基于Web應用的設備數據采集平臺設計與應用

蒙泳行，丁成波，韋家信，李 雄，曹 坤

（上海威克鮑爾通信科技有限公司，上海 200436）

主題詞：自動化設備；設備管理；數據采集

0 引言

隨著公司規模的不斷擴大，為保障和提高產品加工質量和效率，近年來加大了自動化設備的投入，總共配置幾百臺套自動化（半自動化）生產、試驗、機加設備。公司對設備的利用率、稼動率、OEE（Overall Equipment Effectiveness，設備綜合效率）要求也隨之提高，為提升設備管理的效率和質量，公司將逐步對貴陽地區及各分公司的設備進行在線管理，有效掌握這些設備的運行狀態，監測設備運行，用客觀數據實時分析設備利用率、稼動率、OEE，為公司產能和勞動效率提升提供管理決策數據。

1 設備數據采集方法

不同類型的設備，數據采集的方法不同。介紹已經成功實施設備數據采集方法。

（1）機加類設備。機加車間的各類機床設備需要采集軸的輸出信號，其實質是使用電機驅動軸運動來實現產品的車、銑等操作。可以通過采集軸的狀態來判斷設備的使用狀態，例如在機床運行時，通過主軸和進給軸的信息可知道機床的狀態。機床切削運動中的電機的電流大于空載時，可使用電流互感器采集電機動力線上的電流，根據其大小變化來間接判斷軸電機的狀態。

（2）非標類設備帶PLC及上位機。針對于有上位機的非標設備，可預先在設備電控PLC里預留好設備狀態數據通道，在上位機程序添加數據采集功能模塊，由上位機直接讀取PLC里存儲的設備信息后綁定設備的名稱和編號發送至服務器平臺服務端。

（3）非標類設備帶PLC。對于沒有上位機的非標設備，可拓展PLC增加通信網口模塊，并預先在設備電控PLC里預留好設備的狀態數據通道后，直接由采集服務器上位機系統讀取設備的信息。

2 設備數據采集平臺設計

2.1 數據采集物理網絡架構

采集到設備數據后，需要通過網絡將數據傳輸到服務器，數據采集的條件是設備物理聯網，在工業環境中，可以通過有線工業網線聯網或無線網絡聯網，根據保密要求，公司采用有線聯網，網絡結構如圖1所示。

圖1 數據采集網絡物理架構

2.2 數據采集應用架構

為了提高系統運行效率，平臺采用兩層架構：平臺層和車間層（圖2）。平臺層包括數據庫服務器和應用服務器，應用服務器包含Web應用和數據接口應用。Web應用負責設備管理的前臺展示，包含各種看板和報表；數據接口應用負責接收車間層采集服務器上傳的數據。車間層包含采集服務器和上位機、PLC、傳感器；最后統一由采集服務器上傳數據到應用服務器，在增加車間和設備時，不用變動平臺層，增加了平臺的擴展性。

圖2 數據采集應用架構

2.3 采集的數據類型和對應數據庫設計

（1）設備狀態。設備狀態包括運行、故障、停機、關機。設備的運行狀態保存在PLC的1個8位的存儲單元里，設備狀態變化時，PLC存儲單元里的值會立即變化，上位機定時讀取這個值，再把值上傳到應用服務器的數據接口應用，數據接口應用把值插入數據庫服務器上的設備狀態表。根據現場的需求，定時的數據更新時間間隔可以是500 ms到20 s，時間間隔太短，會頻繁更新數據庫，數據庫壓力較大，建議20 s更新一次，基本滿足要求。當設備關機后，不會再更新數據庫，可以通過查詢設備的最后一條狀態新增時間，對比系統當前時間，假如設備長時間（5 min）沒有更新數據，判定設備為關機狀態。

（2）設備故障次數、生產數量。設備故障次數體現設備運行的穩定性，設備生產數量可以體現設備產能。設備故障次數保存在PLC的1個16位的存儲單元里，設備每發生一次故障，故障次數加1，上位機可以定時去讀取這個值，再把當前累計值上傳到應用服務器的數據接口應用，數據接口應用把值插入數據庫服務器上的設備故障次數表。故障次數上傳的時間間隔可以較長，定為5 min，設備生產數量上傳的時間間隔可以較長，定為1 min。故障次數、生產數量累計保存在PLC中，設備斷網也能保證數據的準確性。由于PLC是被動的存儲數據，上位機要主動的去讀取數據，不能在設備發生故障時，立即獲取信息，只能定時讀取。通過時間段，計算設備累計故障次數的差值，可以計算設備每天發生的故障次數，基本準確的計算每小時的故障次數；通過時間段，計算設備生產數量的差值，可以計算設備每天的產能，基本準確的計算每小時的產能。

（3）產品質量數據。對于擁有上位機的設備，上位機可以記錄設備生產的每一個產品的質量數據。不同產品的要采集的質量數據不同，為了統一設計，把單個產品的質量數據合并在一個字段保存，當要具體分析質量數據時，再去解析。質量數據樣式類似字符串：{sbbh：CS010，czy：20188，cpxh：3.0-3.1，cppch：202112021101，ddh：70000012345，CPID：，zljg：1，jgdm：14.000，ztcd：3.033，sqpd：0.747，sh pd：0.694，spxs：355.000，tzd：0.095，NGlx：，dzsfwz：52.000，spjzsd：6000.000，jiasd：600.000，jiansd：600.000，skwz：750.000，bzcsbbh：3.0-3.1，sjc：，zbzdzj：0.694，zbzxzj：0.694，gbzxzj：90.514，tbzxzj：89.000，tbzdzj：89.000，gbzdzj：90.514，bl1：，bl2：，bl3：，bl4：，bl5：，ztcdzl：1，shpdzl：1，shpdmaxzl：0，shpdminzl：0，tzdzl：1，kzzl：0，fxzl：1，ss：1}。通過產品質量數據，可以計算合格率，設備OEE等數據，做更深入的分析。

3 數據處理及效果展示

3.1 定期清理不需要長期保存的數據

對于設備狀態數據，屬于實時數據，顯示設備的當前狀態，不需要長期保存，如果不清理，會占用很多空間，故通過數據庫定時任務，清理3天前的數據。

3.2 對大量數據分表處理

對于設備故障次數，設備開機、停機、故障時間，設備生產數量，產品質量數據，需要長期保存，不能刪除，占用很多空間，對數據庫的性能產生影響，后續數據新增、查詢操作會需要更多的時間。故需要通過手動的方式，把往年的數據，分表保存到歷史數據庫中。

3.3 效果展示

（1）顯示設備當前的狀態（圖3）。

圖3 設備狀態

（2）設備時間統計，根據日期時間段，統計設備的停機時間、故障時間、運行時間、開機時間、利用率、故障率（圖4）。

圖4 設備時間統計

（3）設備小時利用情況統計，可以統計設備當天每個小時的利用率、稼動率，運行、停機、故障、開機時間（圖5）。

圖5 設備小時利用情況統計

4 設備數據采集平臺的展望

隨著設備數據采集平臺技術的發展進步，設備數據采集平臺將朝著更加智能化、科學化的方向發展。在采集到設備數據的基礎上，可以做更深入的大數據分析，利用機器學習、神經網絡等技術，進行數據挖掘，做預測性設備維護，智能排產等工作，設備的數據采集平臺的發展前景遼闊。

5 結束語

隨著公司智能化的發展，自動化設備將會越來越多，通過設備數據采集平臺，可以快速實現設備聯網入網。通過設備數據采集平臺，可以分析設備的使用情況，車間生產情況，為公司上層決策提供依據。