數字化工廠的生產數據采集系統分析

史宇

【摘? 要】隨著社會生產需求的發展，制造業逐步向數字化、智能化方向發展。制造業轉型的第一步便是對各類數據進行及時采集。論文分析了數據采集系統的組成，對各個組成部分進行了簡要介紹，分析了數據采集系統的優勢。因此，使用數據采集系統可以幫助企業做好數據采集工作，有效提高綜合管理效率。

【Abstract】With the development of social production demand， the manufacturing industry is gradually developing in the directions of digitization and intelligence. The first step in the transformation of manufacturing industry is to collect all kinds of data in time. This paper analyzes the composition of the data acquisition system， briefly introduces each component， and analyzes the advantages of the data acquisition system. Therefore， the use of data acquisition system can help enterprises do a good job in data acquisition work and effectively improve the efficiency of comprehensive management.

【關鍵詞】數字化工廠;數據采集;生產

【Keywords】digital factory; data acquisition; production

【中圖分類號】TP274+.2【文獻標志碼】A【文章編號】1673-1069（2022）04-0161-03

1 引言

制造業是我國的支柱產業，我國的制造業規模已經位于世界前列。在傳統的制造業中，生產物料的存儲情況、生產設備的運行狀態、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勢。為提升產品質量，保障企業生產的連續性，在數字化的浪潮之下，制造業開始轉型，向數字化方向發展。隨著現代社會中數字化生產需求的出現，企業生產車間的生產模式越來越復雜，為避免企業因生產模式的復雜性導致停工停產，越復雜的生產車間對現代化的數據采集系統的需求就越迫切。生產車間需要對生產線在崗員工、設備運行信息、生產線生產進度等一系列數據進行采集，通過顯示端展示給企業管理人員，保證企業生產的連續性。

數字化生產的第一步就是對各類生產數據進行采集，然后利用互聯網技術將工廠、人員、物資連接成一個整體，實現精準化制造，對生產情況實現智能化管理，提高企業的競爭力，最終實現企業的智能制造。數據采集系統通過利用各種傳感裝置和相應的傳感技術，采集車間生產過程中的人員、機床、物料、加工器具、生產環境、加工進度、生產過程工藝、質量等要素信息，實現生產對象的智能識別、人員機床物料的跟蹤定位、生產進度及環境參數等信息的實時監控，最終實現車間生產的智能化管理。車間物聯網改變了傳統車間的生產過程，通過局域網和以太網與對象建立連接，增強了管理人員監控車間和改造流水線的能力，大大提升了工廠的生產力。

2 生產數據采集系統概述

2.1 系統簡介

傳統的生產車間存在以下問題：生產過程中的數據采集不及時、不完善，導致生產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;質檢時的合格率等數據難以及時反饋到生產線上，一旦某個環節出現問題，導致整批產品的合格率下降，影響交貨時間;物料的出入庫信息更新慢，無法準確地為生產車間提供準確的數據，可能導致物料短缺、擠壓，影響企業的正常運轉。應用數據采集系統可以解決以上問題，促進企業的數字化發展。

生產數據采集系統是工廠進行數字化改造的第一步，是管理層對現場生產監管的紐帶。生產數據采集系統主要是對其內部人員、設備、生產資料等進行實時監測，采集生產線員工在崗信息、設備運行狀態、物料的進出庫等數據，并將采集的數據保存，再以波形圖表、數據表格的形式呈現給企業管理人員，提高生產的透明度，方便管理人員掌握生產情況，提高對生產進度的把握能力與調整有效性。系統能夠將生產過程中的可疑數據實時反饋到操作人員，實現操作員遠程控制、管理者精確管理生產，提高企業面對突發情況的應對能力。

