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设备与系统集成大数据平台

一、建设技术方案

(一)基于工业云的设备联网平台架构

    在平台技术架构方面,智能水泥工厂云平台完成工业数据采集,工业信息化系统数据汇集,工业传感器数据上传,在上述数据汇聚采集的基础上,建设平台层的跨系统数据协调中心、大数据计算中心、分布式服务组件中心。通过商密网及国密网将相关分析及挖掘的数据传输至客户终端应用层,最终搭建一个高性能、高容量及高兼容性的基于大数据的设备与系统集成平台。

    A.跨系统数据调度中心

    跨系统调度中心负责整合企业原有ERP、OA等系统与新建的DNC及MDC系统,并负责数据传输调度、消息队列管理和调度工作。采用ActiveMQ/Kafka开源消息总线,具备以下优势,保证整个平台数据传输和调度的顺畅性和高效性:

  1. 多种语言和协议编写客户端。语言: Java,C,C++,C#,Ruby,Perl,Python,PHP。应用协议: OpenWire,Stomp REST,WS Notification,XMPP,AMQP

  2. 完全支持JMS1.1和J2EE 1.4规范 (持久化,XA消息,事务)

  3. 对Spring的支持,ActiveMQ可以很容易内嵌到使用Spring的系统里面去,而且也支持Spring2.0的特性

  4. 通过了常见J2EE服务器(如 Geronimo,JBoss 4,GlassFish,WebLogic)的测试,其中通过JCA 1.5 resource adaptors的配置,可以让ActiveMQ可以自动的部署到任何兼容J2EE 1.4 商业服务器上

  5. 支持多种传送协议:in-VM,TCP,SSL,NIO,UDP,JGroups,JXTA

  6. 支持通过JDBC和journal提供高速的消息持久化

  7. 从设计上保证了高性能的集群,客户端-服务器,点对点

  8. 支持Ajax

  9. 支持与Axis的整合

  10. 可以很容易的调用内嵌JMS provider,进行测试

    在数据开发框架方面,平台采用Spring Quartz开源框架,具备以下优势:

    1) 方便解耦,简化开发

    通过Spring提供的IoC容器,我们可以将对象之间的依赖关系交由Spring进行控制,避免硬编码所造成的过度程序耦合。有了Spring,用户不必再为单实例模式类、属性文件解析等这些很底层的需求编写代码,可以更专注于上层的应用。

2) AOP编程的支持

通过Spring提供的AOP功能,方便进行面向切面的编程,许多不易用传统OOP实现的功能可通过AOP实现。

    3) 声明式事务的支持

    在Spring中,我们可以从单调烦闷的事务管理代码中解脱出来,通过声明式方式灵活地进行事务的管理,提高开发效率和质量。

    4) 方便程序的测试

    可以用非容器依赖的编程方式进行几乎所有的测试工作,在Spring里,测试不再是昂贵的操作,而是随手可做的事情。例如:Spring对Junit4支持,可以通过注解方便的测试Spring程序。

    5) 方便集成各种优秀框架

    Spring不排斥各种优秀的开源框架,相反,Spring可以降低各种框架的使用难度,Spring提供了对各种优秀框架(如Struts,Hibernate、Hessian、Quartz)等的直接支持。

    6)降低Java EE API的使用难度

    Spring对很多难用的Java EE API(如JDBC,JavaMail,远程调用等)提供了一个薄薄的封装层,通过Spring的简易封装,这些Java EE API的使用难度大为降低。

    B.大数据计算中心

    大数据计算中心利用STORM框架进行实时数据计算处理,采用hadoop分布式计算脚骨进行离线数据计算,配合大容量及高性能的数据仓库,保证平台具备工业大数据处理分析的能力。

STORM集群计算系统提供在线实时计算服务,对过程数据和缓存数据进行实时分析和计算。Storm集群由一个主节点和多个工作节点组成。主节点运行了一个名为“Nimbus”的守护进程,用于分配代码、布置任务及故障检测。每个工作节 点都运行了一个名为“Supervisor”的守护进程,用于监听工作,开始并终止工作进程。Nimbus和Supervisor都能快速失败,而且是无 状态的,这样一来它们就变得十分健壮,两者的协调工作是由ApacheZooKeeper来完成的。

    在离线数据分析方面,采用基于Hadoop分布式计算框架的虚拟计算集群完成。具备以下优点:

