数字化工厂的生产数据采集系统分析

史宇

【摘  要】随着社会生产需求的发展，制造业逐步向数字化、智能化方向发展。制造业转型的第一步便是对各类数据进行及时采集。论文分析了数据采集系统的组成，对各个组成部分进行了简要介绍，分析了数据采集系统的优势。因此，使用数据采集系统可以帮助企业做好数据采集工作，有效提高综合管理效率。

【Abstract】With the development of social production demand， the manufacturing industry is gradually developing in the directions of digitization and intelligence. The first step in the transformation of manufacturing industry is to collect all kinds of data in time. This paper analyzes the composition of the data acquisition system， briefly introduces each component， and analyzes the advantages of the data acquisition system. Therefore， the use of data acquisition system can help enterprises do a good job in data acquisition work and effectively improve the efficiency of comprehensive management.

【關键词】数字化工厂;数据采集;生产

【Keywords】digital factory; data acquisition; production

【中图分类号】TP274+.2【文献标志码】A【文章编号】1673-1069（2022）04-0161-03

1 引言

制造业是我国的支柱产业，我国的制造业规模已经位于世界前列。在传统的制造业中，生产物料的存储情况、生产设备的运行状态、流水线上工件的加工进度等均使用人工模式进行记录，不仅耗费了大量的人力，而且在国际竞争中也不具有优势。为提升产品质量，保障企业生产的连续性，在数字化的浪潮之下，制造业开始转型，向数字化方向发展。随着现代社会中数字化生产需求的出现，企业生产车间的生产模式越来越复杂，为避免企业因生产模式的复杂性导致停工停产，越复杂的生产车间对现代化的数据采集系统的需求就越迫切。生产车间需要对生产线在岗员工、设备运行信息、生产线生产进度等一系列数据进行采集，通过显示端展示给企业管理人员，保证企业生产的连续性。

数字化生产的第一步就是对各类生产数据进行采集，然后利用互联网技术将工厂、人员、物资连接成一个整体，实现精准化制造，对生产情况实现智能化管理，提高企业的竞争力，最终实现企业的智能制造。数据采集系统通过利用各种传感装置和相应的传感技术，采集车间生产过程中的人员、机床、物料、加工器具、生产环境、加工进度、生产过程工艺、质量等要素信息，实现生产对象的智能识别、人员机床物料的跟踪定位、生产进度及环境参数等信息的实时监控，最终实现车间生产的智能化管理。车间物联网改变了传统车间的生产过程，通过局域网和以太网与对象建立连接，增强了管理人员监控车间和改造流水线的能力，大大提升了工厂的生产力。

2 生产数据采集系统概述

2.1 系统简介

传统的生产车间存在以下问题：生产过程中的数据采集不及时、不完善，导致生产线上的员工对零件的加工进度、时间难以掌握，无法保证加工的进度和可靠性;质检时的合格率等数据难以及时反馈到生产线上，一旦某个环节出现问题，导致整批产品的合格率下降，影响交货时间;物料的出入库信息更新慢，无法准确地为生产车间提供准确的数据，可能导致物料短缺、挤压，影响企业的正常运转。应用数据采集系统可以解决以上问题，促进企业的数字化发展。

生产数据采集系统是工厂进行数字化改造的第一步，是管理层对现场生产监管的纽带。生产数据采集系统主要是对其内部人员、设备、生产资料等进行实时监测，采集生产线员工在岗信息、设备运行状态、物料的进出库等数据，并将采集的数据保存，再以波形图表、数据表格的形式呈现给企业管理人员，提高生产的透明度，方便管理人员掌握生产情况，提高对生产进度的把握能力与调整有效性。系统能够将生产过程中的可疑数据实时反馈到操作人员，实现操作员远程控制、管理者精确管理生产，提高企业面对突发情况的应对能力。

