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    沒有數據采集,工業互聯網將是無源之水

    2021-09-08

    數據采集是工業互聯網的基礎,沒有數據的工業互聯網將是無源之水,

    工業互聯網的價值在很大程度上取決于采集數據的數量和質量。


      2017年,IBM商業價值研究院聯合牛津經濟研究院對來自112個國家12,854位高管進行了問卷調查。本次調查統計結果表明,這些高管認為企業的數據只有20%是來自互聯網,80%是企業自身擁有的生產經營等環節數據,這些數據被人工智能等新技術處理后,可使傳統企業具有超過互聯網公司的優勢。

    而車間則是制造企業使用與產生數據的重要場所。這些數據既包括MES等信息化系統里運行與產生的數據,也包括生產設備產生的各種狀態與制造參數等數據。工業互聯網平臺結合行業知識對這些數據進行進一步處理和挖掘,以量化、可視化等方式,定位生產中存在的問題并進行優化,可為企業智能制造提供源源不斷的新動能,有效地提升企業競爭力。


    01

    制造數據采集的數據分類


      由于行業不同、應用場景不同,對制造數據的分類也不盡相同。

     首先是對制造本身的理解。從狹義上的理解,制造主要是將原材料加工成產品的生產過程,但如果從廣義的上理解,制造可以涵蓋產品研發、企業資源管理、產品工藝、生產過程、市場營銷、售后維護等等不同的方面,制造數據的范圍就變得非常龐大,數據采集的方式自然也就多種多樣了。

    其次,不同行業對制造數據的分類也不同。比如流程行業,可分為工藝數據、過程數據以及作業實績。工藝數據主要是指溫度、壓力、電流、電壓等直接影響生產效率、產品質量的數據。過程數據是指生產過程中所使用或者產生的數據,比如物料、計劃、生產節拍等等。而實績數據包括投入產出數量、合格率等等。

      在離散制造行業,主要的制造數據包括設備數據、生產過程數據、質量數據等。

    ① 設備數據:設備運行狀態信息、實時工藝參數信息、故障信息、維修/維護信息等;

    ② 生產過程數據:生產計劃、產品加工時間、加工數量、加工人員、加工參數、產品完工率等;

    ③ 質量數據:產品質量信息、工藝質量信息等。

      最后,劃分的標準也不同。也有人將能源數據、測量測試數據等都定為單獨的一類。

      本文基于離散行業的劃分習慣,按照狹義上的制造進行數據種類的劃分,即設備數據、生產過程數據、質量數據三類,能源數據可合并到設備數據,測量測試數據可并入質量數據類。

    02

    制造數據采集的方式


      目前,制造數據的主要采集方式有設備自動采集、人工終端反饋、其他外圍終端采集等。

    1. 設備自動采集
      這類系統有些是設備廠家提供,優點是對自家設備研究的很深入,但對其他廠家,特別是競爭對手的產品兼容性就差很多,因此,在市場面上更多的是采用第三方廠家提供的專業數據采集系統。這種設備數據采集系統,在離散制造行業叫MDC(機床監控與數據采集系統,Manufacturing Data Collection),在流程制造業用SCADA系統(數據采集與監視控制系統)實現設備數據的自動采集。如圖1所示的MDC顯示界面。

    設備數據自動采集的手段主要有以下三種:

    1)帶網卡的數控機床——通過機床網卡,實現對設備狀態的遠程自動采集。采集的內容包括運行參數(主軸轉速、進給速度、主軸功率、刀具坐標等)以及加工產品、加工數量、報警信息等。該種采集方案的優點是采集的數據種類多、實時性強。缺點是,受控制系統的限制,目前主要是西門子、發那科、海德漢、華中數控等部分主流系統支持。當然,由于這是智能制造的發展趨勢,越來越多的機床控制系統也開始支持網卡的數據采集。

    2)PLC采集——通過設備PLC輸出接口,結合其通訊協議,實現對設備狀態采集,包括溫度、壓力、流量、液位等。優點是支持PLC采集的系統比較多,適用面廣。缺點是從采集效果上,略遜色網卡采集的效果,但內容也相對豐富,基本滿足制造業的需求。

