基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)可視化設(shè)計

劉晶晶， 韓秀林， 于振寧， 劉傳水，李建一， 胡 濤， 王 洋

（1. 華油鋼管有限公司， 河北青縣 062658；2. 河北省高壓管線螺旋焊管技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北青縣 062658）

0 前 言

焊管制造是標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)流程， 有著較多的工序、 較復(fù)雜的工藝以及繁多的指標(biāo)等特點，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。 隨著全球焊管市場競爭壓力的增大， 企業(yè)可以通過提高產(chǎn)品質(zhì)量、 產(chǎn)品生產(chǎn)效率、 降低生產(chǎn)過程中的能耗等方式在激烈的競爭中脫穎而出， 將傳統(tǒng)的焊管制造企業(yè)發(fā)展成為智能化、 綠色化的企業(yè)。由于焊管產(chǎn)品的種類和質(zhì)量各不相同， 對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實施有效的采集、 傳輸、 分析和監(jiān)控是提高焊管產(chǎn)品整體質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵， 也是焊管生產(chǎn)企業(yè)從自動化、 信息化走向數(shù)字化、智能化的重要因素。

近年來， 在大數(shù)據(jù)、 云計算、 人工智能為代表的新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下， 石油裝備制造業(yè)緊密把握 “中國制造2025” 戰(zhàn)略機遇，堅持轉(zhuǎn)變發(fā)展方式， 深入推進信息化與工業(yè)化深度融合[1]。 螺旋焊管生產(chǎn)工廠自動化、 信息化水平不斷提升， 通過信息系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)了生產(chǎn)車間人員、 設(shè)備、 物料、 測量等生產(chǎn)要素的實時監(jiān)控[2]。MES 系統(tǒng)[3]、 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[4]和SCADA[5]系統(tǒng)的持續(xù)應(yīng)用與優(yōu)化， 對生產(chǎn)制造過程中的多源信息采集[6]、 生產(chǎn)過程動態(tài)可視化監(jiān)控[7-8]以及數(shù)據(jù)、 信息與知識協(xié)同和交互效能提出了更高的要求[9]。

在焊管生產(chǎn)線向智慧工廠轉(zhuǎn)型過程中， 積累了海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息， 而這些數(shù)據(jù)信息又分布在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中， 存在信息流與實物流脫節(jié)、 生產(chǎn)過程不透明等問題[10]， 如何有效實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的集成應(yīng)用， 并存儲管理、 分析和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)資源進行效率分析， 對于管理決策具有重要作用[11]。 從這個角度出發(fā)， 本研究提出并設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、 SCADA 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)的焊管機組生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)， 并對軟件的設(shè)計與實現(xiàn)進行了敘述， 為信息系統(tǒng)之間的集成提供了實現(xiàn)方式， 為制造過程中的生產(chǎn)過程信息、 設(shè)備狀態(tài)信息、 數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息的監(jiān)控提供了一種新的交互模式和實現(xiàn)途徑。

1 螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程

螺旋埋弧焊管制造工藝從帶鋼進入拆卷機開始， 經(jīng)過二十幾道工序， 最后制成焊管成品， 整個過程全部在機械化、 數(shù)字化的生產(chǎn)線上連續(xù)完成。

焊管生產(chǎn)工藝整體流程如圖1 所示。 從帶鋼開卷到定尺切斷前工序為成型階段。 成型階段的主要工序包括拆卷→矯平→剪板→對頭焊→粗銑邊→精銑邊→遞送成型→內(nèi)外焊接→定尺切斷。在成型階段， 帶鋼經(jīng)螺旋成型及焊接后制成焊管。 精整階段的主要工序包括管端內(nèi)外焊縫磨削→管端擴徑→全焊縫X 光檢測→水壓試驗→管體及焊縫超聲波探傷→倒棱→成品檢驗→成品噴標(biāo)入庫。 經(jīng)過精整階段， 得到合格的螺旋埋弧焊管成品。

