淺談基于Factory Talk的設備故障報警數據采集與分析的應用

宋昊鵬，劉巖，邵崇杰，彭勛，曲春雨，李進

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

設備故障記錄與分析在自動化工業生產中扮演著重要的角色，在自動化生產線中常用于生成故障日志，并用于重點設備分析，能夠明確設備維護的重難點，輔助預防性維修策略，推進解決重點問題等。

MRAI噴漆車間成立于2005年，車間在電氣控制系統上使用羅克韋爾品牌PLC，車間級中控視圖使用Factory Talk軟件（如圖1）。此軟件能夠與羅克韋爾品牌PLC良好通信，除用于設備視圖編輯與監控外，還能用于數據的配置與記錄。通過對記錄的文件轉換、處理，以及通過Tableau軟件制成可視化圖表（如圖2），有能力對設備故障的記錄進行分析。

圖1 Factory Talk軟件的車間設備視圖

圖2 Tableau軟件工作表視圖

設備故障的記錄文檔，通常來源于專人專項的工作，數據分析的結果也常伴隨主觀色彩，記錄的數據以及分析的結果往往與實際的設備狀況有所差距。人工進行數據記錄，除需要專人投入此項工作外，還需要操作工或維修工參與此工作中，無形中增加了設備維護團隊的工作量，也難以確保數據記錄的精準性。

為避免造成人工工時的浪費，確保故障記錄數據的準確性，能夠長期保留故障記錄文檔，建立一個能夠在長期自動記錄故障數據并生成數據庫文件的策略提供了一種選擇。相較人工進行數據記錄與分析，此策略具備占用時間少、自動化程度高、運營成本低、數據準確性高、數據易于保存、數據易于處理與分析、數據可視化程度高等優勢。

此數據采集與分析的策略自應用以來，有效分析出了車間級的多發問題以及重大問題。為提高設備運轉率提出了明確的優化項，優化了解決故障的響應策略。同時，通過降低不必要的人工成本，減少企業的損失。

2 可行性分析

Factory Talk軟件（以下稱為FT）能夠與羅克韋爾品牌PLC建立連接，能夠訪問PLC內標簽地址。故通過添加PLC標簽及報警的方式，可以實現監控車間內各設備PLC的故障報警標簽的狀態，從而實現實時的故障狀態監控。

通過使用FT的附件“HMI標簽報警記錄設置”能夠將實時的報警、時間戳、報警狀態及其描述信息記錄至監控設備的服務器，也可以實現將實時的故障信息記錄至本地文件，通過周期性地創建新文件，再次在新文件內進行寫入操作，便可實現周期性的故障記錄日志的自動生成。

使用FT的附件“Factory Talk View文件查看器”，可以打開故障記錄日志并查閱，并能夠轉換為“.csv”格式的Excel文件。Excel文件可以通過數據篩選、排序、批量添加函數等的方式，處理可用的數據。例如，通過報警起始點與結束點的時間戳進行求差運算，可以批量運算各故障的持續時間。

使用Excel軟件將完成數據處理的電子表格轉換為“.xlsx”格式，此格式可作為Tableau軟件的數據源。通過Tableau軟件對數據后處理，制作可視化的圖表，即可完成對故障報警數據的匯總與分析。

經過上述的分析，通過應用FT與Tableau軟件，實現車間級故障數據采集與分析的可行性很高。

3 軟件選擇及其功能

3.1 鏈接軟件的選擇及其功能

在邏輯控制器上的選擇上，MRA1噴漆車間廣泛使用了羅克韋爾品牌1756-L7x系列的PLC，此類PLC使用CIP通信方式。MRA1噴漆車間使用1756-ENBT模塊為PLC接入設備中控網絡，通信協議為EtherNet/IP，通過以太網網絡即可實現PLC與設備中控系統的連接。

FT是羅克韋爾公司發布的人機交互工程軟件，在安裝此軟件的同時安裝FactoryTalk Linx軟件（此后簡稱FT Linx），并配置各PLC通信模塊的型號及地址，通過此軟件的掃描到遠程PLC，即可實現FT軟件與遠程PLC的鏈接，以數據通信作為基礎（如圖3）。