2.2 系統組成

生產數據采集系統主要由顯示端、傳輸端、控制端、感知端這4個部分組成，系統組成如圖1所示。

感知端是數據采集系統的基礎，它所采集的數據對系統質量的高低具有決定性作用。傳輸端是系統的核心技術所在，它連接了顯示端、控制端和感知端，系統的可靠性在一定程度上取決于傳輸連接的可靠性，不同級別的數據通過傳輸端不同的傳輸網絡傳輸到不同的數據庫，提高數據的安全性。控制端接收指令，進行生產，并將生產過程中的異常數據反饋到顯示端。整個系統的有效運行，為企業的正常生產保駕護航。

2.2.1 顯示端

顯示端包括APP應用、工控一體機、LED顯示屏、觸摸屏等。生產線上的操作員可以從顯示端的顯示器獲取指令，包括生產計劃、設備維護等一系列指令。同時，可以通過顯示端獲取設備當前的運行狀態，可以及時發現設備存在的潛在問題，對設備進行維修，也可以根據運行狀態對生產情況進行調整，進一步保證生產線的連續性，減少企業的損失。顯示端的功能不局限于獲取指令，還包含顯示生產指導書（見圖2）、加工圖紙、上崗考勤、安全預警等相關功能。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

顯示端是人機交互最重要的一環，讓生產環節中的人、機、物料之間的交互成為可能，工作人員可以根據顯示信息，靈活安排工作，提高工作的效率。數字化顯示操作指令，簡化了煩瑣的指令傳達環節，使傳達指令更高效;上崗考勤功能，便于開展人員管理，節約了一定的成本。同時，顯示端將復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的復雜、煩瑣程度，也可以降低對生產線工人基礎技能的要求。通過此類工藝細化和梳理，有效地提升自動化生產線的效率，同時，使得質量獲得進一步的保障。

2.2.2 傳輸端

傳輸端是利用各種網絡傳輸設備布置現場傳輸網絡，使用的設備包括服務器、路由器、網線、網絡接口等，運用有線網絡和無線網絡等技術，通過布置的傳輸網絡將采集到的現場數據傳送到數據庫，通過顯示端顯示。

傳輸端通過網絡傳輸將生產線、庫房等環節的數據傳輸到顯示端，縮短了數據傳輸的時間，極大地提高了企業數據的匯總能力，使得生產車間的生產情況能夠及時上報。同時，避免了人工傳輸數據存在的數據出錯問題，提高了數據的真實性，提高了生產車間的透明度，強化了管理層對企業的管理。這些優勢促使企業的信息得到更好的交互與融合，將訂單信息、生產線信息、物料信息、合同履行信息交疊融合，并以時間進度為主線關系，參照以往的執行過程、決策過程、資金過程、物流過程等一系列的過程信息進行數據比對與分析，提供最佳的決策方案，提高企業決策信息的準確性與時效性。

2.2.3 控制端

操作員可以根據顯示端的指令，對控制器寫入相應的控制程序，控制設備進行相應的生產活動。通過PLC（見圖3）、伺服控制器、嵌入式系統等控制設備對電機、機械臂、液壓器等設備進行控制，這不僅可以節約勞動力成本，還可以提高生產效率和產品質量，提高企業的競爭力。

通過控制端設置各種參數的預警范圍，監測設備的各種參數，當參數超出設置的范圍時進行異常情況匯報，通過顯示端對操作員預警。利用這些手段，使得生產過程實現“鋼”與“柔”并存的生產體系，對這些過程數據進行分析與比對，再將這些對比數據導入優化模型進行數據訓練，以此獲得更加優化的控制手段與方法。

2.2.4 感知端

在生產過程中加裝各種傳感器（見圖4），如溫濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、震動傳感器等，對生產過程中的溫度、濕度、壓力、位移等數據進行采集，并通過傳輸端進行高速數據傳輸，方便系統讀取數據和分析數據，在一定程度上能夠提高生產效率。同時，感知端是生產過程穩定與質量保障的重要依據，通過種類繁多的感知器件，使得過程數據和流程得到保障，從某種程度上來說感知端就是企業的“千里眼”。感知端與傳輸端的穩定、有效配合，使企業的數據流獲取和數據比對能夠更加有效地實施，以此有效推進生產流程。