2 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)處理引擎的應(yīng)用， 建立實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫， 完成實時數(shù)據(jù)采集、 處理。 MySQL 中間數(shù)據(jù)庫對各種數(shù)據(jù)源分類規(guī)整存儲， 實現(xiàn)生產(chǎn)、 質(zhì)量、 理化數(shù)據(jù)的報表分析導(dǎo)出， 設(shè)備運行狀態(tài)的在線監(jiān)控， 能耗信息的多維度分析及日報月報的多元化分析。 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

2.2 功能架構(gòu)

焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能主要是對焊管生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實施監(jiān)控， 其中包括產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn)工藝、 物料信息等數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整合過濾分析。 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3 所示。

3 焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實施內(nèi)容

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合焊管生產(chǎn)過程中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、 MES 系統(tǒng)、 SCADA 系統(tǒng)搭建ETL 數(shù)據(jù)倉庫[12]，并為算法分析模塊提供數(shù)據(jù)， 把分析結(jié)果回存到ETL 數(shù)據(jù)倉庫。 系統(tǒng)提供用戶對數(shù)據(jù)的管理， 數(shù)據(jù)可視化模塊通過ETL 數(shù)據(jù)倉庫提供數(shù)據(jù)， 對用戶展示。 圖4 所示為焊管生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實施內(nèi)容。

3.1 ETL 數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用

ETL 負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)系統(tǒng)分布的、 異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)， 如關(guān)系數(shù)據(jù)、 平面數(shù)據(jù)文件等， 抽取到臨時中間層后進行清洗、 轉(zhuǎn)換、 集成[13]， 最后加載到數(shù)據(jù)倉庫或數(shù)據(jù)集市中， 成為聯(lián)機分析處理、 大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)[14]。

運用數(shù)據(jù)倉庫ETL 轉(zhuǎn)換處理技術(shù)， 采用轉(zhuǎn)換工具Kettle 軟件進行實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[15]， 自動定時無斷式轉(zhuǎn)移大量歷史數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)抽取高效穩(wěn)定， 實現(xiàn)各異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的互聯(lián)互通， 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多源梳理， 跨數(shù)據(jù)庫按照邏輯設(shè)定對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理， 保障數(shù)據(jù)源頭采集， 數(shù)據(jù)同步按需觸發(fā)， 無人值守式數(shù)據(jù)同步。 圖5 為ETL 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖。

3.2 算法分析

系統(tǒng)以聚類分析、 時間序列模型、 線性回歸等典型的大數(shù)據(jù)處理算法為依據(jù)， 結(jié)合焊管產(chǎn)品的工藝標(biāo)準(zhǔn)、 機組參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、 產(chǎn)量與材耗比、 用電量與生產(chǎn)量比等生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 可以自動識別異常數(shù)據(jù)， 向用戶傳達異常數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折點， 能為管理者改善生產(chǎn)工藝、 降低生產(chǎn)成本、 延長生產(chǎn)機組壽命提供數(shù)據(jù)支持。

以采用聚類分析模型在機組生產(chǎn)時參數(shù)出現(xiàn)異常拐點的情況為例， 對機組生產(chǎn)時的參數(shù)數(shù)據(jù)進行聚類分析。 初步分析確定有兩大類聚類： 正常生產(chǎn)和異常生產(chǎn)。 對參數(shù)曲線進行歸一化處理， 得到該機組的參數(shù)特征； 根據(jù)參數(shù)異常轉(zhuǎn)折點的時間， 對機組的參數(shù)曲線進行比較， 必要時設(shè)置閾值區(qū)間， 不屬于區(qū)間的判斷為機組異常。圖6 為機組生產(chǎn)參數(shù)的聚類分析模型。

