摘 要:隨著兩化融合及智能制造的深入推進(jìn),以大規(guī)模定制化生產(chǎn)為重點(diǎn)的柔性化生產(chǎn)制造模式促使生產(chǎn)設(shè)備愈加復(fù)雜多樣,傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式已無(wú)法適用于多設(shè)備的集成與智能化管理,因此依托先進(jìn)成熟的信息技術(shù)和管理理念構(gòu)建設(shè)備智能化管控體系成為了當(dāng)前智能制造領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù),提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方案,以期為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增收益降成本提供保障的同時(shí),也為設(shè)備管理平臺(tái)的建設(shè)提供一條可行思路。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);云平臺(tái);數(shù)據(jù)挖掘;設(shè)備管控
中圖分類(lèi)號(hào):TP391.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-7344(2018)12-0282-02
1 引 言
隨著德國(guó)工業(yè)4.0的興起及中國(guó)制造2025的落實(shí)推進(jìn),工業(yè)設(shè)備向著自動(dòng)化與智能化的方向不斷深入發(fā)展。與此同時(shí),制造企業(yè)面臨著產(chǎn)品定制化、設(shè)備多樣化、系統(tǒng)復(fù)雜化等生產(chǎn)模式加速集聚的挑戰(zhàn),使得企業(yè)基于信息化手段進(jìn)行智能化改造的需求越發(fā)迫切[1]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)旨在將傳感器、控制器、生產(chǎn)設(shè)備等要素通過(guò)某種方式進(jìn)行無(wú)縫相連,以形成生產(chǎn)過(guò)程信息化、遠(yuǎn)程管控智能化的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)[2]。然而,這也導(dǎo)致了設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有海量性、復(fù)雜性、異構(gòu)性及動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn),使得傳統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)難以滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的高效率、高質(zhì)量、精確決策及實(shí)時(shí)控制的要求。
當(dāng)前,以預(yù)知性維護(hù)決策為核心的設(shè)備管控理念和方法成為了智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其主要依托物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算等技術(shù)構(gòu)建設(shè)備智能管理平臺(tái),不僅可以為用戶提供動(dòng)態(tài)可伸縮的虛擬化資源,還能基于分布式計(jì)算來(lái)充分利用現(xiàn)有的計(jì)算與存儲(chǔ)能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和挖掘分析[3]。通過(guò)挖掘獲取的設(shè)備健康狀態(tài)趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備維管的智能規(guī)劃,以滿足企業(yè)在生產(chǎn)可持續(xù)、提高設(shè)備使用率等方面的迫切需求,同時(shí)對(duì)支撐企業(yè)實(shí)施面向智能制造的智能化設(shè)備管理具有重要意義。
2 設(shè)備智能化管控關(guān)鍵技術(shù)
如圖1所示,設(shè)備生命周期管理一般包括采購(gòu)期、運(yùn)行期和報(bào)廢期,其中從設(shè)備開(kāi)始使用到申請(qǐng)報(bào)廢這一時(shí)間區(qū)間為運(yùn)行期,是設(shè)備管控服務(wù)的重點(diǎn)階段。設(shè)備智能化管控主要基于智能化設(shè)備管理理念,以設(shè)備預(yù)知性維護(hù)策略及生產(chǎn)計(jì)劃排程為核心,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘和云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能感知、維護(hù)、實(shí)時(shí)預(yù)警和高效集成,涉及的關(guān)鍵技術(shù)包含以下幾方面:
2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)
針對(duì)企業(yè)個(gè)性化需求構(gòu)建設(shè)備物聯(lián)網(wǎng),在考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的情況下選擇合適的傳感器及采集終端來(lái)滿足設(shè)備數(shù)據(jù)采集需要,在利用傳感器和無(wú)線感應(yīng)技術(shù)的同時(shí)輔以人工檢查,可以解決因傳統(tǒng)人工方式帶來(lái)的不準(zhǔn)確、不及時(shí)、效率低等問(wèn)題。
2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)
設(shè)備數(shù)據(jù)的規(guī)模海量、類(lèi)型復(fù)雜及結(jié)構(gòu)異質(zhì)等特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)提出越來(lái)越高的要求。從安全、成本等因素考慮,可以將采集的數(shù)據(jù)存入云端存儲(chǔ)系統(tǒng)中,云存儲(chǔ)系統(tǒng)支持本地和云端數(shù)據(jù)流動(dòng),同時(shí)容災(zāi)備份和業(yè)務(wù)遷移較為方便。
2.3 數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)
