基于Web应用的设备数据采集平台设计与应用

蒙泳行，丁成波，韦家信，李 雄，曹 坤

（上海威克鲍尔通信科技有限公司，上海 200436）

主题词：自动化设备；设备管理；数据采集

0 引言

随着公司规模的不断扩大，为保障和提高产品加工质量和效率，近年来加大了自动化设备的投入，总共配置几百台套自动化（半自动化）生产、试验、机加设备。公司对设备的利用率、稼动率、OEE（Overall Equipment Effectiveness，设备综合效率）要求也随之提高，为提升设备管理的效率和质量，公司将逐步对贵阳地区及各分公司的设备进行在线管理，有效掌握这些设备的运行状态，监测设备运行，用客观数据实时分析设备利用率、稼动率、OEE，为公司产能和劳动效率提升提供管理决策数据。

1 设备数据采集方法

不同类型的设备，数据采集的方法不同。介绍已经成功实施设备数据采集方法。

（1）机加类设备。机加车间的各类机床设备需要采集轴的输出信号，其实质是使用电机驱动轴运动来实现产品的车、铣等操作。可以通过采集轴的状态来判断设备的使用状态，例如在机床运行时，通过主轴和进给轴的信息可知道机床的状态。机床切削运动中的电机的电流大于空载时，可使用电流互感器采集电机动力线上的电流，根据其大小变化来间接判断轴电机的状态。

（2）非标类设备带PLC及上位机。针对于有上位机的非标设备，可预先在设备电控PLC里预留好设备状态数据通道，在上位机程序添加数据采集功能模块，由上位机直接读取PLC里存储的设备信息后绑定设备的名称和编号发送至服务器平台服务端。

（3）非标类设备带PLC。对于没有上位机的非标设备，可拓展PLC增加通信网口模块，并预先在设备电控PLC里预留好设备的状态数据通道后，直接由采集服务器上位机系统读取设备的信息。

2 设备数据采集平台设计

2.1 数据采集物理网络架构

采集到设备数据后，需要通过网络将数据传输到服务器，数据采集的条件是设备物理联网，在工业环境中，可以通过有线工业网线联网或无线网络联网，根据保密要求，公司采用有线联网，网络结构如图1所示。

图1 数据采集网络物理架构

2.2 数据采集应用架构

为了提高系统运行效率，平台采用两层架构：平台层和车间层（图2）。平台层包括数据库服务器和应用服务器，应用服务器包含Web应用和数据接口应用。Web应用负责设备管理的前台展示，包含各种看板和报表；数据接口应用负责接收车间层采集服务器上传的数据。车间层包含采集服务器和上位机、PLC、传感器；最后统一由采集服务器上传数据到应用服务器，在增加车间和设备时，不用变动平台层，增加了平台的扩展性。

图2 数据采集应用架构

2.3 采集的数据类型和对应数据库设计

（1）设备状态。设备状态包括运行、故障、停机、关机。设备的运行状态保存在PLC的1个8位的存储单元里，设备状态变化时，PLC存储单元里的值会立即变化，上位机定时读取这个值，再把值上传到应用服务器的数据接口应用，数据接口应用把值插入数据库服务器上的设备状态表。根据现场的需求，定时的数据更新时间间隔可以是500 ms到20 s，时间间隔太短，会频繁更新数据库，数据库压力较大，建议20 s更新一次，基本满足要求。当设备关机后，不会再更新数据库，可以通过查询设备的最后一条状态新增时间，对比系统当前时间，假如设备长时间（5 min）没有更新数据，判定设备为关机状态。

（2）设备故障次数、生产数量。设备故障次数体现设备运行的稳定性，设备生产数量可以体现设备产能。设备故障次数保存在PLC的1个16位的存储单元里，设备每发生一次故障，故障次数加1，上位机可以定时去读取这个值，再把当前累计值上传到应用服务器的数据接口应用，数据接口应用把值插入数据库服务器上的设备故障次数表。故障次数上传的时间间隔可以较长，定为5 min，设备生产数量上传的时间间隔可以较长，定为1 min。故障次数、生产数量累计保存在PLC中，设备断网也能保证数据的准确性。由于PLC是被动的存储数据，上位机要主动的去读取数据，不能在设备发生故障时，立即获取信息，只能定时读取。通过时间段，计算设备累计故障次数的差值，可以计算设备每天发生的故障次数，基本准确的计算每小时的故障次数；通过时间段，计算设备生产数量的差值，可以计算设备每天的产能，基本准确的计算每小时的产能。

（3）产品质量数据。对于拥有上位机的设备，上位机可以记录设备生产的每一个产品的质量数据。不同产品的要采集的质量数据不同，为了统一设计，把单个产品的质量数据合并在一个字段保存，当要具体分析质量数据时，再去解析。质量数据样式类似字符串：{sbbh：CS010，czy：20188，cpxh：3.0-3.1，cppch：202112021101，ddh：70000012345，CPID：，zljg：1，jgdm：14.000，ztcd：3.033，sqpd：0.747，sh pd：0.694，spxs：355.000，tzd：0.095，NGlx：，dzsfwz：52.000，spjzsd：6000.000，jiasd：600.000，jiansd：600.000，skwz：750.000，bzcsbbh：3.0-3.1，sjc：，zbzdzj：0.694，zbzxzj：0.694，gbzxzj：90.514，tbzxzj：89.000，tbzdzj：89.000，gbzdzj：90.514，bl1：，bl2：，bl3：，bl4：，bl5：，ztcdzl：1，shpdzl：1，shpdmaxzl：0，shpdminzl：0，tzdzl：1，kzzl：0，fxzl：1，ss：1}。通过产品质量数据，可以计算合格率，设备OEE等数据，做更深入的分析。

3 数据处理及效果展示

3.1 定期清理不需要长期保存的数据

对于设备状态数据，属于实时数据，显示设备的当前状态，不需要长期保存，如果不清理，会占用很多空间，故通过数据库定时任务，清理3天前的数据。

3.2 对大量数据分表处理

对于设备故障次数，设备开机、停机、故障时间，设备生产数量，产品质量数据，需要长期保存，不能删除，占用很多空间，对数据库的性能产生影响，后续数据新增、查询操作会需要更多的时间。故需要通过手动的方式，把往年的数据，分表保存到历史数据库中。

3.3 效果展示

（1）显示设备当前的状态（图3）。

图3 设备状态

（2）设备时间统计，根据日期时间段，统计设备的停机时间、故障时间、运行时间、开机时间、利用率、故障率（图4）。

图4 设备时间统计

（3）设备小时利用情况统计，可以统计设备当天每个小时的利用率、稼动率，运行、停机、故障、开机时间（图5）。

图5 设备小时利用情况统计

4 设备数据采集平台的展望

随着设备数据采集平台技术的发展进步，设备数据采集平台将朝着更加智能化、科学化的方向发展。在采集到设备数据的基础上，可以做更深入的大数据分析，利用机器学习、神经网络等技术，进行数据挖掘，做预测性设备维护，智能排产等工作，设备的数据采集平台的发展前景辽阔。

5 结束语

随着公司智能化的发展，自动化设备将会越来越多，通过设备数据采集平台，可以快速实现设备联网入网。通过设备数据采集平台，可以分析设备的使用情况，车间生产情况，为公司上层决策提供依据。