3.3 數(shù)據(jù)可視化

可視化過程首先完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的清洗， 并根據(jù)ECharts 基礎(chǔ)圖形圖表庫的參數(shù)要求， 結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化模型對相關(guān)數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理。然后進行可視化分析及數(shù)據(jù)封裝， 構(gòu)建可視化數(shù)據(jù)服務(wù)接口， 再通過Ajax 技術(shù)調(diào)用該接口獲取可視化參數(shù)數(shù)據(jù)， 利用ECharts 庫調(diào)用可視化處理邏輯形成可視化組件， 依據(jù)業(yè)務(wù)需求創(chuàng)建可視化視圖或支持可視化的交互， 利用HTML5 頁面呈現(xiàn)給終端用戶。

系統(tǒng)可視化的內(nèi)容包括：

（1） 機組運行狀態(tài)可視化。 系統(tǒng)通過可視化方式對機組運行參數(shù)以及運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控， 實現(xiàn)機組異常或報警情況的快速處理。

（2） 焊管產(chǎn)品質(zhì)量檢測可視化。 在對產(chǎn)品進行質(zhì)量檢測時， 系統(tǒng)會根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工藝指標(biāo)， 對產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進行可視化分析展示， 實現(xiàn)焊管產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格把控。

（3） 生產(chǎn)消耗可視化。 系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的原材料、 電能、 水、 氣的消耗數(shù)據(jù)進行可視化分析， 實現(xiàn)生產(chǎn)消耗的把控。

4 焊管機組生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)及驗證

基于上述介紹， 設(shè)計開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)， 并進行初步驗證實驗。 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的運行如圖7 所示。

在測試階段， 該系統(tǒng)運行平穩(wěn)， 前端設(shè)計友好， 各級人員都能夠快速、 清晰地從設(shè)備中獲取到實時參數(shù)和指標(biāo)； 通過系統(tǒng)中提供的報表、 圖形、 文檔等模塊， 輔助人員能夠快速做出初步?jīng)Q策； 系統(tǒng)中的設(shè)備故障診斷模塊、 工況異常識別模塊和產(chǎn)品性能指標(biāo)異常模塊等能夠滿足對焊管生產(chǎn)的監(jiān)控需求， 且診斷結(jié)果與實際情況基本一致。 通過對數(shù)據(jù)的可視化處理，該系統(tǒng)使相關(guān)人員能夠直觀、 高效地理解數(shù)據(jù)，是智能監(jiān)控中不可缺少的技術(shù)； 當(dāng)生產(chǎn)線上出現(xiàn)設(shè)備報警或產(chǎn)品質(zhì)量異常時， 報警信息會傳遞給現(xiàn)場人員， 以便及時參與維護和支持移動現(xiàn)場檢查。 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)降低了企業(yè)的運營成本， 提高了焊管生產(chǎn)線的運行效率和產(chǎn)品質(zhì)量， 促進了傳統(tǒng)制造企業(yè)的初步智能化。

5 結(jié)束語

本研究基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的螺旋焊管機組生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)， 開發(fā)了生產(chǎn)線、 質(zhì)量、 設(shè)備和能耗監(jiān)控模塊， 建立起新型的人機交互集成可視化生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控平臺。 平臺采用物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)、可視化分析等新興技術(shù)， 提出基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊管生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集， 有效提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和有效性； 利用數(shù)據(jù)挖掘方法對設(shè)備運行狀況、 工序異常檢測、 產(chǎn)品性能指標(biāo)進行監(jiān)控； 采用可視化技術(shù)輔助用戶完成更有效的分析決策，為提高焊管生產(chǎn)的運行效率和產(chǎn)品質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。現(xiàn)場應(yīng)用表明， 該系統(tǒng)實現(xiàn)了對焊管數(shù)字化車間的實時監(jiān)控與評估分析， 提升了企業(yè)的制造執(zhí)行能力和交付能力， 給企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)控提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 有助于螺旋焊管制造企業(yè)生產(chǎn)向數(shù)字化、 信息化與精益化管理模式轉(zhuǎn)型升級。