  1. 高可靠性。Hadoop按位存储和处理数据的能力值得人们信赖。

  2. 高扩展性。Hadoop是在可用的计算机集簇间分配数据并完成计算任务的,这些集簇可以方便地扩展到数以千计的节点中。

  3. 高效性。Hadoop能够在节点之间动态地移动数据,并保证各个节点的动态平衡,因此处理速度非常快。

  4. 高容错性。Hadoop能够自动保存数据的多个副本,并且能够自动将失败的任务重新分配。

  5. 低成本。与一体机、商用数据仓库以及QlikView、Yonghong Z-Suite等数据集市相比,hadoop是开源的,项目的软件成本因此会大大降低。

    基于上述技术架构搭建的云计算中心具备大数据计算计算与处理能力,可以满足大批量多频次的工业数据分析处理能力。

    C.分布式服务组件注册中心

    分布式服务组件注册中心负责原有设备及系统(原有ERP、OA等信息化系统及传感器、PLC等数据采集设备)的数据对接与注册,下层采集到的数据与上层应用(供需关系组件、商城组件、CRM及工业定制化服务)的对接与注册服务。采用数据标准化封装与数据安装保障技术,确保设备与系统间、原系统与新系统间的无缝对接。采用分布式技术确保系统具备高容量与弹性可扩展功能,满足多设备、多系统及多用户互相对接与注册的整体系统需求。

(二)设备集成系统规划  

    通过以DNC系统作为技术平台实现对数控系统的管理,机床数据的自动采集。通过触摸屏和客户端对程序和机床信息进行管理、查询。


二、DNC技术方案

(一)网络架构

    建立公司DNC局域网,利用成熟以太网和通讯协议转换技术,建立机床和服务器通讯专用通道。系统采用多级服务器结构,采用软件多级加密的方法,用完善的权限和人员控制流程,使各个分厂能够实现独立管理控制自己的数控文档,只有具有权限的总厂级别管理部门或人员才能调阅所有相关文档。

    服务器上安装DNC系统的机床联网通讯系统(DNC-M)、数控程序的数据库系统(MDM)、数控程序的编辑与仿真系统(Edit)、机床监控与数据采集系统(MDC-M)四个模块。

    机床联网通讯系统(DNC-M)系统是整个DNC网络的神经中枢,它负责着所有机床的通信、内部数据的处理以及与其它服务器的数据交换等。

    数控程序的数据库系统(MDM)是系统的数据存储仓库,负责将数控程序、零件图纸、刀具清单、三维模型、加工状态图片等文件集中存放、集中管理,实现生命周期管理、版本管理、权限管理等。数据服务器还根据用户的指令负责向传输服务器提供需调试、加工的数控程序。

    机床监控与数据采集系统(MDC-M)实现机床数据的自动采集与分析,提供用户每个操作工或每班组加工的工件数量;机床开机时间、机床停机时间、机床故障时间、机床运行时间;操作工的效率、机床利用率(OEE)等。并根据采集的数据形成各种形式的日报、月报、季报、年报,可以具体统计到每个机床、每个操作工、一个班组、整个车间,可以以饼图、柱图、折线图、统计表格等多种方式统计、分析数据,为工厂管理提升工厂效率提供技术支持。

(二)DNC通讯联接设计方案

    针对串口通讯机床

    系统采用Moxa单串口服务器5110安装到机床电器柜内,通过在机床输入电源前端取220V交流电,并安装空开保护模块给5110单串口设备供电,5110串口服务器能将任何具有串行端口的设备连接到以太网,保证机床与服务器稳定的数据通讯。个别机床上取AC220V电源不方便时,从机床上取DC24V电源,给MOXA5110供电,硬件所需的电源为DC12-48V。

    针对网卡机床

    对有网卡机床,采用网卡通讯。网线直接接入设备RJ45接口即可。传输采用FTP传输软件来实现。

(三)采集方式

    针对现有设备,对于采用FANUC数控系统的数控机床,并且机床本身带有网卡,不用添加任何硬件,直接通过网卡可采集到几乎所有的生产信息。对于可以扩展网卡的数控机床,可以通过外接扩展网卡的方式,也可以采集到几乎所有的生产信息。

    对无网卡机床、不支持网卡数据采集的数控机床和普通机床,采用在机床内安装智能采集终端方式采集机床数据。包括机床实时状态、机床报警等、加工信息。

三、 MDC技术方案

(一)机床监控与数据采集采集系统介绍

    MDC-M是一套与DNC-M、MDM、Edit等模块完全无缝集成在一起的、实时的机床数据采集系统,是当今最领先的机床监控与数据采集系统。MDC-M提供强大的机床数据实时采集功能,可以显示所有机床的实时状态以及生产完成情况。MDC-M并具有强大的数据分析能力,可以给您提供机床利用率、机床故障分布等上百种统计图表,可准确地分析出各种生产瓶颈原因、预测机床故障趋势等。

