浅述智能工厂数据采集与监控系统设计与应用

王萌萌 张洁 王裕喆

摘 要 本文以某制造企业关键核心零部件减速器壳体自动化生产线为研究对象，结合智能制造及企业生产经营要求，应用工业互联网、OPC等相关技术和协议实现智能工厂的生产线设备的联网、数据的采集与监控以及采集数据的分析与利用。

关键词 智能工厂;数据采集与监控系统;工业互联网

序言

智能工厂是现代工厂信息化建设达到一定水平的产物，基础是数字化工厂。智能工厂在管理运行过程中，通过工业互联网技术实现设备数据的实时采集和监控，加强制造过程数据的管理和应用。

工业大数据是以新兴技术的发展为背景，通过工业传感器、无线射频识别、企业资源计划、计算机辅助设计等技术来扩充工业数据量。

作为工业大数据的主要数据来源，数据采集与监控系统（以下简称“MDC”）对其不可或缺。MDC通过软件与设备的双向通信，实现了设备的大数据分析诊断、精益管理、分布式监控及程序上传与下载等;同时充分发挥数控设备的效率，使数控设备网络化、集成化。

1智能工厂自动化生产线简介

LX954减速器壳体为某制造企业生产产品的关键核心零件，产品设计精度高，涉及高精度轴承孔、定位销孔等难点加工内容，该生产线由七台NBH630卧式加工中心和一套桁架输送系统组成，工序间零件的姿态转换和转运均由桁架完成。

结合实际应用情况，通过应用相关的智能制造技术，能够有效实现生产设备与信息化系统之间的互联互通，更好地为工业大数据提供数据支撑[1]。

2智能工厂的数据采集与监控系统设计与具体实现

智能工厂的数据采集与监控系统方案设计主要分为设备数据采集网络方案设计及实施、设备加工参数采集方案设计及实施。

2.1 设备数据采集网络方案设计及实施

网络布线的拓扑结构标准的3层结构，即“核心层——汇聚层——接入层”结构体系，本次网络只需安装汇聚层和接入层交换机与机房核心交换机级联，数控设备与现场接入层交换机之间采用六类屏蔽双绞线敷设，接入层交换机与汇聚层交换机之间采用光纤线路完成，并且在设备两端采用相应的光模块转换敷设。

2.2 生产线设备数据采集

本次智能工厂减速器壳体生产线的设备考虑到生产线分布式监控及大数据分析需要的需要，设备数据采集频率确定为500ms一次。

（1）利用 840D标准化的OPC协议技术进行数据采集

840D 数控系统采用的数据采集方案基于 OPC 的数据交换标准， 840D 上运行的 HMI 软件中包含了 OPC 服务器，且支持COM（Component Object Model），因此设计了基于 COM 和 C/S 架构模式的软件框架。为了将部分监测数据保存并利用，在远程上位机上需要建立数据库。

（2）采集信息变量的确定

结合生产线实际需求，对通过OPC接口能够采集到的数据进行分析，最终确定需要采集的信息。

①卧式加工中心NBH630，采用840ds系统，RJ45网卡采集，可采集参数有机床名称、IP地址、主轴倍率、进给倍率、报警代码、报警内容、主轴负载、主轴转速、进给速度、三色灯状态、开关机状态、急停状态、加工状态、刀具号、轴温度、伺服跟随误差。

②桁架机械手Fibro，采用840dsl系统，RJ45网卡采集，可采集参数有开/关机/报警、是否正在工作、工艺数据。

（3）数据信息采集功能开发

按照系统设计的要求，数据采集客户端采用 OPC 方式读取 NC 变量数据。首先初始化COM并连接西门子OPC服务，其次，建立 OPC 组（ Group），最后在添加 OPC 项（Item）。

由于西门子840D系统采用标准的OPC协议，其OPC服务器的CLSID标识是“ OPC.SINUMERIK.Machineswitch”。在与西门子OPC服务建立连接时，首先要调用CLSID From Prog ID函数去查找“ OPC.SINUMERIK.Machines witch  ”在注册表内关联的类标识符，之后在由 CoCreateInstance 函数来创建 OPC 服务的句柄。

（4）采集数据的传输

由于本系统是基于以太网的采集系統，为了将采集到的变量数据传输到PC端的客户端，需要通过TCP服务来完成，数据发送端由运行于数控系统上的采集软件来实现。首先将采集到的数据写入TCP数据传输服务中，然后在服务器端的控制下将从写入的数据打包，定时发送到上位机的服务器端[2]。

3采集数据的分析与应用

智能工厂的详细制造数据和过程系统本质就是结合管理需要来对设备采集的数据进行汇总、分析和利用。

为了更好提高设备生产效率及利用率，通过MDC，对设备采集的数据进行了系统的分析，指导生产线相关业务的改进，主要功能模块：

（1）设备监控模块：通过此报表，主要实现对生产线所属设备进行监控，通过设备的颜色显示不同设备当时的状态，另外通过点击设备，可观测该设备的监控数据，不同的设备可以根据不同的图标颜色（关机，待机，加工，报警）显示对应设备的状态情况。

（2）设备日志模块：通过此报表，主要实现设备的运行日志、工作曲线及历史记录的显示功能。通过点击生产线设备列表中生产线下的设备，则在查询条件中显示设备编号和设备名称，选择日期，则显示该设备在指定日期内的工作状态情况。

（3）统计图表模块：通过此报表，主要实现被选择的设备在指定的日期相应班次内统计的相关信息。在报表界面下，可以点击选择减速器生产线设备列表中的设备，选择日期、班次，就可以显示该设备在指定日期相应班次的相关信息。

4结束语

本文详细介绍了数据采集与监控系统在制造企业设计、实施以及最终的应用，通过本系统的实际应用使得企业生产过程更加透明，更易监控，生产效率得到改善;此外结合企业实际开发多维度应用数据分析报表，能够有效地为企业的实际业务开展与管理优化提供了支撑。

参考文献

[1] 白萍，周春，张良德.分布式数控系统DNC在离散制造业的应用[J].智能制造，2010，（z1）：107-110.

[2] 王洋，杨喆.基于Web的数控机床网络化监控与管理系统研究[J].军民两用技术与产品，2017（24）：81-82.

作者简介

王萌萌（1991-），男，河南邓州人;毕业院校：河南科技大学，专业：物联网工程，学历：本科，现就职单位：第一拖拉机股份有限公司大拖公司，研究方向：智能制造、企业信息化、软件开发。