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智能工厂中数据采集与监视控制系统分析

来源:智能制造纵横 发布时间:2022-04-27 1525
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在智能工厂中,数控机床、PLC为基础的生产控制设备,也是数据采集的重点设备。

随着工业技术与通讯技术的不断进步,制造企业对信息化与智能化的要求也越来越高,以智能制造为核心的制造模式正在引发全球新的工业革命。智能工厂作为智能制造的重要载体,需要对工厂、车间、产线、设备的各维度数据进行充分的集成、处理、分析和展现。因而,面向智能工厂的需求,研究并开发一种针对生产设备的数据采集与远程监控技术,对于推动企业智能制造系统的建设具有重要意义。


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智能工厂中有哪些需要采集的数据


以离散制造行业为例,进行数据采集其本质是为了提高产品质量以及方便管理。通常情况下,影响产品质量的因素主要包括人、机、料、法、环五个方面,因此,在智能工厂中,一般重点针对机器设备和生产环境数据进行采集。


在智能工厂中,数控机床、PLC为基础的生产控制设备,也是数据采集的重点设备。针对数控机床、PLC的数据采集系统是智能工厂制造系统的基础数据来源,为智能工厂的数据管理、数据分析、决策等提供了数据支持。与此同时,摄像头作为基础的环境监控设备,具有声音和图像的采集功能,将摄像头接入到数据采集系统中,对企业面言,可以更好地管理企业生产,在一定程度上也可以提高企业的生产效率及生产质量。


1、数控机床数据采集
数控系统内部有两大部分:一个是NC系统;另一个是PLC系统。NC系统主要负责各个坐标轴集合运动规律的数字控制,而PLC系统则完成对机床辅助设备的控制,如刀库运动、换刀、冷却液开关等。对于机床内部数据而言,也可分为NC数据和PC数据。在数控系统中,部分变量会随着系统内部状态变化以及操作过程等发生改变,这类变量被称之为状态变量。通过状态变量,可以读取的状态数据包括:NCK数据、指定通道的状态数据、进给驱动数据、主轴驱动数据等。


在这些数据中,结合智能制造模式下的需求,所需要采集的数据主要包括:机床当前状态、开机时间、运行时间、运行程序号、各轴的位置信息、各轴的进给率、主轴转速、主轴功率等。对于数控机床而言,由于系统中数据种类较多,如果用户无法自助添加数据地址,而是只在系统中设定好地址,可能对某些场合的数据采集与监控会有较大的影响,而用户更新数据采集系统难度较大,因此,系统需要可以嵌入到机床的用户界面中,为用户提供接口,供用户自主添加所需要采集的数据。


2、PLC数据采集
对于PLC而言,由于生产厂商繁多,因此对PLC内部数据的称呼也不太一致。总体来说,对于大多数PLC控制系统而言,存储区域内的数据主要分为输入继电器、输出继电器、辅助继电器、局部变量存储器、数据块寄存器、定时器、计数器等。在实际应用中,企业更加关心的是输入继电器和输出继电器的值,因此,对PLC控制系统的数据采集主要应当从输入和输出两方面考虑。


3、生产环境数据采集
对于生产环境而言,主要由温度、湿度、图像、声音等组成。对于温度和湿度信息,通过传感器接入到PLC控制系统中,可以很方便地对其进行采集。视频信息中则包含了图像和声音信息,因此,对于生产环境数据的采集主要以视频信息为主。


智能工厂的数据中转站


数据采集与监视控制系统(SCADA)是一种软件应用程序,用于远程实时遥控数据采集过程,以实现对设备和条件的控制。它包括硬件和软件,主要由以下部分组成:监控计算机、远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、通信基础设施、人机界面(HMI)等。硬件收集数据并将其送至装有SCADA软件的计算机,计算机处理这些数据并即时展现。


在智能工厂中,SCADA系统需要对生产设备实现监控与管理,且需要对监控到的数据实现数据管理、分析、可视化等功能。它是智能工厂设备层与运营管理层的桥梁,构建起车间级、厂级的数据集成平台,为上层应用提供统一的数据采集服务、统一的数据存储服务和数据查询服务。基于这些需求,目前市面上的SCADA系统服务商开发了面向智能工厂的多层次分层体系架构,自下而上分为设备层、数据采集层、网络层、数据管理层、应用层等。


• 设备层:系统的底层为设备层,主要包括数控机床、PLC、工业机器人、音视频设备、传感器等设备。这些设备利用工业现场总线、以太网等接口组网,通过数据采集卡、通信卡等设备与数据采集层进行数据交换。


• 数据采集层:数据采集层为软件层,主要包括数据采集、数据处理、网络通信等模块。在数据采集模块中,数据采集系统将硬件设备的信息采集到系统中,数据处理模块将采集到的数据以一定规则处理,并打包成一定格式的字符串,通过网络通信模块发送到服务器。


• 网络层:系统第三层为网络交互层,主要包括以太网口、交换机、路由器、无线网络、防火墙等。在数据采集系统中,网络传输系统贯穿着整个系统的全过程,因此,建立一套安全可靠的网络交互层,可以在很大程度上提高系统的使用效率及可靠性。


• 数据管理层:数据管理层以服务器为主,包括数据库、网络传输系统、数据管理系统等。数据采集层采集到的数据通过网络交互层传输到该层中,网络传输系统接收到信息之后,将数据传输给数据管理系统进行数据处理,并将处理好的信息储存在数据库中。当应用层向服务器请求数据时,数据管理层将数据发送到应用层,供应用层调用。


• 应用层:设备数据采集与监控系统的顶层为应用层,主要为软件层。应用层通过网络交互层与数据管理层连接,向数据管理层请求数据,并将数据分析处理,使数据实现一定的功能。


智能工厂建设是一项复杂的系统工程,在近几年大环境背景下,制造企业发展面临巨大的压力,一方面产品迭代速度越来越快、劳动力成本逐渐上升、个性化需求渐趋复杂;另一方面国际局势变化不明、COVID-19蔓延导致交流受阻等,都促使制造业向数字化转型,智能工厂受到越来越多制造业从业者的青睐。就如人需要五官才能感知外界一样,数据的采集与监控就像给智能工厂赋予了“五官”,给予它感知的能力和分析的依据,让它真正的智能起来。


(本文整理自豆丁网李佳璇的论文)


来源:荣格-《智能制造纵横》

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