工廠為了便于管理采購的物料，通常在物料上粘貼標簽，使用RFID手持終端識別標簽，管理物料的出入庫情況，同時，在生產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節未被掃描，則當前環節會發出警告。通過讀寫設備將數據傳輸到數據庫，方便管理者進行物料管理、實時分析車間生產線工作情況，方便操作員掌握生產進度。與此同時，生產管理部門依據物料數據的變化，會同相關物資部門、倉庫管理部、物料驗收部門以及采購、合同和供配套商，及時地開展信息預警與方案制定并指導落實。

3 優勢分析

隨著大數據時代的到來，人們的生活與企業的生產中充滿了數據，對這些數據進行采集成為一大難題，特別是在生產過程中與生產效率和生產質量相關的數據以及與產品生命周期相關的數據。如何對這些數據進行有效分析，并通過相關模型或比對數據的方式對數據進行高效處理，已成為企業必須思考的重要問題。大數據環境下的生產數據采集系統符合企業發展過程中的數據依托關聯關系，它可以有效地促進或幫助企業獲得規范、有效和有利于企業發展的有價值數據，可以摒棄傳統數據采集模式帶來的冗長與煩瑣問題，通過成熟的數據訓練或者最優化的分析，為生產與決策帶來幫助。相較于人工采集的傳統方式，系統優勢體現在以下幾點：

①數據采集效率高。基于人工采集數據的方式，在采集數據的過程中，極易由人因失誤造成數據采集出現錯誤，并且效率低，耗費大量人力資源。采集系統的應用，不僅提高了采集效率，還避免了因員工失誤造成的損失，同時，一個系統可以對多種數據進行采集、監測，為產品的生產質量添加了一份保障。

②生產透明化。通過數據采集系統可以有效地監測設備和工藝流程的運轉運行情況，也可以通過數據系統實現決策信息的數據化和流程化，通過顯示設備直接觀察生產情況和物料信息與決策管理信息的時間節點，方便企業管理層人員對生產情況進行分析，同時，幫助企業優化生產，使生產計劃更科學、更合理。

③降低生產成本。使用數據采集系統，可以在第一時間發現發生故障的設備，提高設備的使用率，提高生產線的生產效率。同時，通過系統可以設定設備的日常維護與檢查計劃，定期對設備進行保養，延長設備的使用壽命。此外，數據采集系統是對生產過程的補充，在物料、物資和資金方面，大大減少了時間成本的消耗。

④數據實時采集、記錄完整。應用人工數據記錄方法收集的數據量較小，很多數據無法同時收集。如果出現異常，很難快速作出反應，當數據記錄不及時，極易導致有用數據不準確、信息失效。數據采集系統的應用可以解決上述問題，特別是對于管理過程數據，離散化的信息很難實現集中歸類和分析，這使得企業難以獲得高效可靠的決策依據，導致時效性不足。通過對數據采集系統中大數據技術的應用，企業可以獲得更科學、準確、實時的優化手段和方法。

⑤安全性高。應用傳統的人工數據采集方法不僅速度慢、不可靠，而且容易導致數據泄露。競爭對手掌握生產數據后，將大大降低企業的競爭力。使用數據采集系統，采集的數據可以根據不同的安全級別通過傳輸端傳輸到不同的數據庫，針對不同的數據庫設置不同類型的讀取權限，允許數據相關人員查閱數據，而數據無關人員不能同級或者串級查閱，這提高了數據的安全性，保障了企業的核心數據資產。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

4 結語

數據采集系統的使用，提高了企業采集數據的能力，實現了數據數字化傳輸和共享，加快了工廠的數字化發展步伐，為企業向智能化發展奠定了一定的基礎。數據采集系統在生產中的應用，提高了企業生產過程中的透明度，能夠及時發現生產過程中出現的問題，提高生產線的生產效率，降低生產成本，保障企業數據安全，提高企業的競爭力。

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