延俊磊，王樹凱，于佳良，李 祥，焦 松

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

生產(chǎn)設(shè)備在制造業(yè)中占據(jù)核心地位，是一個國家工業(yè)發(fā)展不可或缺的組成部分，設(shè)備的數(shù)字化、智能化也是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心。目前，生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備仍然大量存在缺少通信端口的情況，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)無法直接從設(shè)備內(nèi)部采集，是企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型必須解決的問題。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)（圖1）

圖1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過在設(shè)備加裝傳感器或設(shè)備本身的記錄，實時采集設(shè)備狀態(tài)信息，通過通信端口、以太網(wǎng)、IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）等方式傳輸至后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后通過交換機發(fā)送至公司內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲中心，工作人員可通過公司內(nèi)網(wǎng)實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，還可以根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)制定故障預(yù)測邏輯，實現(xiàn)故障預(yù)判功能。設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動報警提示工作人員，相關(guān)工作人員根據(jù)提示情況及設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)情況分析故障原因，制定解決措施，預(yù)防設(shè)備停機，并為設(shè)備預(yù)測性維護提供數(shù)據(jù)支撐，提高設(shè)備管理效率，提升生產(chǎn)效率。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為兩類，一類是設(shè)備自身提供的通信端口，一般有控制系統(tǒng)的設(shè)備自帶通信端口，但因為設(shè)備不同，端口型號、端口協(xié)議也不盡相同，需針對不同端口進行通信協(xié)議的開發(fā)或由設(shè)備制造商提供，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；另外一類是在設(shè)備或設(shè)備控制柜內(nèi)安裝傳感器，通過傳感器采集所需要的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備通信端口采集

一般帶控制系統(tǒng)的設(shè)備具有以太網(wǎng)口或RS-232 通信端口，也可以與設(shè)備制造商商議，由設(shè)備制造商提供通信端口協(xié)議，通過端口協(xié)議直接讀取設(shè)備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括程序開始時間、程序執(zhí)行狀態(tài)、程序結(jié)束時間、設(shè)備壓力、主要部件溫度、開關(guān)控制量、設(shè)備坐標(biāo)、測量結(jié)果等內(nèi)部數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器采集

設(shè)備自身無控制系統(tǒng)或有控制系統(tǒng)但通信協(xié)議不開放，需要增加傳感器（振動、壓力、溫度傳感器等），通過傳感器采集設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。另外，為了實時跟蹤設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，需通過設(shè)備加裝電壓電流傳感器和智能電表結(jié)合的方式進行能源數(shù)據(jù)采集，采集的能源數(shù)據(jù)主要包含設(shè)備的電流、電壓及功率，并通過有線、無線、IoT 等方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務(wù)器進行分析及展示。

設(shè)備能耗數(shù)據(jù)采集，需對每臺設(shè)備主電源加裝開口式互感器和智能儀表，采集設(shè)備的實時電流及電壓，智能儀表根據(jù)采集到的電流、電壓，計算設(shè)備實時功率，并將實時電流、電壓及功率數(shù)值發(fā)送給通信管理機，通信管理機匯聚多臺設(shè)備的采集數(shù)據(jù)后，按照傳輸協(xié)議對數(shù)據(jù)進行整理，然后按照一定的頻率通過交換機發(fā)送到后臺服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行分析整理。

開口式電流互感器進行電流測量，根據(jù)設(shè)備主電源線直徑，每臺設(shè)備配置合適的開口式互感器。開口式互感器接線方式如圖2 所示。

圖2 開口式互感器接線方式

智能儀表應(yīng)具備電力測量、開關(guān)量采集一體化等功能，智能儀表至少具備網(wǎng)絡(luò)通信接口和無線通信接口，即可通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，也可通過WiFi 無線接入網(wǎng)絡(luò)，為了提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以有線網(wǎng)絡(luò)采集為主；既可集中組網(wǎng)，也可分散安裝在設(shè)備上組網(wǎng)。同時預(yù)留安裝5G 模塊的接口，便于后續(xù)5G 模塊的安裝。

智能儀表應(yīng)具備連接顯示面板，顯示面板上設(shè)有漢字液晶顯示屏，實時顯示線路的監(jiān)測量，通過鍵盤可方便地進行監(jiān)測、事故信息、開關(guān)量狀態(tài)的查詢，并通過密碼設(shè)置可進行保護及監(jiān)測功能的整定。智能儀表具備數(shù)據(jù)暫存功能，當(dāng)出現(xiàn)斷網(wǎng)時，智能值儀表能夠暫存采集到的數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再將存儲的數(shù)據(jù)傳輸至后臺分析系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲在公司內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲云端，通過基于集群存儲系統(tǒng)的架構(gòu)，形成高效、合理的數(shù)據(jù)存儲體系，按易存儲、易管理、易使用原則，設(shè)計數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)資源清單設(shè)計數(shù)據(jù)采集流程，將有價值的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)倉庫中，通過接口共享方式，核心數(shù)據(jù)倉保留數(shù)據(jù)控制權(quán)，將數(shù)據(jù)使用權(quán)通過API 接口的形式進行平移，以實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的高可靠性及數(shù)據(jù)的高利用性。