    MDC-M具有良好的集成性,可与MES/ERP等系统完美集成,为MES/ERP系统提供实时的生产完工信息,使您的计划更准确、措施更科学。

    控制系统以及采集方式说明

控制系统

所需接口要求

输出数据类型

Fanuc

FOCAS

全功能

Haas

M-Net

全功能

Mazak

MTConnect

全功能

Okuma

MTConnect

全功能

Mitsubishi

MTConnect

全功能

NUM

MTConnect

全功能

Heidenhain

DNCOpt#18

全功能

Siemens(840D,810D)

硬件适配器

大多数功能

    MDC-M的主要功能:

    一台计算机可同时监控256台数控机床。兼容包括Fanuc、Siemens、Heidenhain在内的上百种控制系统。

直观形象的机床状态、当前加工任务,工作人员等电子信息看板和电子地图的形式,可从网络上的任何PC机监控所有的机床状态。对所有控制系统机床,可远程自动获知以下实时信息:

    机床开机还是关机中?

    机床处于加工、停机还是故障中?

    什么产品正在生产中?

    加工开始时间、加工结束时间

    故障开始时间、故障解除时间

    已经生产了多少件工件?

    单个工件的平均加工时间、最长时间、最短时间

    MDC-M提供多种统计报告模板供您选择,可方便、整齐地显示您需要的各种数据,可准确知道您的机床出现了什么情况及生产计划完成情况。如:

    每个操作工或每班组加工的工件数量

    机床开机时间、机床停机时间、机床故障时间、机床运行时间

    操作工的效率、机床利用率(OEE)等。

    各种形式的日报、月报、季报、年报。

    可以具体统计到每个机床、每个操作工、一个班组、整个车间。

    可以以饼图、柱图、折线图、统计表格等多种方式统计、分析数据。

    强大的机床故障分析及预测功能,包括历史故障查询、故障时间分布、故障概率分布、故障概率趋势图

    全部机床故障对比图,全面提升故障分析与预测能力。

    与DNC-M无缝集成,MDC-M充分利用已有DNC网络。

    完全支持Oracle、SQLServer数据库。

    良好的集成性,可与MES、ERP、PDM等各类管理系统进行全面的集成。

    全中文操作界面,支持Windows2000/2003/XP等各类操作系统。




    MDC-M常见的几种数据采集方式

    针对机床控制系统及通讯接口的不同,MDC-M机床监控与数据采集系统对每一种控制系统的机床均有深入的研究,有网卡的优先采用网卡采集,不支持网卡的用专用智能采集硬件等其他采集手段,可以最大程度地充分发挥机床的采集潜力。以下是MDC-M机床监控与数据采集系统几种常见的数据采集方式:

    针对带网卡的机床

    数控机床如FANUC、SIEMENS、HEIDENHAIN、OKUMA等机床,不用添加任何硬件,直接通过网卡可以采集几乎所有的生产信息:

    第一类:机床的实时信息

    机床开机、关机、空闲状态。

    机床的工作状态。

    程序信息。

    零件加工数量。

    转速和进给。可以实时反馈当前的主轴转速S\F倍率。

    报警信息。能够实时反馈机床是否有报警,报警号是什么。

    客户机或现场触摸屏

    通过现场触摸屏或客户端电脑上,可由操作工输入:

    废品数量

    调试数量

    装夹时间

    维修时间

    MDC展示设备-液晶电视机

    为方便实时显示设备运转及生产状况,可以将设备的实时状态在车间显示器显示,其显示内容可以根据实际采集的机床运行状态、加工过程数据来选择,显示内容可以设定。

四、案例叙述

    贵阳XX作为专业化的仪器仪表生产厂家,一直密切跟踪工程机械电子监控、节能控制及机电信一体化、高、低压电气成套设备和自动化仪表成套设备、槽控机节能控制系统等技术领域的新技术、新工艺的发展。公司近几年在信息化应用方面取得了很多成就,我们在统一进行规划和管理,全盘考虑,使数据得到有效的传递的基础上,有效地将CAD/CAPP/CADM和PDM、ERP、OA进行整合把信息进行有效的整合,实现从基础的日常办公数据到产品设计中的重要数据以及销售、生产、物流整个系统产生的信息和研发到生产过程中的数控信息等全流程数字化。

    公司仍需不断加强产品的研发投入,密切跟踪国内外工程机械电子监控技术的发展变化,不断完善和改进项目产品技术水平,以适应国内外工程机械对电子控制技术的发展要求。同时,企业要进一步加强自身研发平台建设,以公司现有团队为基础,广纳贤士,不断增强公司的技术研发实力;建立适合企业发展的人才激励机制,防止人才流失,鼓励广大科技人员不断创新;充分利用高校、科研院所资源,加强横向联合,不断进行技术创新,确保公司产品技术在国内的领先优势。

