【典型案例】三一汽车智能工厂通用数据采集系统研发与应用实践
2023-06-07 来源：新工业网
本文通过分析工程机械制造智能工厂系统总体架构，将工厂数据采集类型分为非智能设备数据采集和智能设备数据采集两大类，为每种设备定制数据采集方案。结合自主开发的一种基于配置的工厂通用数据采集系统，对厂区内的八大工艺、两百余台套设备进行了数据采集和存储，做到了实时在线配置包括设备信息、通信协议、采集信息、上传方式等内容。
1 工厂系统架构及数据采集系统
1.1 工程机械制造智能工厂整体架构
中国工业和信息化部与国家标准委员在国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）中，将智能制造系统架构划分为五个系统层级，包括设备层、 单元层、 车间层、企业层和协同层。基于该建设指南，结合工程机械智能制造工厂的实际情况，列出了对应的智能制造层级和具体内容，如表1所示。
表1 工程机械智能制造工厂系统架构
其中位于底层的是工厂设备层，用以完成实际物理流程的实现、感知和操控；第二层为单元层，负责信息处理、数据监测和流程控制；第三层为车间层级，即面向车间或工厂的管理层级；第四层为企业层，一般包括供应链管理、客户关系管理和产品生命周期管理等服务企业生产经营管理的系统；最上层为协同层，为企业与外部实现信息共享和合作单元。
设备层位于智能制造系统架构的最低层，其核心是数据采集系统，负责所有上层执行及管理系统的数据支撑，是开展智能工厂及数字化车间建设的核心要素，也是考验企业及各系统规划实施的难点之一。
1.2 数据采集系统总体方案和关键技术
本论文基于工程机械制造行业的特点，开发了一种基于配置的通用数据采集系统，其系统架构如图1所示。该数据采集系统层级包括：工厂设备数采、配置软件、执行程序和服务器。
图1 数据采集系统架构
上述工厂设备包括但不限于数控机床、机器人、无人搬运车（Automatic Guided Vehicle，简称为AGV）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称为PLC）或者其他的辅助设备。数据采集系统从各个设备采集配置软件配置好的需求信息，如设备的状态、运行速度、工艺参数等信息，并上传至配置软件配置的服务器中。
通用数据采集系统提供了多种通信协议，向下兼容了工厂所有设备，向上提供了根据标准协议上传服务器的接口，从而解决了现有制造业工厂中设备多、协议复杂的问题，实现了各个设备之间的数据互联互通，基于配置的实现方式，减少了重复开发驱动程序的复杂性，化繁为简，实现了多协议之间的互相转换，多系统之间的数据交互。
2 数据采集与传输
2.1 工程机械制造智能工厂设备简介
工程机械制造行业设备按八大工艺区分，可分为下料设备、成型设备、热处理设备、焊接设备、机加设备、涂装设备、装配设备、调试设备，以及其他生产辅助设备，详如表2所示。
表2 工程机械制造智能工厂设备简介
2.2 数据采集方式
基于表2中所述设备的通信方式，可将其分为非智能设备和智能设备，从而制定不同的数据采集方式。
2.2.1 非智能设备的数据采集
1）采集方式
由于非智能设备不具备直接采集的条件，因此，对于这些设备需要加装采集模块、小型PLC、传感器等方式来进行采集，继而通过网络传输的方式，将采集到的信息上传到指定的服务器中。经过梳理，工厂机械智能工厂中非智能设备主要包含叉车、液/油压机、自动调漆设备、非数控类设备等。
2）采集方案
叉车数据采集方案：通过对在叉车上加装速度、温度、电流、电压传感器，对叉车的运行状态以及在工作状态下的电流、电压数据及运行速度等数据进行采集，并通过无线网络传输装置把信息上传到服务器。
液/油压机采集方案：通过对液/油压机设备加装智能电表、液位传感器，对机器的电流、电压及液体容量信息进行采集，并通过Symlink网关模块进行数据的上传。自动调漆设备、非数控类设备采集方案：通过在自动调漆设备臂杆上安装接近传感器，采集设备的工作状态以及出漆次数，来计算涂料用量；在非数控类设备上安装模拟量采集模块，来采集设备的状态、报警信息等数据。最后通过小型PLC联合北辰的BCNET以太网通讯处理器将数据上传到服务器。
2.2.2 智能设备的数据采集
1）采集方式
对工程机械智能工厂的智能设备进行重新归类整理，大体可分为PLC类、机器人类、数控机床类、AGV、以及其他基于Modbus协议的设备。
对于PLC类的数据采集是通过集成控制系统自带的应用编程接口（API）来进行数据采集，通过API来直接访问PLC的内部寄存器、IO点位等。
