數(shù)字化工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

數(shù)字化工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析摘要：制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，我國的制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)位于世界前列。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，生產(chǎn)物料的存儲情況、生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)、流水線上工件的加工進度等均使用人工模式進行記錄，不僅耗費了大量的人力，而且在國際競爭中也不具有優(yōu)勢。為提升產(chǎn)品質(zhì)量，保障企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，在數(shù)字化的浪潮之下，制造業(yè)開始轉(zhuǎn)型，向數(shù)字化方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代社會中數(shù)字化生產(chǎn)需求的出現(xiàn)，企業(yè)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)模式越來越復(fù)雜，為避免企業(yè)因生產(chǎn)模式的復(fù)雜性導(dǎo)致停工停產(chǎn)，越復(fù)雜的生產(chǎn)車間對現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求就越迫切。生產(chǎn)車間需要對生產(chǎn)線在崗員工、設(shè)備運行信息、生產(chǎn)線生產(chǎn)進度等一系列數(shù)據(jù)進行采集，通過顯示端展示給企業(yè)管理人員，保證企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠；生產(chǎn)數(shù)據(jù)；采集系統(tǒng)1數(shù)字化工廠概述建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管控平臺，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、短距離無線通信等在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時在線監(jiān)測和控制能耗設(shè)施，并能根據(jù)實時的能耗信息，實現(xiàn)優(yōu)化控制和集約化生產(chǎn)。將智能傳感器技術(shù)、工業(yè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)、國際開放現(xiàn)場總線和控制網(wǎng)絡(luò)的有線/無線異構(gòu)智能集成技術(shù)、信息融合與智能處理技術(shù)等融入到生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，與現(xiàn)有的企業(yè)信息化技術(shù)融合，實現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、設(shè)備運維與診斷、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤追溯、優(yōu)化排產(chǎn)與在線調(diào)度、用能優(yōu)化及污染源實時監(jiān)測等應(yīng)用。在企業(yè)銷售鏈實施智能物流、智能安防等應(yīng)用。在倉儲、調(diào)度、跟蹤監(jiān)控和產(chǎn)品追溯等環(huán)節(jié)實現(xiàn)對物品、集裝箱、車輛和人員的全程狀態(tài)監(jiān)測和智能調(diào)度，構(gòu)建高效率、低成本和安全的現(xiàn)代物流體系。建立數(shù)字化工廠應(yīng)具備以下核心內(nèi)容：(1)產(chǎn)前準(zhǔn)備數(shù)字化：將設(shè)計圖紙信息模塊化，提取特征保存到服務(wù)器中，在進行產(chǎn)品圖紙設(shè)計時，通過特征分析選取最佳模塊，提升設(shè)計效率；工藝部門依據(jù)產(chǎn)品特點，提前給出生產(chǎn)所需工具設(shè)備，工藝工裝等；檢查部門給出檢測方法以及相關(guān)檢測器具等。將這些信息全部提交至服務(wù)器，以便于生產(chǎn)部門進行整體規(guī)劃調(diào)度。(2)生產(chǎn)能力數(shù)字化：將設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)、工位信息、關(guān)鍵崗位人員等數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。