[科普中国]-现场数据采集

背景智能制造概述

作为工厂现代化升级的重要内容，智能化是工业 4.0 时代发展进程中的必然趋势。信息化发展到今天，已经从数字化工厂开始向着智能化工厂迈进。物联网等技术设备不仅强化了信息挂历与服务，也对生产流程、生产人员、生产线等加以更加智能的改造和掌控，使得生产计划与进度更加合理和智能。智能制造是数字化管理基础上的进阶，最明显的特征就是其具有学习和思考能力，能够对经验进行总结，对工艺进行优化，对变化予以快速适应。1

智能生产线包含了不同类型、不同功能的智能设备，可以实现单机设备的互联以及生产线、车间的互联，最终形成互联互通的智能工厂，进而产生一个涵盖行业、地域、企业在内的拥有巨大制造能力的智能制造系统，能够通过智能分配、组合满足各类制造需求。1

数据采集的作用智能化制造系统中的数据采集实现了实时的功能，改变了传统的 DNC 系统对设备中的数据传输与管理的方式，将信息作为节点纳入到企业信息化管理中，形成数据信息系统，准确、实时地予以传输、分析和存储，帮助管理层、执行层进行信息的交流和协作。实时数据采集系统 MDC 系统是对传统 DNC 系统的延伸。采用实时数据采集系统，智能制造系统实现了生产设备的联网，构建出车间生产现场综合数据的交换，可以将设备状态、车间工况、生产数据予以采集、传递、分析等，最大程度满足智能工厂中生产管理需要等，实现生产管理的大数据存储以及云计算功能。为智能制造工作环节提供了技术支撑，成为智能制造的基础。MDC 系统在智能制造中的作用和地位从总体框架图中可以一目了然。通过实时数据采集系统的应用，帮助智能制造系统提升设备利用率，最大限度地压缩辅助工时等，对传统制造系统中的生设备予以集成，实现企业生产过程数字化、信息化、智能化。1

现场数据采集数据采集的内容包括了人员、设备、材料、施工方法、施工环节等众多内容。人员数据包括人员编码、排班情况等，设备数据、运行参数等，工装编码、刀具寿命等，物料编码、位置状态等，生产单号、生产过程信息，质量检验以及结果等信息。对上述各类信息进行采集，可以通过条码扫描、、RFID等方式来进行。数据的采集需要对复杂的信息进行处理，可以借助高精度的设备来完成。所以实时数据采集的工作主要是通过设备来采集各种相关信息。1

现场数据采集方式生产现场的信息采集方式多种多样，比较常用的主要有以下几种方式:1

（1）TCP/IP协议的以太网模式。以太网的数控配置是未来技术发展的趋势，这种信息采集模式内容非常丰富，而且可以实现远程控制。目前众多数控系统厂商，如西门子、三菱、FIDIA 等，均配备了局域网口，拥有大量方便集成的接口，可以实现实时采集数控设备程序运行信息、设备运行状态信息、系统状态信息、报警信息、运行程序内容信息、操作数据、设备参数、坐标、主轴功率等数据。通过数控设备的及时限制，实时数据采集可以进行生产的事先预防，对于生产加工、质量管控有很好的作用，包括通过 DNC 网络，将设备上的程序编辑功能进行锁定，启用设备写保护程序，发现非法修改情况等。另外，数控设备的加工倍率也可以限制倍率开关变化的随意修改，发现非法修改可以立即锁住设备，防止非法加工。

（2）普通以太网模式。通过以太网开发包的数控设备，采用 windows 操作系统进行以太网接口设备的数控，可以利用第三方软件开发商提供的开发接口，对激光切割机等高精尖设备进行网络传输，满足各类数据的传输需求。对 SPC 等实现质量控制。而且将各种设备的状态信息、参数信息进行保存，保存在如自动立体库等本地数据库中，满足对数据库集成的实时采集要求。

（3）数据采集卡。通过与生产设备的相关I/O点与对应的传感器进行连接，采集相应的加工信息，包括设备运行加工、设备故障等参数等。适用系统包括无串口和无局域网络设备，采用的方式为开关量采集卡、模拟量采集卡等。

（4）组态软件采集。通过 PLC控制类的设备对非数控类组态软件进行相关信息的读取，包括各种模拟量信息，如温度和压力等，将读取的I/O点信息存入数据库中。组态监控系统结构图如图1所示。作为工业自动化领域的新型软件开发工具，组态软件可以帮助开发人员利用软件包中的工具，对软件进行硬件配置、数据、图形等的开发工作。组态软件通过串口或者网口与 PLC 相连，数据采集和处理通过计算机完成，可以将各种曲线进行实时输出 [2]。经过实践验证，组态方式实时数据采集具有投入少，连接方便、稳定性强的有点，对于智能制造中的工控来说性价比最高。

（5）RFID 方式。是对人员、物料等进行编码、位置、状态等信息的实施采集，通过 RFID 芯片的绑定，将人员、物料的信息等写入RFID 中。通过实际使用，这个方法简单直接，效果良好。

（6）人工辅助方式。适用于非自动化设备以及不具备自动信息采集功能的自动化设备，采用手工填表、条码扫描、手持终端等，实现对数据的采集。其具有灵活方便的优势，弥补了自动采集在丰富性、适应性上的缺陷，但也存在实时性和准确性的缺点。

实时数据采集在智能制造中的应用实时数据采集方法，为现代智能工厂提供了现场信息的实时详尽的采集技术支持，为生产的决策、调度等提供可靠参照依据。通过实际项目中的实时数据采集系统的运行，智能化工厂实现了数字化、智能制造的基础设施建设，完美解决了底层设备的实施数据采集，实现了智能生产管控的较高程度。

数据采集未来发展方向数据采集是实现数字化、智能制造的基础，只有完美解决了底层设备的实时采集问题才能实现智能化程度高的生产管控。为此，笔者预计在未来的几年内，数据采集将向如下几个方向发展：2

( 1) 统一的通讯协议平台目前数据采集的最大难点就是底层设备的通讯方式、协议的千差万别，相互之间还互相保密，互不兼容。未来几年内，随着通讯协议的标准化推进，相信各底层设备将采用统一规范的通讯协议( 如 OPC 协议) ，该协议对于第三方开发商来说都是透明的，广大的第三方开发商可以为客户开发出大量的 APP 来满足用户各种个性化的需求。

( 2) 移动式应用平台象上面所描述的手机 APP 在信息上报中的应用只是这种应用的开端，更多的手机 APP 将应用于现场生产管理，同时，设备本身的智能化也大步提高，可通过GPS或北斗定位系统实时将自身的状态、运行参数发布到远程监控中心，未来将开发出更多的移动式应用来远程监控各种生产设备，实现远程诊断、远 程维护。