    A.实现数据采集、监控及报警

    为了优化配置,XX在组建装配车间SMT生产线时,设备来自DEK、SAMSUNG、YAMAHA等多个厂家。不同设备之间、甚至同一设备不同型号,数据接口方式不尽相同,MES系统还要实现将装配车间SMT生产线上的自动化设备组建成产业网络并与内部办公局域网连接起来,在生产线自动化设备的控制电脑上安装软、硬件通讯模块,自动采集实时生产数据,通过网络传递到数据处理中心。并将数据处理中心的共享信息通过网络传递到监控终端上。“数据采集系统”用于从装配车间现场自动化设备中采集实时生产信息,并传输到监控终端分解成用户所需要的界面形式显示。同时,根据用户需求,对采集数据进行存储、输出等二次处理。按照报警条件输出报警信息。“数据采集子系统”中考虑与装配车间其它DCS控制系统的集成。目前大多数先进设备均提供OPC/DDE接口,因此,在数据采集系统中,还应具备与OPC/DDE服务的接口程序,提供全面的读写交互,方便从控制系统获取即时的生产和质量信息。

    B.动态质量过程控制

    由于采集数据量很大,需要高效、快速的分析手段自动导进现场数据,实时进行质量分析、掌控当前生产状态。而动态质量过程控制模块(SPC)正是利用统计学原理,对质量检测数据进行收集和分析,有效控制企业生产过程、精益求精品质、降低不良品率、提升企业的效益和竞争力。

    SPC提供的质量分析内容包括:变化分析、稳定性分析、有效能力分析、变异因素分析、过程相关性分析。与之对应,本方案提供计数型和计量型共13种统计图表:X-MR图、X-R图、X-S图、P图、NP图、U图、C图、运行图、直方图、缺陷排列图、原因排列图、散点图,根据PCB板组装行业特征,提供DPMO(百万分之缺陷数)控制图分析。

    C.工序计划调度

    在现场采集数据支持下对车间生产计划进行具体调度和实时调整。ERP作为企业的中高层计划与决策计划系统,制定车间的主生产计划,精确到日生产计划。MES以JIT作为基层的计划执行与控制系统的核心,将日生产计划细化。从ERP中读取主生产计划信息,根据订单类型、生产模式等确定目标函数、约束条件,选择排产算法,建立调度规则,产生具体的生产计划,并下达到装配车间(执行层)组织生产。为实现装配车间SMT流水线生产调度的实时性,要求调度算法正确性高、计算周期短、计算过程简单。以分钟为单位和其它人为因素等实际情况进行柔性调度,提供人工调整方式,以及紧急情况下的插单调度方案。计划执行完成后,由数据采集子系统反馈向ERP。

    D.设备治理

    设备治理主要是装配车间SMT流水线设备信息的治理,它从数据采集系统中获取设备的实时运行信息。通过对这些信息的统计分析,得出设备的利用情况。同时,设备信息可供工序计划调度系统派工时调用。设备治理的各项任务主要由车间设备治理部分和生产部分来实施。主要包括基础信息数据的维护、业务信息数据和状态信息数据的维护。根据功能需求,设备治理模块主要包括以下几部分:设备档案治理、设备变动治理、设备检查治理、设备保养治理、设备维修治理、设备润滑治理、设备运行治理、设备状态统计和分析、设备查询等。

    E.辅助生产现场治理

    用于简化车间现场操纵,辅助装配车间日常治理功能。包括:

    料架治理模块:维护料架基础及使用信息,提升料架的治理效率。方便查询所有料架的在库状态、保养记录、维修记录、报废记录、在线明细等信息。

    换料对比模块:对生产线换料进行比对,确认其是否符合当前站位的要求,并记录换料行为,有利于对换料信息的查询。

    工单比对模块:通过生产BOM数据文件与工单文件的比对,汇总BOM用料数目,查找差异信息,保证加工的正确性。

    贴片机编程验证及优化模块:从设备中提取坐标数据,附上相应的贴片文件,优化贴装路径,保证贴装的正确性。

    ERP接口模块:完成与企业已有ERP系统的通用接口,实现与ERP软件的数据互换与共享,动态查询、显示生产计划信息,并将完工情况及时反馈。

    PLM接口模块:完善企业工艺路线,实现PLM数据向MES系统进行有效传递,从工艺制造角度出发规范现场生产制造过程。

   方案实施效果论述

  按照项目需求对现有生产设备进行智能化改造,新增数据采集、传输、汇总、展示及分析设备,在“贵州工业云”搭建基于云计算和大数据的基于大数据的设备与系统集成平台,对生产设备状态、生产流程工序等信息进行实时采集并在平台上进行大数据分析,为企业实现智能制造打下良好的基础。


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