3.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析

依據(jù)數(shù)據(jù)存儲云端存儲的各種設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)，通過設(shè)定算法邏輯，將數(shù)據(jù)進行分析應(yīng)用。還可以通過數(shù)據(jù)不斷積累，將實時運行參數(shù)與設(shè)備故障進行關(guān)聯(lián)分析，制定關(guān)聯(lián)分析模型，通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)控分析。當(dāng)運行參數(shù)滿足模型邏輯時進行故障預(yù)警，提示設(shè)備運行情況，分析異常原因，制定解決措施，預(yù)防設(shè)備停臺。通過數(shù)據(jù)積累，可以為設(shè)備預(yù)測性維護提供數(shù)據(jù)支撐，提高設(shè)備管理效率，推動生產(chǎn)效率提升。

設(shè)備利用率反映設(shè)備實際使用情況，為生產(chǎn)能力設(shè)計和生產(chǎn)決策、分析提供依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

設(shè)備負(fù)載率客觀記錄真實負(fù)載運行情況，為修程優(yōu)化提供精準(zhǔn)客觀數(shù)據(jù)。

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用

將數(shù)據(jù)應(yīng)用分析后，通過搭建一個設(shè)備數(shù)字化平臺，將運行、監(jiān)控、數(shù)據(jù)展示的功能直觀可視化。可以展示設(shè)備運行負(fù)載率、設(shè)備利用率、設(shè)備狀態(tài)歷史信息、設(shè)備運行看板、設(shè)備能耗等信息。設(shè)備運行負(fù)載率是通過設(shè)備實際加工過程中各階段信息，計算不同狀態(tài)持續(xù)時間及設(shè)備所處工況而得出。設(shè)備利用率是統(tǒng)計設(shè)備開機時長及設(shè)備加工時間進行計算而得出。設(shè)備狀態(tài)歷史信息是通過設(shè)定不同時間、不同使用單位、不同人員等多個維度的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計，方便工作人員掌握設(shè)備狀態(tài)，改進設(shè)備維修方式方法，提高設(shè)備利用率。設(shè)備運行看板包含設(shè)備的開機、關(guān)機、待機、負(fù)載、運行時長等狀態(tài)信息。設(shè)備能耗是通過電壓、電流、功率等信息的處理，展示設(shè)備當(dāng)日、當(dāng)月、累計能耗值。

4.1 平臺界面

主界面顯示整個車間在線監(jiān)測設(shè)備的具體位置及實時運行狀態(tài)，設(shè)備實施運行狀態(tài)統(tǒng)計顯示，設(shè)備利用率和負(fù)載率當(dāng)日實時顯示及超閥值提醒顯示（故障顯示）。

子界面顯示單臺設(shè)備運行看板，單臺設(shè)備當(dāng)日運行狀態(tài)統(tǒng)計，單臺設(shè)備利用率和負(fù)載率當(dāng)日實時統(tǒng)計，電壓及電流曲線，單臺設(shè)備的電壓、電流各種閥值設(shè)定入口等。

4.2 設(shè)備利用率

通過分析單臺設(shè)備實際開機情況，結(jié)合實時電流曲線，設(shè)置開機電流值，設(shè)定單臺設(shè)備最大和最小預(yù)警閥值。通過分析單臺設(shè)備開關(guān)機時間、實時電流曲線等數(shù)據(jù)，設(shè)定單臺設(shè)備最大和最小預(yù)警閥值。當(dāng)單臺設(shè)備利用率高于最大預(yù)警閾值時，提醒維保單位加強設(shè)備現(xiàn)場巡檢維護；當(dāng)單臺設(shè)備利用率低于最小預(yù)警閾值時，結(jié)合OEE（Overall Equipment Effectiveness，全局設(shè)備效率）指標(biāo)情況，合理安排生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

4.3 設(shè)備負(fù)載率

通過分析單臺設(shè)備實際工作情況，結(jié)合實時電流曲線，設(shè)置工作電流值，設(shè)定單臺設(shè)備最小預(yù)警閥值。當(dāng)單臺設(shè)備負(fù)載率低于最小預(yù)警閾值時，從負(fù)載時間和開機時間兩方面進行原因分析，若負(fù)載時間較短，提醒相關(guān)單位合理安排生產(chǎn)；若開機時間較長，提醒使用單位及時關(guān)機，減少等待浪費。

4.4 設(shè)備能耗

通過實時采集設(shè)備主電源的電流、電壓信息對設(shè)備的運行負(fù)荷狀態(tài)進行監(jiān)控，也可通過歷史記錄查詢，為設(shè)備故障分析提供數(shù)據(jù)支撐，還可對單臺設(shè)備的能耗進行統(tǒng)計分析。

4.5 輔助生產(chǎn)、工藝，提升管理效能

通過對設(shè)備利用率、負(fù)載率等的統(tǒng)計，可輔助進行工藝布局優(yōu)化及工藝程序優(yōu)化；通過設(shè)備實時運行狀態(tài)監(jiān)控，可為排產(chǎn)計劃提供支持，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

設(shè)備雖然在制造業(yè)是不可或缺的重要組成部分，但在實際應(yīng)用中仍然存在大量缺少通信端口的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法直接從設(shè)備內(nèi)部采集。數(shù)字化平臺可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，以及設(shè)備的數(shù)字化、智能化。該平臺也可以通過加裝傳感器采集數(shù)據(jù)的方式，獲取所需要的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，且不影響其正常運行。通過設(shè)備數(shù)字化平臺，可以優(yōu)化生產(chǎn)排產(chǎn)計劃，提升設(shè)備利用率和設(shè)備運行負(fù)載率，提高設(shè)備維護水平，保障設(shè)備的可靠性，并為設(shè)備預(yù)測性維修和全壽命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐。