一、離散制造企業(yè)信息化建設(shè)的一些現(xiàn)狀

　　

　　離散制造企業(yè)普遍建設(shè)有ERP、CAPP等企業(yè)管理及產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，ERP系統(tǒng)解決了車間生產(chǎn)計(jì)劃問題,但對車間執(zhí)行計(jì)劃完成情況的采集主要還是依靠人員手動錄入的方式,不僅效率低，易出錯，而且時效性差，在車間生產(chǎn)管理和控制方面存在短板。作為ERP功能延伸的MES，絕大多數(shù)離散制造型企業(yè)想通過建設(shè)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）來解決車間生產(chǎn)調(diào)度和控制存在的問題，但在建設(shè)過程中，很多企業(yè)面臨一系類瓶頸問題，具有代表性的也是普遍存在的就是離散制造車間生產(chǎn)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)無法及時、準(zhǔn)確的采集，造成了生產(chǎn)部門就不能及時、準(zhǔn)確的得到產(chǎn)品加工數(shù)量，不能自動獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，無法準(zhǔn)確、科學(xué)地制定生產(chǎn)計(jì)劃，不能準(zhǔn)確分析設(shè)備利用率、產(chǎn)品質(zhì)量等等一系類問題，使得車間制造執(zhí)行系統(tǒng)缺乏有效的數(shù)據(jù)支持，制造執(zhí)行成為空中閣樓。一個基于車間信息化系統(tǒng)生產(chǎn)過程的場景我想是這樣的，企業(yè)從外部獲得產(chǎn)品生產(chǎn)訂單后，生產(chǎn)計(jì)劃管理部門根據(jù)現(xiàn)有資源安排相應(yīng)的部門做好準(zhǔn)備工作，包括物料準(zhǔn)備、生產(chǎn)工藝編制、產(chǎn)品二、三維建模、NC加工程序編寫等，技術(shù)準(zhǔn)備完成后，計(jì)劃部門需要根據(jù)當(dāng)前的物料狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)及人員等信息，制定生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)單下發(fā)相關(guān)車間，生產(chǎn)管理人員結(jié)合該車間的物料、人員、設(shè)備等生產(chǎn)資料情況，將具體制造任務(wù)分解后下發(fā)給班組或個人，在生產(chǎn)過程中，車間生產(chǎn)實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)及時反饋車間管理人員，車間管理人員在辦公室就可以實(shí)時獲取當(dāng)前車間運(yùn)行狀態(tài)。針對生產(chǎn)異常情況，如設(shè)備異常、質(zhì)量異常、物料異?？梢詫?shí)時反饋給相關(guān)部門或個人，及時解決，以保證生產(chǎn)高效順利進(jìn)行。這樣的場景應(yīng)該是每個離散制造企業(yè)信息化建設(shè)都想達(dá)到的基本目標(biāo)，完成這一過程，關(guān)鍵在于對人員、物料、設(shè)備、質(zhì)量等信息的實(shí)時采集和監(jiān)測，但事與愿違，大部分離散制造企業(yè)對數(shù)據(jù)采集存在困難。

　　

　　二、離散制造企業(yè)數(shù)據(jù)采集困難原因分析

　　

　　1.生產(chǎn)數(shù)據(jù)多而散

　　

　　離散制造企業(yè)開始從傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向多品種，小批量敏捷制造生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，各種產(chǎn)品涉及不同的物料、設(shè)備、工具及文檔等資料，這些資料離散分布在企業(yè)中，需要采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)種類多，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程相對復(fù)雜。

　　

　　2.設(shè)備種類多，年代跨度大，接口不統(tǒng)一

　　

　　主要表現(xiàn)有，一是離散制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備種類繁多，控制器品牌及接口協(xié)議不統(tǒng)一；二是大多數(shù)設(shè)備尤其是老舊設(shè)備與信息化系統(tǒng)難以甚至無法集成；三是高精尖端設(shè)備大部分依賴進(jìn)口，接口不開放；四是生產(chǎn)現(xiàn)場大量的自動化生產(chǎn)設(shè)備，大多采用PLC來進(jìn)行控制，設(shè)備自身存在大量生產(chǎn)及設(shè)備狀態(tài)信息，理論上只要能與這些自動化控制器通信，就能準(zhǔn)確采集到需要的信息，但是實(shí)際無法獲取信息寄存器存儲位置和數(shù)據(jù)含義，給數(shù)據(jù)采集工作增加了難度。

　　

　　針對以上問題，制定一套實(shí)時，有效并符合離散制造車間特點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)制造車間生產(chǎn)的信息化、透明化至關(guān)重要。AGV調(diào)度有專門的TCS調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，一般不會由MES系統(tǒng)直接調(diào)度，MES可以通過與TCS或WMS集成，進(jìn)行調(diào)度控制。離散車間數(shù)據(jù)采集我覺得是建立在物聯(lián)網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)之上的。