圖3 FT Linx軟件鏈接編輯視圖

3.2 人機交互工程軟件的選擇及其功能

FT軟件內部集成了FT Linx插件，能夠訪問PLC內標簽地址，故通過添加標簽報警的方式，可以實現監控車間內各設備的故障報警標簽的狀態。此外，此軟件能夠繪制各設備的視圖、記錄并存儲數據模型、建立與觸發事件、監視或更改PLC內的設備參數標簽數據、發布客戶端視圖界面至Web端實現等。

FactoryTalk View Studio軟件的安裝包可安裝視圖編輯軟件、視圖監視軟件以及其他相關的附件，使用FactoryTalk View Studio編輯軟件能夠將車間內的PLC報警標簽、描述信息、報警觸發邏輯等內容逐一添加至FT項目，也可以導入至標簽與報警的“.csv”文件，并使用“標簽導入和導出向導”將數據導入FT項目，都能夠實現配置報警數據。

通過附件“HMI標簽報警記錄設置”配置實時報警信息記錄的策略，可以將記錄的數據寫入本地文件，通過周期性地創建新文件，再次在新文件內進行寫入操作，便可實現周期性的故障記錄日志的自動生成。FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”能夠查閱實時的故障日志（如圖4），其中“Factory Talk View文件查看器”能夠將完成寫入操作的日志轉換為“.csv”格式的Excel文件。

圖4 使用“AlarmlogView”查閱設備故障日志

3.3 圖表繪制軟件的選擇及其功能

在圖表繪制軟件上的選擇上，使用了Tableau軟件。Tableau Desktop 是基于斯坦福大學突破性技術的軟件應用程序。它能生動地分析實際存在的結構化數據，以在幾分鐘內生成美觀的圖表、坐標圖、儀表盤與報告。利用 Tableau簡便的拖放式界面，可以自定義視圖、布局、形狀、顏色，等等，展現自己的數據視角。

在數據處理能力、圖表模型數量上，Tableau是具備一定優勢的軟件，能夠很方便地關聯多種數據庫文件、表格、文檔等，因此，在繪制圖表上是一個理想的選擇（如圖5）。

圖5 使用Tableau關聯Excel文件

Tableau軟件實現了數據從文本轉換為圖表的過程，不同于傳統的Excel表格制圖，Tableau能夠較智能地主動選擇圖表類型、格式、標題內容，較方便地進行數據類型選擇，極大地縮短了繪制圖表的時間。

4 配置流程及其參數

4.1 PLC路徑鏈接參數配置

在使用Factory Talk View Studio軟件創建了一個FT項目后，首先，需要確定關聯哪些PLC。為此，配置PLC路徑的鏈接必不可少。配置PLC路徑鏈接使用FT Linx軟件，在軟件的主視圖內創建一個EtherNet鏈接，并選擇Configure Shortcut，為此EtherNet鏈接配置與之關聯的PLC通信模塊。隨之進入“Factory Talk Administration Console”附件界面，選擇已創建的FT項目樹的FTLinx子項目中的Communication Setup，在此處添加與設備中控在物理層相連的PLC通訊模塊。

在Device Shortcut視圖內，新增路徑鏈接并為此鏈接賦予一個對應目標PLC的名稱。在Primary視圖內，在此FT項目的EtherNet鏈接處，右鍵選擇Add Device，選擇目標PLC與設備中控通信模塊的型號（如圖6）。配置此模塊的命名、實際IP地址及其在PLC背板機架上的槽號（如圖7）。打開生成的通信模塊的鏈接，直至掃描到PLC模塊，分別選擇并點擊此PLC模塊與Device Shortcut內相應的路徑鏈接后，點擊Apply完成確認，即完成此FT項目內的一條PLC路徑鏈接的添加。將PLC路徑鏈接添加完成后的效果如上文中的圖3。

圖6 使用FT Linx選擇目標PLC通信模塊型號

圖7 使用FT Linx配置PLC通訊模塊路徑參數

4.2 設備的PLC標簽及其報警配置

在Factory Talk View Studio軟件創建的項目內，進入標簽功能中，此界面用于配置創建HMI標簽及其報警。

為用于作為報警信息的HMI標簽創建一個文件夾，例如，Alert，在此文件夾內創建的標簽名可按照實際需求進行數字編碼。在新建標簽時，需要填寫此數字編碼，定義為開關量標簽以備報警信息使用；將PLC標簽按照“[PLC路徑鏈接名]PLC標簽”的格式填寫至“地址”處，并為此標簽填寫描述信息；關與開的標記為0與1時，與此標簽實際的低電平、高電平對應，反之則相反；勾選報警一欄后，可配置此標簽的報警規則（如圖8）。

