工業(yè)大數(shù)據(jù)建模方法及生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究

摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，大數(shù)據(jù)智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，有效推進了我國工業(yè)化建設(shè)的進程，與此同時，在工業(yè)生成過程中，數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)是提高工業(yè)生產(chǎn)效率，實現(xiàn)工業(yè)智能生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，大部分車間智能化建設(shè)水平還比較低，監(jiān)測工業(yè)制造流程的監(jiān)控系統(tǒng)存在實時性較差以及準確性不足等問題。因此，文章基于大數(shù)據(jù)技術(shù)背景，利用智能信息通信技術(shù)，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)建模為基礎(chǔ)的實時生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的全面實時監(jiān)測，加強工業(yè)生產(chǎn)的透明化，從而有效提高工業(yè)生產(chǎn)運營的管理水平。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；工業(yè)生產(chǎn)；運行狀態(tài)；數(shù)字化監(jiān)控

中圖分類號：TN91文獻標志碼：A

0 引言

在現(xiàn)如今的大數(shù)據(jù)信息化時代，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算與人工智能技術(shù)等信息化新興技術(shù)的應(yīng)用對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)造成了極大的沖擊，因此，作為促進我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要經(jīng)濟行業(yè)，工業(yè)制造業(yè)逐漸向數(shù)字化、智能化方向進行轉(zhuǎn)型［1］。在工業(yè)制造中，生產(chǎn)線運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)制造生產(chǎn)的重要組成部分之一，通過該監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測，是保證工業(yè)生產(chǎn)按照計劃高效、安全進行的最有效途徑，同時也是實現(xiàn)數(shù)字智能化生產(chǎn)線構(gòu)建的技術(shù)基礎(chǔ)。而工業(yè)大數(shù)據(jù)的挖掘與應(yīng)用對于工業(yè)制造生產(chǎn)而言，在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本與優(yōu)化資源配置等方面具有重要意義，基于此，本文將以工業(yè)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對工業(yè)生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控數(shù)字化系統(tǒng)進行設(shè)計，從而提升工業(yè)生產(chǎn)的透明度，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、自動化以及核心競爭力的提高。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)構(gòu)建生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)線運行狀態(tài)進行有效管理的重要手段，生產(chǎn)管理人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)進行全面的把控，及時調(diào)整生產(chǎn)策略。基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建主要通過應(yīng)用工業(yè)大數(shù)據(jù)與智能化技術(shù)，對生產(chǎn)設(shè)備的實時生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行采集，從而建立實時動態(tài)數(shù)據(jù)庫，同時通過設(shè)置底層控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對工業(yè)大數(shù)據(jù)采集設(shè)備管理調(diào)度，進而對生產(chǎn)線的整體運行狀態(tài)進行全面掌握。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括客戶機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等重要硬件設(shè)備以及生產(chǎn)管理中心與實時數(shù)據(jù)庫等軟件設(shè)備，整體架構(gòu)分為物理實物層、數(shù)據(jù)層、虛擬層與應(yīng)用層［2］。工業(yè)大數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、采集接口模塊、通信模塊以及實時數(shù)據(jù)庫模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

在對生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊進行設(shè)計時，首先需要按照功能性對生產(chǎn)車間進行劃分，主要分為聚合車間、公共車間等，其中每一個車間都是單獨的空間，具有獨立的控制系統(tǒng)。通過在這些單獨的控制系統(tǒng)中建立重要回路，本文設(shè)計方案可以有效確保生產(chǎn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集點數(shù)量足夠多，從而滿足實時監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的要求。同時，為保證能夠?qū)ιa(chǎn)中常規(guī)運行數(shù)據(jù)進行采集，在數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計過程中采用了安全性能較好的單向隔離網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

2.2 采集接口模塊設(shè)計

生產(chǎn)線運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集接口的設(shè)計是整個工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的核心環(huán)節(jié)，在對工業(yè)生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)進行采集時，專門數(shù)據(jù)采集接口的應(yīng)用可實現(xiàn)分散控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工控機等多系統(tǒng)的同時運行。并且在對生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)采集接口進行設(shè)計時，為了實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中配置隔離網(wǎng)的雙向功能，需要在配置隔離網(wǎng)底部構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)模型，從而建立雙向數(shù)據(jù)傳輸模式。同時，數(shù)據(jù)采集接口模塊的設(shè)計須對工業(yè)生產(chǎn)線運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的底層控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安全性提供充分的保障，從而有效避免網(wǎng)絡(luò)層級攻擊現(xiàn)象的出現(xiàn)，促進工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。

2.3 通信模式設(shè)計

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的通信方式主要分為基于OPC協(xié)議的通信模式以及基于Modbus協(xié)議的通信模式［3］。因此，在構(gòu)建生產(chǎn)線運行監(jiān)控系統(tǒng)時，可基于OPC協(xié)議或Modbus協(xié)議建立常規(guī)工業(yè)控制系統(tǒng)，即分散控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工控機等系統(tǒng)提供OPC接口實現(xiàn)生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)的采集。其中OPC通信主要通過在底層控制系統(tǒng)與生成應(yīng)用軟件之間建立通信接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的問題，Modbus通信則采用唯一主機與多從機的架構(gòu)對數(shù)據(jù)進行采集與傳輸，被廣泛應(yīng)用于不同控制器。因此，在實際應(yīng)用中，底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與傳輸通常采用Modbus通信協(xié)議。