　　

　　三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。將車間實(shí)時采集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，通過企業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用層通過數(shù)據(jù)將制造車間過程可視化，本次主要討論離散制造企業(yè)基于感知層的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)如何被采集。

　　

　　三、解決數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)的辦法

　　

　　車間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括人、機(jī)、料、環(huán)、測等要素。首先說對人員及物料信息采集，通過對人員、物料及其狀態(tài)實(shí)時采集，一方面可以使車間管理人員及時、準(zhǔn)確的掌握車間生產(chǎn)進(jìn)度情況，通過與原計(jì)劃進(jìn)行比較，對訂單任務(wù)進(jìn)行實(shí)時再分配，保證生產(chǎn)準(zhǔn)時完成，另一方面方便企業(yè)管理人員實(shí)時了解企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)運(yùn)行情況，為管理層制定生產(chǎn)計(jì)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在自動化工位，一般不存在人員信息的采集，而物料及其狀態(tài)一般可以通過采集該工位設(shè)備數(shù)據(jù)獲??；在人工工位，對員工信息、物料信息、加工狀態(tài)信息的采集，我們采用在人工工位部署一體機(jī)、掃碼槍及RFID的方式進(jìn)行采集，為每個操作人員分配二維碼，同時為待加工工件分配一個RFID標(biāo)簽，存儲對應(yīng)產(chǎn)品唯一編碼信息，當(dāng)然人員信息也可以通過RFID采集。當(dāng)操作員進(jìn)入工位操作時需在電子看板（一體機(jī)）上通過掃碼槍掃人員二維碼登入，當(dāng)待加工工件進(jìn)入工位時，RFID讀寫設(shè)備提取工件電子標(biāo)簽內(nèi)容，電子看板采集并顯示，產(chǎn)品加工完成進(jìn)入下一工位，或進(jìn)入線邊庫存區(qū)時，一方面追蹤物料當(dāng)前位置，另一方面完成上一工位的報(bào)工。

　　

　　每隔幾百毫秒對關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備采集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括設(shè)備開機(jī)率、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)率、主軸負(fù)載率、運(yùn)行率、故障率、生產(chǎn)率、設(shè)備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質(zhì)量百分比等。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的挖掘與分析，為企業(yè)相關(guān)人員正確決策提供數(shù)據(jù)支撐，關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生故障，如果不及時處理，不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有可能還會引發(fā)安全事故，可以通過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、巡檢及檢維修紀(jì)錄等信息，找到設(shè)備變化的規(guī)律，建立設(shè)備故障數(shù)學(xué)模型，對設(shè)備潛在的故障進(jìn)行預(yù)警。總的來講，設(shè)備數(shù)據(jù)采集有四種方式，分別是直接聯(lián)網(wǎng)通信采集，通過加裝智能網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器采集，通過遠(yuǎn)程IO進(jìn)行采集和內(nèi)嵌客戶端采集。這四種采集方式的應(yīng)用場景，我已在之前文章中描述過，現(xiàn)在我把他貼過來，供大家交流。

　　

　　第一種直接聯(lián)網(wǎng)通信采集。針對協(xié)議開放且為以太網(wǎng)接口類設(shè)備，可以采用直接與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信的方式采集，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備開機(jī)、關(guān)機(jī)、運(yùn)行、暫停、報(bào)警信息、加工數(shù)量及運(yùn)行參數(shù)的采集，典型設(shè)備有FANUC、西門子等數(shù)控機(jī)床。

　　

　　第二種加裝智能網(wǎng)關(guān)，協(xié)議轉(zhuǎn)換器采集。針對有通行接口（以太網(wǎng)、RS485、RS232、CAN等），但協(xié)議不開放的設(shè)備，可以通過加裝明匠牛頓1.0智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行采集，該智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌牛頓1.0操作系統(tǒng)，內(nèi)含協(xié)議容器，可以將私有協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線協(xié)議與采集系統(tǒng)集成。

　　

　　第三種遠(yuǎn)程IO采集，針對沒有控制器也沒有通信接口的設(shè)備，可以通過部署遠(yuǎn)程IO進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集器，通過遠(yuǎn)程IO的方式可以實(shí)時采集設(shè)備的開機(jī)，關(guān)機(jī)，運(yùn)行，報(bào)警等信息。明匠遠(yuǎn)程IO，是工業(yè)級遠(yuǎn)程采集與控制模塊，提供了無源節(jié)點(diǎn)的開關(guān)量輸入采集，通過對設(shè)備電氣系統(tǒng)的分析，確定需要的電氣信號，連接入遠(yuǎn)程IO模塊，由模塊將電氣系統(tǒng)的開關(guān)量、模擬量轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過車間局域網(wǎng)傳送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