(3)生產(chǎn)過程數(shù)字化：將各工位運行情況，工藝執(zhí)行情況，檢查檢測情況均實時在線上傳至服務(wù)器，使得生產(chǎn)部門可以根據(jù)實際情況指揮生產(chǎn)。(4)物料控制數(shù)字化：將物流信息、庫存信息、半成品信息、成品信息等上傳至服務(wù)器，可根據(jù)物料信息，合理安排生產(chǎn)任務(wù)。(5)車間環(huán)境安全數(shù)字化：將現(xiàn)場的等光、溫度、濕度、煙塵、廢氣等信息通過傳感器上傳至服務(wù)器，安全管理部門可實時監(jiān)控現(xiàn)場的環(huán)境，可有效預(yù)防危害的發(fā)生。2數(shù)字化技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用近年來，數(shù)字化技術(shù)在市政工程、離散型行業(yè)等已經(jīng)得到了較為充分的應(yīng)用，歐洲工業(yè)先驅(qū)西門子公司在德國打造了有“歐洲最佳工廠”之稱的德國安貝格電子制造工廠，率先探索出了從傳統(tǒng)制造向數(shù)字制造轉(zhuǎn)型的技術(shù)路線,數(shù)字化工廠技術(shù)很好地滿足了離散行業(yè)以機械加工裝配為主的流水線型生產(chǎn)作業(yè)模式，提高了生產(chǎn)的柔性和組織性，通過虛擬的數(shù)字化工廠平臺實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化仿真、虛擬制造的全過程。而傳統(tǒng)的流程性行業(yè)，特別是鋼鐵行業(yè)由于其設(shè)備設(shè)施的復(fù)雜性、生產(chǎn)的連續(xù)性、各種物料形態(tài)變化和物理化學(xué)反應(yīng)的不可預(yù)知性，數(shù)字化工廠技術(shù)還沒有得到很廣泛的推廣應(yīng)用。鋼鐵行業(yè)工藝和設(shè)備種類繁多，數(shù)字化設(shè)計建模和數(shù)字化運維的工程量巨大，對模型輕量化處理要求高，數(shù)字化仿真難度大，真正實現(xiàn)數(shù)字化運維的企業(yè)寥寥無幾。鋼鐵企業(yè)經(jīng)過多年的信息化和自動化建設(shè)，已經(jīng)形成了完整的從L0到L5的信息化和自動化控制體系，覆蓋了企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營、設(shè)備管理、能源調(diào)度、物流管控、安全管理等各業(yè)務(wù)層面，積累了海量的數(shù)據(jù)信息，但大量數(shù)據(jù)只是獲取、存儲，其深層價值并未充分挖掘，且各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分屬不同的系統(tǒng)管理，缺乏真正能夠融合多業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)智能化調(diào)度管控的數(shù)字化平臺，數(shù)字化工廠將結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺全面融合各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和前期的設(shè)計數(shù)據(jù)，為企業(yè)的經(jīng)營決策提供智能平臺，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測、多維度分析、智能聯(lián)動、AI預(yù)警預(yù)測，提高數(shù)據(jù)分析的實時性和有效性，從而提髙企業(yè)資源優(yōu)化配置能力和智能決策水平。近年來，國內(nèi)很多有前瞻性的鋼鐵企業(yè)紛紛開始探索數(shù)字工廠的建設(shè)之路，寶鋼1580智能熱軋車間通過打造車間級的數(shù)字孿生平臺，同時融合無人天車技術(shù)、智能軋制控制模型、數(shù)字化設(shè)備運維技術(shù)，大幅提高了車間的物流效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，打造了鋼鐵行業(yè)數(shù)字化工廠的智慧車間示范。河鋼唐鋼新區(qū)從項目籌備期就開始同步建設(shè)鋼鐵行業(yè)首個全流程的數(shù)字化工廠案例，工程設(shè)計之初就通過數(shù)字化平臺進行總圖、公輔管線以及各工藝單元的三維設(shè)計，以數(shù)字化設(shè)計為源頭，同時充分結(jié)合BIM、GIS、AR/VR、數(shù)字化交付等技術(shù)建設(shè)全流程虛擬鋼鐵工廠。通過創(chuàng)新數(shù)據(jù)組織和展示方式，集成展示工廠設(shè)計和建設(shè)信息、全流程生產(chǎn)制造信息、設(shè)備運維信息，實現(xiàn)了“數(shù)字化設(shè)計-數(shù)字化交付-數(shù)字化運維”的全面貫通。