2.4 實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計

實時數(shù)據(jù)庫是應(yīng)用工業(yè)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，因此，在對監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計時，應(yīng)注意滿足數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)儲存速度毫秒級的要求，就算是普通的關(guān)系數(shù)據(jù)庫也至少需滿足秒級的速度［4］。在工業(yè)生產(chǎn)中，實時數(shù)據(jù)庫的建立可以實現(xiàn)大量采集數(shù)據(jù)的整合，從而為用戶提供多樣的數(shù)據(jù)存儲方案，同時還能在保證數(shù)據(jù)特性的同時，最大限度地減小數(shù)據(jù)儲存所需要的空間。實時數(shù)據(jù)庫主要由以下幾個部分組成。

（1）系統(tǒng)服務(wù)管理器：主要負責(zé)監(jiān)控生產(chǎn)線所有運行設(shè)備設(shè)施的運行狀態(tài)，對控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行整合。

（2）系統(tǒng)配置工具：負責(zé)對用戶的數(shù)據(jù)進行管理，增加或減少工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集點以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

（3）系統(tǒng)I/O Server：數(shù)據(jù)采集程序，主要用于對控制系統(tǒng)與單體設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，并將傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

（4）系統(tǒng)I/O Config：負責(zé)對數(shù)據(jù)采集與計算的程序進行配置。

（5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算程序：針對采集數(shù)據(jù)進行二次計算、分析與過濾，并將其寫回數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗與優(yōu)化。

（6）系統(tǒng)圖像客戶端：為用戶提供圖像開發(fā)環(huán)境，制作工藝流程圖，用于指導(dǎo)生產(chǎn)與數(shù)據(jù)分析。

3 工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)線監(jiān)控中的應(yīng)用

工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)線運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)展示3個方面，下面將以某加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)為例，分析工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

3.1 數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集，主要通過OPC通信協(xié)議進行客戶端的搭建，NET CORE平臺與C#語言進行數(shù)據(jù)采集程序的開發(fā)，同時利用監(jiān)控系統(tǒng)的IP地址與端口與OPC協(xié)議服務(wù)端進行連接，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。對于生產(chǎn)系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)的所有設(shè)備，則以200 ms的頻率對設(shè)備中所有數(shù)據(jù)采集點配置的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)服務(wù)器中全部數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)進行采集，采集完成后，對數(shù)據(jù)進行格式規(guī)范化處理，并上傳實時數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)分析

生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析主要利用實時數(shù)據(jù)庫展開，對上傳的運行數(shù)據(jù)進行綜合分析、篩選與處理，并將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與重要的生產(chǎn)運行過程參數(shù)通過可視化智能技術(shù)生成實時數(shù)據(jù)曲線或表格，以便于工作人員能夠?qū)ιa(chǎn)線的整體運行情況進行掌握。與此同時，可通過數(shù)據(jù)分析儀的應(yīng)用，對設(shè)備的運行時間進行計算與分析，實現(xiàn)對運行系統(tǒng)的監(jiān)控，設(shè)備運行時間具體計算如式（1）所示［5］。

其中，i為訂單編號，j為工序，r為加工同一個產(chǎn)品的設(shè)備總數(shù)，k為設(shè)備編號，ctkij為設(shè)備k加工訂單i第j道工序的加工開始時間，tkij為設(shè)備k加工訂單i第j道工序的時間，xkij為設(shè)備k加工訂單i第j道工序。

3.3 數(shù)據(jù)展示

數(shù)據(jù)展示采用pSpace系統(tǒng)進行，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)，通過對生產(chǎn)過程參數(shù)與生產(chǎn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集、分析與智能化處理，對生產(chǎn)線運行狀態(tài)的動態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)控。本次加工生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)語

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以更好地實現(xiàn)生產(chǎn)過程的管理與控制，促進生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化與升級，提高工業(yè)生產(chǎn)的核心競爭力。

參考文獻

［1］楊俊浩.工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的運用分析［J］.無線互聯(lián)科技，2021（19）：88-89.

［2］楊俊浩.工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的運用分析［J］.無線互聯(lián)科技，2021（19）：88-89.

［3］高如，彭穎穎，劉聰.工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.信息記錄材料，2019（10）：177.

［4］張桐.工業(yè)大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科學(xué)與財富，2020（29）：340.

［5］郝軍，高文才，王旭峰.基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠程生產(chǎn)管控平臺研究［J］.中國煤炭，2022（3）：50-55.

Research on industrial big data modeling method and production line

operation status monitoring technology

Abstract： With the continuous improvement of China’s scientific and technological level， big data intelligent technology has been widely used in industrial production， effectively promoting the process of China’s industrialization. However， in actual industrial production， the level of intelligent construction of most workshops is still relatively low， and the monitoring system for monitoring industrial manufacturing processes has problems such as poor real-time performance and insufficient accuracy. Therefore， based on the background of big data technology and the use of intelligent information and communication technology， this paper constructs a real-time production line operation status monitoring system based on big data modeling， realizes comprehensive real-time monitoring of the production process， strengthens the transparency of industrial production， and effectively improves the management level of industrial production and operation.

Key words： big data; industrial production; operation status; digital monitoring