　　

　　第四種內(nèi)嵌客戶端采集。針對基于PC機(jī)上層采集軟件的單機(jī)且對外不開放接口的設(shè)備，可以通過在PC機(jī)上內(nèi)嵌客戶端進(jìn)行采集，同時將采集信息通過車間局域網(wǎng)推送服務(wù)器。

　　

　　有些產(chǎn)品的生產(chǎn)車間或倉庫需要在一定的環(huán)境條件（溫度、濕度、清潔度等）下生產(chǎn)或儲存，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。由于離散制造車間環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)多而且離散，有線網(wǎng)絡(luò)和供電部署實(shí)施困難且不易擴(kuò)展。針對這一問題，我們研發(fā)了成本低，組網(wǎng)簡單，功耗低及容量大，基于ZigBee的采集模塊。該模塊可以采用鋰電池供電，同時可以獲取溫濕度等傳感器信號，這些信號通過采集模塊處理后，可以通過Zigbee網(wǎng)關(guān)推送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

　　

　　最后講測測試數(shù)據(jù)，關(guān)注質(zhì)量，嚴(yán)格來說檢測設(shè)備屬于設(shè)備的一種，采集可以參考設(shè)備數(shù)據(jù)采集。有些產(chǎn)品由于考慮生產(chǎn)節(jié)拍或缺乏有效自動化檢測手段，只能通過人工的方式檢測，其檢測異常只能人工通過一體機(jī)選擇相應(yīng)的問題的方式采集。

　　

　　以下是作者與讀者之間的精彩問答：

　　

　　問：若集生產(chǎn)制造、研發(fā)、銷售為一體的企業(yè)，想要在自己內(nèi)部組建一支為企業(yè)智能制造服務(wù)的團(tuán)隊(duì)，其從事企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集這一塊的人才需要具備怎樣的知識結(jié)構(gòu)才能勝任呢？

　　

　　答：這些協(xié)議機(jī)床用的比較多，以后OPC-UA相對更有發(fā)展，我個人認(rèn)為從事數(shù)據(jù)采集工作人員，應(yīng)具備電子、通信、計(jì)算機(jī)、電氣及強(qiáng)電相關(guān)知識，需要有扎實(shí)軟件，硬件、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)知識，軟件包括以C為代表的嵌入式軟件及上位機(jī)軟件（C#,C++等），熟悉各種硬件接口及工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議，具備電氣自動化基礎(chǔ)，具有一定的設(shè)備及數(shù)據(jù)分析能力。

　　

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　　問：離散制造型企業(yè)和流程制造型企業(yè)，在智能制造轉(zhuǎn)型升級的過程中，在數(shù)據(jù)采集這一塊的難點(diǎn)有哪些，如何解決這些難點(diǎn)呢？以及常用的數(shù)據(jù)采集方法有那些呢？能否舉些實(shí)際案例來說明。

　　

　　答：離散制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備種類多、年代跨度大、接口和協(xié)議不統(tǒng)一，有硬件接口的設(shè)備，協(xié)議不開放；本身自帶采集系統(tǒng)的設(shè)備，軟件接口封閉，不支持第三方軟件集成；甚至有些設(shè)備連接口都沒有，這是離散制造企業(yè)數(shù)據(jù)采集面臨的實(shí)際問題和難點(diǎn)。解決這一問題，我們自主研發(fā)了牛頓平臺，在這平臺上開發(fā)一系列的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，包括牛頓1.0智能網(wǎng)關(guān)、串口服務(wù)器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、遠(yuǎn)程IO、效能管理等。

　　

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　　問：對于不開放的機(jī)床如何采集數(shù)據(jù)？

　　

　　答：針對有硬件接口，但協(xié)議不開放的設(shè)備，我們采用牛頓1.0智能網(wǎng)關(guān)采集，將設(shè)備私有協(xié)議轉(zhuǎn)換成開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，提供上層系統(tǒng)；牛頓1.0智能網(wǎng)關(guān)，內(nèi)嵌牛頓1.0操作系統(tǒng)，內(nèi)含協(xié)議容器，包含500多種設(shè)備私有協(xié)議，目前還在增加中。針對有非以太網(wǎng)硬件接口，且協(xié)議開放的設(shè)備，我們采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成硬件接口轉(zhuǎn)換同時提供開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議提供上層系統(tǒng)，無硬件接口類設(shè)備，我們根據(jù)需求，采用遠(yuǎn)程IO的方式或者加裝傳感器方式采集。還有些自帶采集系統(tǒng)，但系統(tǒng)接口不對外開放的設(shè)備或設(shè)備單元，采用在該系統(tǒng)內(nèi)嵌采集軟件的方式采集。最簡單的，以太網(wǎng)接口、軟件接口或協(xié)議開放類設(shè)備，上層采集系統(tǒng)直接采集。文章中我提到了針對焊機(jī)采集的兩種方式：加裝智能網(wǎng)關(guān)和加裝傳感器的方式，下面的案例是針對機(jī)床采用直接采集+加裝傳感器方式采集，在每一臺機(jī)床旁部署一臺一體機(jī)，一體機(jī)中部署明匠DNC系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)直接與機(jī)床通信采集數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，零件加工過程中機(jī)床主軸的震動情況與產(chǎn)品質(zhì)量存在一定的關(guān)系，通過在機(jī)床主軸上加裝震動傳感器采集主軸震動情況判定加工零件的質(zhì)量。下圖是我們針對FANUC機(jī)床開發(fā)的采集軟件。