設(shè)備智能化管理需要基于一系列數(shù)據(jù)狀態(tài)特征構(gòu)建的映射模型來(lái)量化設(shè)備狀態(tài),而數(shù)據(jù)狀態(tài)特征需要通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘分析獲?。孩賹?duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及特征提??;②對(duì)特征空間降維到工程實(shí)用的層次;③采用統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別設(shè)備狀態(tài),通過(guò)狀態(tài)評(píng)估為設(shè)備健康預(yù)測(cè)提供分析依據(jù)和基礎(chǔ)。
2.4 設(shè)備健康趨勢(shì)預(yù)測(cè)及可視化技術(shù)
健康趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法主要包括基于模型、基于知識(shí)和基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)預(yù)測(cè),涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、智能搜索等算法。此外,可利用各種可視化工具或圖形化手段直觀呈現(xiàn)多維度的預(yù)測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用情況、消耗預(yù)警、潛在故障預(yù)測(cè)等應(yīng)用需求的可視化分析。
3 設(shè)備管控云服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)
智能、高效的設(shè)備管理體系是設(shè)備維管部門(mén)和企業(yè)決策者的追求,基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)備管理知識(shí),構(gòu)建符合企業(yè)管理模式的設(shè)備管理體系,讓設(shè)備管理從單一臺(tái)賬管理進(jìn)化到集數(shù)據(jù)智能采集、多維分析、實(shí)時(shí)預(yù)警、高效維護(hù)等功能為一體的全方位管理平臺(tái)?;诖?,本文提出一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺(tái)方案,該平臺(tái)共分為五個(gè)層次,如圖2所示。
3.1 物聯(lián)感知層
物聯(lián)感知層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù),包括設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)涉及的傳感設(shè)備種類(lèi)較多,包括各類(lèi)傳感器、攝像頭、移動(dòng)終端、PLC及儀器儀表等采集裝備。不同的設(shè)備具有不同的監(jiān)測(cè)參數(shù),因此可針對(duì)特定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和個(gè)性化需求,在考慮經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性的情況下選擇相適應(yīng)的傳感器及監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)滿足多維度設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需要,為后續(xù)的分析決策提供數(shù)據(jù)支撐。
3.2 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層
物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層主要用于提供上傳設(shè)備數(shù)據(jù)到云平臺(tái)存儲(chǔ)中心所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,包括有線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò),并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的自由切換和無(wú)縫對(duì)接。通過(guò)將物聯(lián)感知層的數(shù)據(jù)快速傳遞至云平臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信。此外,在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)面向不同設(shè)備類(lèi)型的泛接入通信協(xié)議XM2M以及各種傳輸協(xié)議(如TCP、UDP、MPI等),支持不同制造領(lǐng)域、不同類(lèi)型設(shè)備的接入,從根本上解決基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備管控云平臺(tái)跨領(lǐng)域應(yīng)用的問(wèn)題,降低應(yīng)用的實(shí)施和推廣成本。
3.3 云服務(wù)平臺(tái)層
云服務(wù)平臺(tái)層是整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)的核心,主要提供數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)、計(jì)算、監(jiān)控和管理等服務(wù)。該層包括平臺(tái)運(yùn)行所需的軟硬件組成和各種研發(fā)要素,構(gòu)建統(tǒng)一的基于云服務(wù)的硬件平臺(tái)、軟件基礎(chǔ)平臺(tái)以及數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),并通過(guò)整合各個(gè)應(yīng)用功能軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)開(kāi)放式數(shù)據(jù)接口服務(wù)。此外,該層還提供設(shè)備數(shù)據(jù)挖掘服務(wù),通過(guò)集成各種預(yù)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)更深層次的挖掘分析,為后續(xù)的智能應(yīng)用與決策提供有力保障。
3.4 智能應(yīng)用層