2.2 系统组成

生产数据采集系统主要由显示端、传输端、控制端、感知端这4个部分组成，系统组成如图1所示。

感知端是数据采集系统的基础，它所采集的数据对系统质量的高低具有决定性作用。传输端是系统的核心技术所在，它连接了显示端、控制端和感知端，系统的可靠性在一定程度上取决于传输连接的可靠性，不同级别的数据通过传输端不同的传输网络传输到不同的数据库，提高数据的安全性。控制端接收指令，进行生产，并将生产过程中的异常数据反馈到显示端。整个系统的有效运行，为企业的正常生产保驾护航。

2.2.1 显示端

显示端包括APP应用、工控一体机、LED显示屏、触摸屏等。生产线上的操作员可以从显示端的显示器获取指令，包括生产计划、设备维护等一系列指令。同时，可以通过显示端获取设备当前的运行状态，可以及时发现设备存在的潜在问题，对设备进行维修，也可以根据运行状态对生产情况进行调整，进一步保证生产线的连续性，减少企业的损失。显示端的功能不局限于获取指令，还包含显示生产指导书（见图2）、加工图纸、上岗考勤、安全预警等相关功能。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

显示端是人机交互最重要的一环，让生产环节中的人、机、物料之间的交互成为可能，工作人员可以根据显示信息，灵活安排工作，提高工作的效率。数字化显示操作指令，简化了烦琐的指令传达环节，使传达指令更高效;上岗考勤功能，便于开展人员管理，节约了一定的成本。同时，显示端将复杂的装配工艺图形化、图片化，甚至视频化，既可以降低操作工人培训的复杂、烦琐程度，也可以降低对生产线工人基础技能的要求。通过此类工艺细化和梳理，有效地提升自动化生产线的效率，同时，使得质量获得进一步的保障。

2.2.2 传输端

传输端是利用各种网络传输设备布置现场传输网络，使用的设备包括服务器、路由器、网线、网络接口等，运用有线网络和无线网络等技术，通过布置的传输网络将采集到的现场数据传送到数据库，通过显示端显示。

传输端通过网络传输将生产线、库房等环节的数据传输到显示端，缩短了数据传输的时间，极大地提高了企业数据的汇总能力，使得生产车间的生产情况能够及时上报。同时，避免了人工传输数据存在的数据出错问题，提高了数据的真实性，提高了生产车间的透明度，强化了管理层对企业的管理。这些优势促使企业的信息得到更好的交互与融合，将订单信息、生产线信息、物料信息、合同履行信息交叠融合，并以时间进度为主线关系，参照以往的执行过程、决策过程、资金过程、物流过程等一系列的过程信息进行数据比对与分析，提供最佳的决策方案，提高企业决策信息的准确性与时效性。

2.2.3 控制端

操作员可以根据显示端的指令，对控制器写入相应的控制程序，控制设备进行相应的生产活动。通过PLC（见图3）、伺服控制器、嵌入式系统等控制设备对电机、机械臂、液压器等设备进行控制，这不仅可以节约劳动力成本，还可以提高生产效率和产品质量，提高企业的竞争力。

通过控制端设置各种参数的预警范围，监测设备的各种参数，当参数超出设置的范围时进行异常情况汇报，通过显示端对操作员预警。利用这些手段，使得生产过程实现“钢”与“柔”并存的生产体系，对这些过程数据进行分析与比对，再將这些对比数据导入优化模型进行数据训练，以此获得更加优化的控制手段与方法。

2.2.4 感知端

在生产过程中加装各种传感器（见图4），如温湿度传感器、压力传感器、红外传感器、震动传感器等，对生产过程中的温度、湿度、压力、位移等数据进行采集，并通过传输端进行高速数据传输，方便系统读取数据和分析数据，在一定程度上能够提高生产效率。同时，感知端是生产过程稳定与质量保障的重要依据，通过种类繁多的感知器件，使得过程数据和流程得到保障，从某种程度上来说感知端就是企业的“千里眼”。感知端与传输端的稳定、有效配合，使企业的数据流获取和数据比对能够更加有效地实施，以此有效推进生产流程。