对于机器人类设备， FANUC机器人是通过 Robot Interface软件提供的软件开发工具包（SDK）进行数据采集，而Kawasaki机器人、ABB机器人、Yaskawa机器人等机器人都是通过TCP/IP协议进行数据采集。
此外，对于数控机床类和AGV，可以通过系统自带的服务器进行通信采集。比如通过HTTP进行通信交互，所有接口都是标准的HTTP POST/GET协议，所有参数都是以字符串的方式传递，数据编码采用UTF-8，请求和响应的消息主体以 JSON 格式，业务参数存放在BOBY中返回码说明。
2）部分采集方案
涂装生产线采集方案：涂装生产线主要是由Kawasaki机器人和西门子S7-1200 PLC组成。通过TCP/IP协议，OPC协议与设备进行交互，采集数据。采集信息如表3所示。
表3 涂装生产线采集信息
焊接生产线采集方案：焊接生产线主要是由Fanuc机器人和西门子S7-1500 PLC组成。通过SDK，OPC协议与设备进行交互，采集数据。采集信息表如表4所示。
表4 焊接生产线采集信息
2.3 通信及数据存储
2.3.1 通信方式
目前工程机械行业通信方式主要是传统互联网方式，包括千兆网络传输和WIFI网络传输，采用千兆网络传输加少量WIFI网络模块的组合方案。其中，千兆网络传输需要复杂的布线，WIFI网络传输抗干扰性差、传输距离短，而随着5G技术的发展，工程机械行业也在逐步引入5G通信技术来解决这些问题，并开始逐步推广。
2.3.2 数据存储
系统设计采用SQL Server数据库来存储数据，创建日志记录表来记录系统所有操作记录，创建报警信息表来记录系统所有的报警信息。其次，每个设备每天创建各自的表格来记录设备数据采集的信息，并且数据存储的天数可自己设置，系统会自动删除过期的数据采集信息表，避免存储信息过大造成的系统崩溃。
3 系统功能设计及应用
3.1 系统的功能和架构
系统整体设计是基于.NET Core，语言采用C#进行开发，数据存储采用SQL Server数据库。系统主要由五大模块组成，分别为设备配置模块、信号配置模块、线程配置模块、上传配置模块和数据存储模块，如图2所示。
图2 数据采集系统主要模块
设备配置模块：主要功能是添加、删除、修改设备信息。页面会展示所有设备的所有信息，包括设备编码、设备名字、设备类型、设备分类、设备品牌、资产编码、公司代码、工厂编码、IP地址、IP端口号、通信协议等设备信息。其中通信协议决定了设备数据采集的方式，不同设备对应不同的协议。
图3 设备配置模块流程图
信号配置模块：主要功能是增加，修改，删除信号点位信息，每个设备都有一个对应的信号表格。信号点位信息包括信号名称、IOT名称、读取地址、数据类型、IOT类型、信号描述。如果设备是PLC类的，在采集数据的时候需要填写读取地址。
图4 信号配置模块流程图
线程配置模块：主要功能是配置设备的采集线程，可一个设备多个线程采集，也可以一个线程对应多个设备。目前主要采取一个线程对应一个设备，提高线程采集效率和稳定性。
图5 线程配置模块流程图
上传配置模块：在上传配置模块，可以配置1到N个上传服务器，目前软件支持HTTP、MQTT上传。配置信息包含上传服务器的名称、IP地址、端口号、主机地址、主题、通信方式等信息。
图6 上传配置模块流程图
数据存储模块：主要功能用于记录操作日志，报警信息和设备每天采集的数据信息，便于使用人员查询历史信息。
3.2 通用数据采集系统应用
本通用数据采集系统已成功应用于工程机械制造智能工厂，实现了设备数据包括设备的基本信息、设备状态、工艺参数等信息的采集。系统软件界面如图7所示，数据采集覆盖工厂90％以上的设备，支持通信协议20余种。
图7 数据采集系统应用实例
4 结语
面对工程机械制造智能工厂的实际情况，进行了智能制造系统架构的分析，将设备进行分类并配置了柔性的数据采集方案，结合自主开发的基于配置的通用数据采集系统，成功实现了智能工厂多源异构数据的采集和应用。基于本通用数据采集系统，可以简化数据采集流程，提高数据采集的效率，加速工程机械制造行业的数字化、智能化转型进程。
原文刊载于《制造业自动化》2023年5月 作者：三一汽车制造有限公司 饶有福，王云，邹国童 刘义 原文标题为《面向工程机械制造智能工厂的通用数据采集系统研发与应用》
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