù)據(jù)交互。而對于不同的設(shè)備而言，數(shù)據(jù)交互所用到的協(xié)議或方式往往是不同的。因此，根據(jù)采集手段的使用，設(shè)計了如圖1所示的數(shù)據(jù)交互框架。數(shù)據(jù)采集程序運行后從設(shè)備端讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)進行解析或處理后存儲于數(shù)據(jù)庫中，再將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至服務(wù)器中完成整個數(shù)據(jù)流。

通過與PLC進行交互從而獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)是較為常用的方式。由于每次通訊之間的報文字節(jié)數(shù)較少，因此這種方式進行高頻的數(shù)據(jù)采集對網(wǎng)絡(luò)的影響會相對較小。然而盡管大部分設(shè)備都會與PLC進行信號和數(shù)據(jù)交互，但由于所能采集到的參數(shù)種類有限等種種因素，同時由于PLC中同一參數(shù)對應(yīng)的DB塊地址標準化程度較低導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集程序通用性較低，因此通常是通過設(shè)備自身所支持的其他方式進行數(shù)據(jù)采集。

對于機器人類設(shè)備及其下掛設(shè)備，數(shù)據(jù)交互是通過該品牌機器人自身支持的協(xié)議或方式來實現(xiàn)。方式包括socket、opc ua、pc sdk、http等。該類設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)除采集程序的開發(fā)外還需相應(yīng)的機器人程序的開發(fā)來進行匹配。需要注意的是機器人程序存在版本更迭，意味著并不是所有的機器人都能夠適配數(shù)據(jù)采集程序。對于搭載較早版本的機器人，若要被采集數(shù)據(jù)則需要進行版本升級。被采集的數(shù)據(jù)分為高頻和低頻數(shù)據(jù)。對于機器人及其下掛設(shè)備而言，高頻數(shù)據(jù)如六軸扭矩、io信號、電流值等參數(shù)以不超過1秒的間隔更新一次，若小于此更新頻率，這些參數(shù)的時效性會大大降低或是難以捕捉到值的變化。此外，對于如扭矩電流這類數(shù)據(jù)，采集頻率的降低還會導(dǎo)致最終時序數(shù)據(jù)曲線失真，失去數(shù)據(jù)分析的價值。

某些設(shè)備則會以一些特定的方式緩存數(shù)據(jù)，例如csv文件、rtf文件等類型。這些數(shù)據(jù)大部分是無法通過機器人或者PLC獲取并存儲在工控計算機上。因此對這些數(shù)據(jù)的采集可以提供更多數(shù)據(jù)種類及維度的支撐。需要注意的是，以上數(shù)據(jù)的獲取通常需要獲得設(shè)備廠家的授權(quán)。

3 通訊要求

數(shù)據(jù)采集程序與設(shè)備進行一般是通過以太網(wǎng)進行通訊，而在進行數(shù)據(jù)交互需要在不影響設(shè)備間IO信號的正常交互的前提下進行。通訊中需要確保各設(shè)備間的連接狀態(tài)穩(wěn)定不掉站，數(shù)據(jù)采集程序所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬不能過高同時單次發(fā)送與接受的報文大小也不應(yīng)過大。由于采集頻率會顯著影響網(wǎng)絡(luò)通訊占用率，因此需根據(jù)車間現(xiàn)場實際情況調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率。此外，還需要根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增加交換機、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)線等硬件設(shè)備打通設(shè)備與程序間的通訊壁壘。

在數(shù)據(jù)采集程序與設(shè)備間的通訊中，設(shè)備通常只負責(zé)接受請求并發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集程序只發(fā)送請求并接收數(shù)據(jù)。為了保證車間網(wǎng)絡(luò)通訊的安全性，通過程序?qū)υO(shè)備進行寫入數(shù)據(jù)的操作是需要避免的，也就是數(shù)據(jù)采集程序“只讀不寫”。

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用

基于C#編程語言開發(fā)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序能夠被應(yīng)用于多種場景進行數(shù)據(jù)交互與存儲。本文選取了其中三個應(yīng)用場景作介紹。

4.1 機器人數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

在采集焊裝機器人數(shù)據(jù)的場景中，數(shù)據(jù)采集程序被部署在現(xiàn)場工控機或是虛擬機中，并根據(jù)品牌的不同通過不同的通訊方式與機器人進行數(shù)據(jù)交互，機器人的歷史信息及實時狀態(tài)的多類數(shù)據(jù)會被讀取。其中根據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)使用的需求，數(shù)據(jù)的采集方式主要分為定時采集或是由特定事件觸發(fā)采集如只讀取生產(chǎn)過程中的機器人坐標變換；此外，不同數(shù)據(jù)相應(yīng)的采集頻率也會根據(jù)最終需求的不同而有所差異，在該應(yīng)用中最快的采集周期可以達到50ms。采集到的數(shù)據(jù)最終會存儲于本地數(shù)據(jù)庫或并打包通過MQTT上發(fā)至IOT平臺，如圖2所示。存儲的數(shù)據(jù)最終會被消費利用，用于IOT中機器人及其下掛設(shè)備狀態(tài)的顯示、預(yù)警提示、曲線分析及預(yù)測等功能開發(fā)的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 壓機數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