圖8 創建FT項目內HMI標簽

為HMI標簽配置報警時，需要選擇“開”或“關”報警，與標簽的數值有關，觸發報警的標記為1，解除報警的標記為0，報警中、解除報警、確認報警的信息處填寫“100s”時，在報警中、解除報警、確認報警時，分別會顯示出最長為100個字符長度的標簽描述信息（如圖9）。

圖9 配置HMI標簽的報警規則

4.3 報警記錄文件的配置

使用FT的“HMI標簽報警記錄設置”附件，能夠配置數據記錄文件的路徑，以及更新數據記錄文件的周期。在數據記錄的過程中，文件可以被讀寫，但是，因為此文件資源被獨占的原因，無法實現記錄文件的格式轉換。通常設置每天進行一次數據文件的周期性創建。數據記錄的文檔，無論是否正在被寫入，均可以使用上文提到的FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”進行查閱，其中“Factory Talk View文件查看器”能夠將已完成寫入的文檔另存為可用Office軟件編輯的“.csv”格式。如需要將數據記錄至遠程服務器，可以選擇“中心記錄”進行配置，可以配置數據上傳周期、事件同步、選擇目標ODBC數據庫文件等參數（圖10）。

圖10 配置報警記錄文件規則

5 處理數據與圖表構建

5.1 處理報警信息記錄文件

已完成寫入操作的文件可轉換為電子表格，其中表格中“;TimeStmp”為事件起始點的時間戳，“TransType”為事件類型（報警開始、報警結束、確認報警），“TagName”為報警的HMI標簽，“Dscrptn”為HMI標簽的描述，僅保留此四列數據。

將剩余的數據自定義排序，主要關鍵字為“Dscrptn”，可設置次要關鍵字為“;TimeStmp”。單次報警累計時間可用函數進行計算，例如，在E列E1創建關鍵字“Flttm”，E2內輸入以下函數：

=IF(C2=C1,IF(B2=”OutAl”,IF(B1=”InAlm “,(A2-A1)×1440,0),0),0)

雙擊E2右下角實心十字標志，即可自動運算每一報警的累計時間，將E列數據格式更改為常規，（數據默認為保留10位數字的浮點數）單位為分鐘（圖11）。

圖11 計算單次故障報警時長的函數式

在完成數據處理后，將文件另存為“.xlsx”格式，以備Tableau軟件使用。

5.2 使用Tableau為報警信息按計數排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數據區。如果需要將多個報警日志連接至數據區，需要在Tableau的數據界面創建一個包含所需日志的并集數據源（圖12）。

圖12 創建包含所需日志的并集數據源

根據日志（或多個日志的并集）數據源建立工作表。將“Trans Type”和“計數”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“InAlm”設置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實際顯示的圖表即為日志（或多個日志的并集）的故障報警的降序排序（圖13）S。

圖13 報警信息按計數排序

5.3 使用Tableau為報警信息按計時排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數據區。如果需要將多個報警日志連接至數據區，需要在Tableau的數據界面創建一個包含所需日志的并集數據源。

根據日志（或多個日志的并集）數據源建立工作表。將“Flttm”更改數據類型為“數字（小數）”，并“轉換為量度”，將“Trans Type”和“Flttm”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“OutAl”設置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實際顯示的圖表即為日志（或多個日志的并集）的故障報警的降序排序（圖14）。

圖14 報警信息按計時排序

6 結語

此設備故障報警數據采集與分析的應用，使用近半年以來，該系統運行穩定、人機交互性強、智能化程度高。數據轉換正確率達到了100%，數據丟失率低于0.01%，起到了穩定的數據記錄與導向重點問題分析的作用。同時，在搭建此系統的過程中，提高了搭建數據記錄系統、使用數據分析工具的能力，在增強企業設備自動化、智能化的程度上起到了積極的效果。此系統的成功應用可為同行提供一定參考。