3生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述3.1系統(tǒng)簡介傳統(tǒng)的生產(chǎn)車間存在以下問題：生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集不及時、不完善，導(dǎo)致生產(chǎn)線上的員工對零件的加工進度、時間難以掌握，無法保證加工的進度和可靠性；質(zhì)檢時的合格率等數(shù)據(jù)難以及時反饋到生產(chǎn)線上，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整批產(chǎn)品的合格率下降，影響交貨時間；物料的出入庫信息更新慢，無法準(zhǔn)確地為生產(chǎn)車間提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致物料短缺、擠壓，影響企業(yè)的正常運轉(zhuǎn)。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以解決以上問題，促進企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工廠進行數(shù)字化改造的第一步，是管理層對現(xiàn)場生產(chǎn)監(jiān)管的紐帶。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對其內(nèi)部人員、設(shè)備、生產(chǎn)資料等進行實時監(jiān)測，采集生產(chǎn)線員工在崗信息、設(shè)備運行狀態(tài)、物料的進出庫等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)保存，再以波形圖表、數(shù)據(jù)表格的形式呈現(xiàn)給企業(yè)管理人員，提高生產(chǎn)的透明度，方便管理人員掌握生產(chǎn)情況，提高對生產(chǎn)進度的把握能力與調(diào)整有效性。系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中的可疑數(shù)據(jù)實時反饋到操作人員，實現(xiàn)操作員遠(yuǎn)程控制、管理者精確管理生產(chǎn)，提高企業(yè)面對突發(fā)情況的應(yīng)對能力。3.2系統(tǒng)組成3.2.1顯示端顯示端包括APP應(yīng)用、工控一體機、LED顯示屏、觸摸屏等。生產(chǎn)線上的操作員可以從顯示端的顯示器獲取指令，包括生產(chǎn)計劃、設(shè)備維護等一系列指令。同時，可以通過顯示端獲取設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在問題，對設(shè)備進行維修，也可以根據(jù)運行狀態(tài)對生產(chǎn)情況進行調(diào)整，進一步保證生產(chǎn)線的連續(xù)性，減少企業(yè)的損失。顯示端的功能不局限于獲取指令，還包含顯示生產(chǎn)指導(dǎo)書、加工圖紙、上崗考勤、安全預(yù)警等相關(guān)功能。顯示端是人機交互最重要的一環(huán)，讓生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的人、機、物料之間的交互成為可能，工作人員可以根據(jù)顯示信息，靈活安排工作，提高工作的效率。數(shù)字化顯示操作指令，簡化了煩瑣的指令傳達環(huán)節(jié)，使傳達指令更高效；上崗考勤功能，便于開展人員管理，節(jié)約了一定的成本。同時，顯示端將復(fù)雜的裝配工藝圖形化、圖片化，甚至視頻化，既可以降低操作工人培訓(xùn)的復(fù)雜、煩瑣程度，也可以降低對生產(chǎn)線工人基礎(chǔ)技能的要求。通過此類工藝細(xì)化和梳理，有效地提升自動化生產(chǎn)線的效率，同時，使得質(zhì)量獲得進一步的保障。3.2.2傳輸端傳輸端是利用各種網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備布置現(xiàn)場傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用的設(shè)備包括服務(wù)器、路由器、網(wǎng)線、網(wǎng)絡(luò)接口等，運用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過布置的傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，通過顯示端顯示。傳輸端通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將生產(chǎn)線、庫房等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示端，縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，極大地提高了企業(yè)數(shù)據(jù)的匯總能力，使得生產(chǎn)車間的生產(chǎn)情況能夠及時上報。同時，避免了人工傳輸數(shù)據(jù)存在的數(shù)據(jù)出錯問題，提高了數(shù)據(jù)的真實性，提高了生產(chǎn)車間的透明度，強化了管理層對企業(yè)的管理。