該層基于數(shù)據(jù)挖掘模塊獲得的知識(shí)信息,針對(duì)各種業(yè)務(wù)需求提供相應(yīng)的支持服務(wù),包括設(shè)備健康狀態(tài)管理、設(shè)備管理及優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷、故障分析等核心功能應(yīng)用。平臺(tái)既可基于實(shí)際案例提供若干典型的模型框架供用戶直接使用,也可提供復(fù)雜且個(gè)性化的應(yīng)用服務(wù)。
3.5 角色層
該層提供用戶與平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口,針對(duì)不同角色需要賦予相應(yīng)的權(quán)限。用戶根據(jù)自己的角色權(quán)限分別登陸到各自的業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。采用面向?qū)ο蠼5乃枷?,根?jù)角色權(quán)限的不同構(gòu)建相應(yīng)的工作平臺(tái),然后利用組件技術(shù)封裝打包和集成,在底層通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一。
4 平臺(tái)預(yù)期效果
基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)備接入管理、設(shè)備數(shù)據(jù)分析到智能決策應(yīng)用等多個(gè)階段的功能需求。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集終端獲取設(shè)備的固有屬性、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境等數(shù)據(jù),設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息可以通過(guò)短信、郵件等方式實(shí)時(shí)推送,也可以通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行準(zhǔn)確查詢(xún)和定位顯示。通過(guò)云平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘模塊自動(dòng)對(duì)設(shè)備故障情況、潛在隱患、異常征兆與劣化信息進(jìn)行預(yù)測(cè),及時(shí)做出故障分析、診斷和評(píng)估。此外,挖掘結(jié)果可基于可視化方法生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、異常預(yù)測(cè)、故障分布趨勢(shì)等圖表,為設(shè)備是否按規(guī)范要求進(jìn)行運(yùn)作提供直觀的參考數(shù)據(jù)。將上述可視化信息實(shí)時(shí)推送給設(shè)備維保部門(mén),通過(guò)分析及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況和故障解決方案,并實(shí)施相應(yīng)的工作調(diào)度和安排,指派維護(hù)人員及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)維修,從而達(dá)到提高設(shè)備生產(chǎn)效率、降低設(shè)備故障率以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備管控PDCA循環(huán)的目的。
該平臺(tái)具備全面的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入功能、靈活的數(shù)據(jù)接口、多方位的數(shù)據(jù)保護(hù)、高效的云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和豐富的數(shù)據(jù)挖掘能力,可以推動(dòng)價(jià)值鏈整合與業(yè)務(wù)創(chuàng)新。未來(lái)可根據(jù)客戶需求和技術(shù)發(fā)展繼續(xù)豐富和完善設(shè)備管控云服務(wù)平臺(tái)的各項(xiàng)功能,保持平臺(tái)的魯棒性和技術(shù)先進(jìn)性,為企業(yè)提供設(shè)備管理整體解決方案,并為工業(yè)云平臺(tái)的建設(shè)提供共性基礎(chǔ)技術(shù)。
5 結(jié) 語(yǔ)
“中國(guó)制造 2025”、“兩化融合”等國(guó)家戰(zhàn)略明確提出要利用先進(jìn)的信息技術(shù)助力制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。智能制造的興起以及生產(chǎn)制造模式向著大規(guī)模定制化的轉(zhuǎn)變,使得設(shè)備管理更加需要引入預(yù)知管理決策為核心的智能化管控策略與方法。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘以及云計(jì)算技術(shù)的有機(jī)整合構(gòu)建智能化設(shè)備管控云平臺(tái),能夠高效、智能地實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理從單一臺(tái)賬管理進(jìn)化到集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、挖掘分析等云服務(wù)為一體的全方位管控。在保障企業(yè)設(shè)備可靠性和安全性的前提下,通過(guò)提高生產(chǎn)效率、降低維護(hù)成本來(lái)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,并為企業(yè)設(shè)備管理平臺(tái)的建設(shè)提供一條可行思路。
參考文獻(xiàn)
[1]馬為清,杜慧嬋,牛江蓉.智能制造新模式、新業(yè)態(tài)發(fā)展研究[J].智能制造,2017(7):24~28.
[2]鄭樹(shù)泉.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)與應(yīng)用[J].軟件產(chǎn)業(yè)與工程,2016(6):15~18.
[3]施燦濤,劉璐新.面向智能制造的設(shè)備管理應(yīng)用研究[J].冶金設(shè)備,2016(5):49~52.
[4]張啟亮,韓 鍵,姜麗萍.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2017(4):26~31.
收稿日期:2018-4-11
作者簡(jiǎn)介:廖一星(1981-),男,工程師,大學(xué),主要從事IT技術(shù)服務(wù)工作。