　　

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　　問：相對于流程制造企業(yè)，離散制造企業(yè)的車間執(zhí)行過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集有哪些特點(diǎn)？

　　

　　答：離散制造相較流程制造自動化及信息化程度低，同時工藝復(fù)雜多變，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)種類多，同時設(shè)備種類多，年代跨度大，接口不統(tǒng)一，采集相對復(fù)雜。同時離散制造車間環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實(shí)施需要考慮的網(wǎng)絡(luò)、布線、安裝等問題。

　　

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　　問：離散制造企業(yè)產(chǎn)品零部件加工工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高，質(zhì)檢工作是生產(chǎn)的重要組成部分，需要對質(zhì)量過程進(jìn)行全面管理，質(zhì)量數(shù)據(jù)采集是數(shù)踞采集的重要組成部分。關(guān)于質(zhì)量數(shù)據(jù)采集這方面，有哪些數(shù)據(jù)采集方式？

　　

　　答：產(chǎn)品質(zhì)量檢測的方式主要有兩種，一種是采用儀表儀器及檢測專機(jī)，另一種采用人工檢測判斷方式。儀表儀器及檢測專機(jī)其實(shí)也屬于設(shè)備類，具體采集方法及方式同設(shè)備數(shù)據(jù)采集，有些產(chǎn)品由于考慮生產(chǎn)節(jié)拍或缺乏有效自動化檢測手段，只能通過人工的方式檢測，其檢測異?？梢匀斯ねㄟ^一體機(jī)選擇相應(yīng)的問題的方式采集。另外有些關(guān)鍵設(shè)備加工時的運(yùn)行參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)，如：注塑機(jī)注塑時的溫度、壓力、時間、速度等參數(shù)；焊機(jī)的輸出電流、電壓、保護(hù)氣體流量及送絲速度等，可以通過對設(shè)備運(yùn)行時的關(guān)鍵參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　

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　　問：數(shù)據(jù)采集是為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，那么明匠在數(shù)據(jù)挖掘及預(yù)測方面是否有所布局？

　　

　　答：在數(shù)據(jù)挖掘方面，明匠為客戶建設(shè)有車間私有云平臺，通過挖掘采集到的產(chǎn)品品質(zhì)信息和生產(chǎn)工藝信息，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

　　

　　在數(shù)據(jù)預(yù)測方面，明匠在客戶車間私有云平臺上，建立設(shè)備數(shù)學(xué)模型，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)做預(yù)防性維護(hù)，降低設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率。

　　

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　　問：可否介紹下對OPC-UA、MTConnect的運(yùn)用設(shè)想？

　　

　　答：我們主推的應(yīng)用架構(gòu)是：目前我們事先了將所有的標(biāo)準(zhǔn)或者非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成OPC UA，牛頓1.0網(wǎng)關(guān)，對于機(jī)床類的應(yīng)用我們現(xiàn)在在做MTConnect的應(yīng)用試點(diǎn)。

　　

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　　問：能不能簡單介紹一下智能網(wǎng)關(guān)和普通的協(xié)議適配器的區(qū)別？

　　

　　答：智能網(wǎng)關(guān)與普通協(xié)議轉(zhuǎn)換器的區(qū)別，1.智能網(wǎng)關(guān)硬件接口豐富、集成協(xié)議種類多，物理接口協(xié)議可選擇、可配置。2.普通協(xié)議轉(zhuǎn)換器接口單一，轉(zhuǎn)換協(xié)議定制，一般適用于協(xié)議開放但非以太網(wǎng)接口的場合。

　　

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　　問：針對國外某些智能機(jī)床廠商不提供接口，現(xiàn)在明匠也是有辦法解決的了？

　　

　　答：目前咱們國內(nèi)廠家主流的數(shù)控系統(tǒng)：i5、西門子、Fanuc、三菱、MAZAK、大偎，這些加在一起市場占有率59%以上，這些很多都不開放接口，我們都可以支持了，其他系統(tǒng)陸續(xù)增加中，一直在路上。

　　

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