    3)硬件采集——對一些比較老舊的設備,因其無數據輸出接口或者沒有通訊協議,可通過此種方式進行數據采集。優點是幾乎適合任何設備,缺點是采集的數據種類有限。

    03

    2. 人工終端反饋采集
      對于不能實現自動采集的生產工位,可通過現場工位機、移動終端、條碼掃描槍等數字化設備進行數據采集。采集內容包括生產開工、完工時間、生產數量、檢驗項目、檢驗結果、產品缺陷、設備故障等。該種采集方式優點是對設備的要求低,適用場景廣,但缺點是受制于人的主動性,在數據的實時性、準確性、客觀性等方面都有所欠缺。

     3. 其他外圍終端采集
      采用RFID、集成等方式實現制造數據采集。

      1)RFID:RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可應用于各種惡劣環境。

      2)與其他設備集成。如三坐標測量機等檢測設備,可通過與設備進行集成,讀取產品檢測信息,用于質量管理與追溯。

    04

    制造數據的狀態管理


      在制造數據采集的基礎上,需要對采集到的相關數據進行上分析并指導生產的改進與優化。

    1. 設備狀態數據分析
      對采集到的各種數據進行加工處理后,以各種方式進行輸出和展現,使相關人員第一時間了解設備生產的實時情況,如實時狀態、加工工藝數據等,便于做出及時、科學的管理決策。

    2. 生產工藝數據優化
      主要表現在兩方面:
      1)設備工藝參數監控:將采集到的設備工藝參數,如溫度、壓力等,與設定的標準參數進行實時比對與管控,從而實現對生產過程進行實時、動態、嚴格的工藝控制,確保產品質量的穩定性。

      2)工藝改進與優化:對制造過程的主要工藝參數與完工后的產品合格率進行綜合分析,便于為工藝改進與優化。

     3. 生產過程追溯
      通過產品制造的過程數據實現對產品制造歷史的追溯,達到問題復現、質量追溯等目的。

    05

    制造數據采集的發展方向

    隨著物聯網等技術的發展,制造數據采集在設備兼容性、數據豐富性、數據價值挖掘等方面都有了快速發展,下面分別從數據的采集廣度、采集深度及價值利用等方面進行闡述。如圖2所示。


      1. 采集的“廣度”
      采集的對象可分為兩類,一類是本身就具備數字化功能的設備,如數控機床、熱處理設備、機器人、AGV、自動化立體倉庫等數字化設備。另一類是“啞設備”,就是本身不具有數字化功能,但可以通過改造或者借助信息化手段,使相關信息能進入數字化系統的設備、設施、物料、人員等,都可歸于該類。如對普通機床通過增加智能采集硬件,對物料通過二維碼、RFID等方式,對人員通過刷卡或者信息系統進行相應的數據采集。

      通過對更多設備、設施、物料等的采集,實現更廣的兼容性,這是制造數據采集在廣度方向的發展趨勢。

    2. 采集的“深度”
      充分發揮數字化設備及相關信息化系統越來越好的開放性,以及越來越強大的傳感器、物聯網等采集技術,使采集的數據種類更豐富,準確度更高,實時性更強,并且成本更低,從而性價比更高地采集到更多的各種數據,為大數據深度挖掘與價值體現提供數據原料基礎。

    3. 應用的“高度”
      數據是智能制造的基礎,結合制造業行業知識對這些數據進行充分的挖掘與利用,對制造企業具有非常重要的意義。

      利用這些數據,首先實現了設備或生產過程的可見性,對設備或生產處于什么狀態,可一目了然。通過與設備維修維護等行業知識的結合,知道發生了什么事情,這是數據的認知性應用。

      通過大數據分析,預測將來可能出現的故障等問題,實現設備的可預測性維護,避免因為設備的宕機而影響整條產線的正常運轉,實現生產流暢的生產。

      自適應是數據最高層級的應用,通過數據采集、狀態感知、實時分析、自主決策,甚至是機器的自學習,系統根據實時狀態進行動態調整與優化,甚至是自我修復,實現高效、高質、無憂的智能化生產。

      總之,隨著傳感器技術的突飛猛進及成本的迅速下降,使得傳感器無處不在,實時的數據采集成為可能,各種設備運行和生產制造大數據的快速積累,為工業互聯網平臺提供源源不斷的高質量數據,并與行業知識深度結合,就可以充分發揮工業互聯網平臺的價值,更好地促進企業的智能化轉型升級。


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