沖壓車間中，壓機是十分重要的設(shè)備，而在采集該設(shè)備數(shù)據(jù)的場景中，數(shù)據(jù)采集程序會被部署在現(xiàn)場工控機中，并與PLC進行數(shù)據(jù)交互。所采集數(shù)據(jù)分為變更記錄類與監(jiān)控記錄類。變更記錄類數(shù)據(jù)主要存儲于數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)需求記錄一定時間段的歷史數(shù)據(jù)。此外，車間現(xiàn)場實際使用的壓機參數(shù)值與規(guī)劃的工藝參數(shù)值可能存在著區(qū)別，而該程序還能夠?qū)⒋藚^(qū)別比對并反饋，這對工藝參數(shù)一致性的保證有積極的作用；監(jiān)控記錄類數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)測壓機各方面的實時狀態(tài)，同時某些參數(shù)后續(xù)能夠被用于曲線分析預(yù)測性維護。圖3所示為IOT平臺所接收到的壓機監(jiān)控類數(shù)據(jù)。

4.3 FDS可疑焊點采集應(yīng)用

此外，根據(jù)現(xiàn)場實際出現(xiàn)的問題通過設(shè)備數(shù)據(jù)采集能夠形成解決方案。由焊裝車間中的FDS設(shè)備所導(dǎo)致的焊點存在質(zhì)量異常問題由于沒有相應(yīng)的智能化設(shè)備進行記錄而導(dǎo)致未能形成自動化式的解決方案，這使得車間現(xiàn)場對于該問題的消息傳遞效率較低；同時由于需要人工在零件上對異常焊點進行標記，這導(dǎo)致了生產(chǎn)效率明顯的下降。而針對該問題開發(fā)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序會采集FDS設(shè)備在發(fā)生疑似質(zhì)量不合格情況下所焊接的焊點號、故障代碼以及對應(yīng)的車身號，并將這些數(shù)據(jù)綁定最終行程記錄以網(wǎng)頁畫面的形式投放到現(xiàn)場大屏，形成自動化解決方案，如圖4所示。相較于之前，該解決方案有效地避免了焊點質(zhì)量異常問題發(fā)生時需人工記錄導(dǎo)致的時間成本損失，同時對車間現(xiàn)場消息傳遞效率也有顯著的提升。

5 結(jié)語

在逐漸走向智能化的當(dāng)下，盡管車間已存在多個IT系統(tǒng)用來優(yōu)化生產(chǎn)效率及管理，但對于設(shè)備本身的管理而言依舊存在著不足。而通過上述設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序來獲取數(shù)據(jù)并與IOT系統(tǒng)結(jié)合的實際應(yīng)用，能夠?qū)⒃O(shè)備最新的狀態(tài)信息實時獲取。而汽車車間中存在著較多不同類型的設(shè)備，通過數(shù)據(jù)采集能夠?qū)⑦@些設(shè)備數(shù)據(jù)整合在一個系統(tǒng)中，這對設(shè)備的管理與維護的難度有較大的降低。此外，從設(shè)備端獲取數(shù)據(jù)至上位端最終到客戶平臺的數(shù)據(jù)流的打通可以推動關(guān)于車間現(xiàn)場問題自動化及智能化解決方案的形成，提高汽車工廠的信息化水平。

參考文獻：

[1]王飛， 於雙月， 朱金輝， 李柳姮， & 陳艷. （2019）. 基于以太網(wǎng)通訊的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)實時采集研究. 裝備制造技術(shù)（8）， 7.

[2]鄭文青， & 崔旭冉. （2018）. 自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用. 數(shù)碼世界（8）， 1.

[3]禹鑫燚、殷慧武、施甜峰、唐權(quán)瑞、柏繼華、歐林林. （2020）. 基于opc ua的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 計算機科學(xué)， 47（S02）， 6.

[4]楊文峰. （2021）. 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的海量設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析與研究應(yīng)用. 中小企業(yè)管理與科技.

[5]歐陽旻， 郭玉超， 王桓， & 王志兵. （2020）. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下設(shè)備數(shù)據(jù)采集研究與實現(xiàn). 軟件工程， 23（12）， 4.