工厂为了便于管理采购的物料，通常在物料上粘贴标签，使用RFID手持终端识别标签，管理物料的出入库情况，同时，在生产线上获取工件的加工顺序、加工进度、加工时间等信息，如果某个零件在上一个环节未被扫描，则当前环节会发出警告。通过读写设备将数据传输到数据库，方便管理者进行物料管理、实时分析车间生产线工作情况，方便操作员掌握生产进度。与此同时，生产管理部门依据物料数据的变化，会同相关物资部门、仓库管理部、物料验收部门以及采购、合同和供配套商，及时地开展信息预警与方案制定并指导落实。

3 优势分析

随着大数据时代的到来，人们的生活与企业的生产中充满了数据，对这些数据进行采集成为一大难题，特别是在生产过程中与生产效率和生产质量相关的数据以及与产品生命周期相关的数据。如何对这些数据进行有效分析，并通过相关模型或比对数据的方式对数据进行高效处理，已成为企业必须思考的重要问题。大数据环境下的生产数据采集系统符合企业发展过程中的数据依托关联关系，它可以有效地促进或帮助企业获得规范、有效和有利于企业发展的有价值数据，可以摒弃传统数据采集模式带来的冗长与烦琐问题，通过成熟的数据训练或者最优化的分析，为生产与决策带来帮助。相较于人工采集的传统方式，系统优势体现在以下几点：

①数据采集效率高。基于人工采集数据的方式，在采集数据的过程中，极易由人因失误造成数据采集出现错误，并且效率低，耗费大量人力资源。采集系统的应用，不仅提高了采集效率，还避免了因员工失误造成的损失，同时，一个系统可以对多种数据进行采集、监测，为产品的生产质量添加了一份保障。

②生产透明化。通过数据采集系统可以有效地监测设备和工艺流程的运转运行情况，也可以通过数据系统实现决策信息的数据化和流程化，通过显示设备直接观察生产情况和物料信息与决策管理信息的时间节点，方便企业管理层人员对生产情况进行分析，同时，帮助企业优化生产，使生产计划更科学、更合理。

③降低生产成本。使用数据采集系统，可以在第一时间发现发生故障的设备，提高设备的使用率，提高生产线的生产效率。同时，通过系统可以设定设备的日常维护与检查计划，定期对设备进行保养，延长设备的使用寿命。此外，数据采集系统是对生产过程的补充，在物料、物资和资金方面，大大减少了时间成本的消耗。

④数据实时采集、记录完整。应用人工数据记录方法收集的数据量较小，很多数据无法同时收集。如果出现异常，很难快速作出反应，当数据记录不及时，极易导致有用数据不准确、信息失效。数据采集系统的应用可以解决上述问题，特别是对于管理过程数据，离散化的信息很难实现集中归类和分析，这使得企业难以获得高效可靠的决策依据，导致时效性不足。通过对数据采集系统中大数据技术的应用，企业可以获得更科学、准确、实时的优化手段和方法。

⑤安全性高。应用传统的人工数据采集方法不仅速度慢、不可靠，而且容易导致数据泄露。竞争对手掌握生产数据后，将大大降低企业的竞争力。使用数据采集系统，采集的数据可以根据不同的安全级别通过传输端传输到不同的数据库，针对不同的数据库设置不同类型的读取权限，允许数据相关人员查阅数据，而数据无关人员不能同级或者串级查阅，这提高了数据的安全性，保障了企业的核心数据资产。311B1BE4-D101-4E3F-B401-7F8967C74DD7

4 結语

数据采集系统的使用，提高了企业采集数据的能力，实现了数据数字化传输和共享，加快了工厂的数字化发展步伐，为企业向智能化发展奠定了一定的基础。数据采集系统在生产中的应用，提高了企业生产过程中的透明度，能够及时发现生产过程中出现的问题，提高生产线的生产效率，降低生产成本，保障企业数据安全，提高企业的竞争力。

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