這些優(yōu)勢促使企業(yè)的信息得到更好的交互與融合，將訂單信息、生產(chǎn)線信息、物料信息、合同履行信息交疊融合，并以時間進度為主線關(guān)系，參照以往的執(zhí)行過程、決策過程、資金過程、物流過程等一系列的過程信息進行數(shù)據(jù)比對與分析，提供最佳的決策方案，提高企業(yè)決策信息的準(zhǔn)確性與時效性。3.2.3控制端操作員可以根據(jù)顯示端的指令，對控制器寫入相應(yīng)的控制程序，控制設(shè)備進行相應(yīng)的生產(chǎn)活動。通過PLC、伺服控制器、嵌入式系統(tǒng)等控制設(shè)備對電機、機械臂、液壓器等設(shè)備進行控制，這不僅可以節(jié)約勞動力成本，還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的競爭力。通過控制端設(shè)置各種參數(shù)的預(yù)警范圍，監(jiān)測設(shè)備的各種參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)置的范圍時進行異常情況匯報，通過顯示端對操作員預(yù)警。利用這些手段，使得生產(chǎn)過程實現(xiàn)“鋼”與“柔”并存的生產(chǎn)體系，對這些過程數(shù)據(jù)進行分析與比對，再將這些對比數(shù)據(jù)導(dǎo)入優(yōu)化模型進行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，以此獲得更加優(yōu)化的控制手段與方法。3.2.4感知端在生產(chǎn)過程中加裝各種傳感器，如溫濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、震動傳感器等，對生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、壓力、位移等數(shù)據(jù)進行采集，并通過傳輸端進行高速數(shù)據(jù)傳輸，方便系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，在一定程度上能夠提高生產(chǎn)效率。同時，感知端是生產(chǎn)過程穩(wěn)定與質(zhì)量保障的重要依據(jù)，通過種類繁多的感知器件，使得過程數(shù)據(jù)和流程得到保障，從某種程度上來說感知端就是企業(yè)的“千里眼”。感知端與傳輸端的穩(wěn)定、有效配合，使企業(yè)的數(shù)據(jù)流獲取和數(shù)據(jù)比對能夠更加有效地實施，以此有效推進生產(chǎn)流程。工廠為了便于管理采購的物料，通常在物料上粘貼標(biāo)簽，使用RFID手持終端識別標(biāo)簽，管理物料的出入庫情況，同時，在生產(chǎn)線上獲取工件的加工順序、加工進度、加工時間等信息，如果某個零件在上一個環(huán)節(jié)未被掃描，則當(dāng)前環(huán)節(jié)會發(fā)出警告。通過讀寫設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，方便管理者進行物料管理、實時分析車間生產(chǎn)線工作情況，方便操作員掌握生產(chǎn)進度。與此同時，生產(chǎn)管理部門依據(jù)物料數(shù)據(jù)的變化，會同相關(guān)物資部門、倉庫管理部、物料驗收部門以及采購、合同和供配套商，及時地開展信息預(yù)警與方案制定并指導(dǎo)落實。4數(shù)字化工廠的應(yīng)用范圍4.1數(shù)字化工廠的體系架構(gòu)數(shù)字化工廠系統(tǒng)整體定位應(yīng)位于企業(yè)的各級生產(chǎn)管理系統(tǒng)上，結(jié)合企業(yè)的公司級管控中心進行建設(shè)和管理，輔助企業(yè)的生產(chǎn)、能源、設(shè)備、物流、安環(huán)等主要業(yè)務(wù)部門基于統(tǒng)一的數(shù)字化平臺實現(xiàn)智能管控。圖3所示為數(shù)字化工廠整體系統(tǒng)架構(gòu)圖。新一代的數(shù)字化工廠規(guī)劃應(yīng)該分智能裝備層、智能車間層和智能管理層三層進行建設(shè)。智能裝備包含各工序現(xiàn)場的智能機器人、智慧天車、機器視覺設(shè)備等內(nèi)容；智能車間包含各工序的專家控制模型、控制系統(tǒng)，車間級的集控中心等；智能管理層應(yīng)覆蓋企業(yè)的生產(chǎn)、能源、設(shè)備等各管理業(yè)務(wù)板塊，其中數(shù)字化工廠平臺是智能管理層的核心，依托數(shù)字化設(shè)計和交付的三維數(shù)字工廠和大數(shù)據(jù)分析平臺整體規(guī)劃建設(shè)，從各業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)整體抽取數(shù)據(jù)，最終打造覆蓋工廠建設(shè)全生命周期（規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)）和全業(yè)務(wù)的數(shù)字化管控平臺。數(shù)字化工廠的業(yè)務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)應(yīng)包括基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和虛擬空間優(yōu)化層?；A(chǔ)支撐層可兼容企業(yè)各設(shè)備、各工序的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)互動層對獲取的各種數(shù)據(jù)進行加工處理，為數(shù)字孿生層提供滿足應(yīng)用要求的數(shù)據(jù)，與智能工廠中定義的數(shù)據(jù)互動層數(shù)據(jù)源一致。模型構(gòu)建層應(yīng)構(gòu)建車間設(shè)施、設(shè)備、管網(wǎng)等物理對象模型，在物理對象模型的基礎(chǔ)上綁定設(shè)計數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和運維數(shù)據(jù)等全生命周期數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層應(yīng)能夠基于物理對象模型實現(xiàn)公司各工序生產(chǎn)過程、物流、環(huán)保、安防、質(zhì)量、能源、定位、設(shè)備等全流程和全生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)。虛擬空間優(yōu)化層應(yīng)能夠基于模型構(gòu)建層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層相關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)模擬仿真、在線過程優(yōu)化、預(yù)測與診斷、管控調(diào)度優(yōu)化、虛擬培訓(xùn)等優(yōu)化功能。4.2數(shù)字化工廠的業(yè)務(wù)應(yīng)用工程建成投產(chǎn)后，進入后期的數(shù)字化運維階段，數(shù)字化工廠平臺以三維工廠模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)接口從企業(yè)的生產(chǎn)管理（manufacturingexecutionsystem，MES）、能源管理（energymanagementsystem，EMS）、設(shè)備管理（enterpriseassetmanagement，EAM）、物流管理（logisticsexecutionsystem，LES）、基礎(chǔ)自動化等系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)，全面集成企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度信息、能源平衡監(jiān)控和報警信息、設(shè)備運行報警以及維護保養(yǎng)信息、物流車輛位置跟蹤信息、環(huán)保排放信息、人員定位信息、視頻安防信息等，為企業(yè)各級運營管理部門提供全方位的服務(wù)。在調(diào)度管理方面，數(shù)字化工廠平臺集成企業(yè)各運營管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，有效地消除信息化系統(tǒng)的信息孤島，為實現(xiàn)跨系統(tǒng)的聯(lián)動、應(yīng)急的管控指揮搭建了基礎(chǔ)平臺。當(dāng)某個設(shè)備發(fā)出故障報警信號時，系統(tǒng)可通過基礎(chǔ)自動化子系統(tǒng)的報警設(shè)備名稱快速地在三維平臺上進行場景切換，對故障設(shè)備進行定位，自動切換顯示對應(yīng)視頻監(jiān)控、設(shè)備運行參數(shù)、相關(guān)的運維標(biāo)準(zhǔn)，同時提示設(shè)備責(zé)任人、處理措施和處理步驟，如有必要可隨時查閱該設(shè)備的設(shè)計圖紙、操作和維護說明書，實現(xiàn)快速的故障響應(yīng)處理，最大程度減少對生產(chǎn)線的影響。同時根據(jù)設(shè)備的類型，自動分析該設(shè)備停機后對公司能源供應(yīng)、生產(chǎn)計劃執(zhí)行造成的影響，提醒公司調(diào)度管理人員快速做出響應(yīng)。通過數(shù)字化工廠平臺的跨系統(tǒng)聯(lián)動，企業(yè)的調(diào)度反應(yīng)能力可得到大幅提高。在設(shè)備運維方面，數(shù)字化工廠以設(shè)備編碼為核心，通過設(shè)備三維模型全面集成設(shè)備的設(shè)計、運行信息，跟蹤記錄設(shè)備的啟停機記錄、實際運行壽命、相關(guān)的維護保養(yǎng)記錄。對于生產(chǎn)線的重要設(shè)備，數(shù)字化工廠可實現(xiàn)設(shè)備零部件級的管理，協(xié)助設(shè)備運維人員快速了解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造，如需對設(shè)備進行下