制造企业数据采集系统设计研究

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摘要：提出了企业从现场数据采集入手，逐步实现数字化工厂的发展路径；并结合具体的工程实例，通过分析生产过程中需要采集的实时数据，提出了具体的数据采集方案，最终实现生产过程的可视化。并介绍了数据采集系统实施所取得的实际效果。

关键词：数据采集；条码识别；DNC联网

随着《中国制造2025》的，智能制造、数字化工厂一时成为热门话题。而我国大部分离散型制造企业的现状是普通加工机床与数控加工机床并存，如何帮助企业根据现有条件，稳步推进数字化改造，是需要面对的问题。下面就我院设计的某机械制造企业具体的数据采集系统实施方案，介绍一下具体的做法。该企业机械加工车间主要以盘套类、轴类、箱体类零件为主。加工设备普通机床站40%，数控机床及加工中心站60%，装备数控化率在我国处于中上游；在信息化建设方面，该企业实施了ERP系统，主要应用在财务管理方面，对实际的生产帮助并不大。

1数据采集系统设计规划

结合企业的现状，并根据企业迫切希望调高产品质量，提高产量的要求，提出了数字化工厂的实施战略：总体统一规划，分步实施数，追求实效，以应用促建设。总体上划分为生产过程可视可控化、分析应用数字化、工厂管理数字化和决策支持数字化四个层次。开始以基础平台搭建以及车间生产过程的可控可视化系统实施为重点，在此基础上展开相关系统功能的研发应用，最终实现全面数字化。要想实现生产过程的可控可视，数据采集系统的建立是关键，它也是MES系统和ERP系统的运行基础。数据采集系统主要针对车间生产人、机、料、法、环、测六大要素，针对六大要素的不同特点，采用不同的技术手段来实现数据的采集与反馈，从而实现生产全过程的物料跟踪管理，并打开生产过程的“黑匣子”，为生产运营管理提供及时准确的现场信息，使整个生产过程可视、可控。数据采集系统分为三个层次，分别为信息采集层、状态监控层、统计分析层。具体实施方案如下。为保障数据采集系统的实时性与可靠性，采用基于工业以太网的数据采集网络，主干网络采用100M环形以太网［1］。各种信息均通过覆盖整个车间的信息采集网络进行数据的传输。在车间设置屏蔽数据中心，用于生产数据的存储于管理，同时用于接收研发中心传输过来的工艺文件，以及管理部门下发下来的生产计划信息。数据中心设置有历史数据库及实时数据库，以及用于数据管理的管理服务器，文件服务器，认证服务器等管理系统服务器。设置指挥调度中心，生产监控信息通过网络汇入指挥调度中心监控平台。指挥调度中心有权限调看所有监控图像、设备运行状态、设备能耗等信息，可对重要的信息和图像进行备份存储。

2数据采集系统的具体实施

2.1编码体系建设是实现数据采集的基础

人工手动记录也是一种信息采集方式，因其有速度慢、可靠性低、及时性差等缺点，已不能满足现代化生产的需要。随着计算机及传感器等高新技术的不断进步自动识别技术取得了长足的发展，常用的的自动识别技术主要有：条码识别、射频识别、光学OCR识别、磁卡识别等。条码技术作为一种自动识别技术，具有操作简单、信息采集速度快、可靠性高、灵活实用、设备成本低等优点，在工程中获得了广泛的应用［2］。因此为了实现企业物流的实时追踪，实现车间生产全过程的可管可控，建立企业的基础数据编码系统是必需的。该企业实施了ERP系统，与产品相关的编码、人员与组织编码、与管理活动相关的编码、与生产经营资源相关的编码等几大部分已完成。

2.2系统所需采集数据的分析

生产过程中的数据涉及制造执行中的各个环节，通常包括了人员、物料、加工设备、工装、刀具、加工过程、质量检测等，而这些数据总体又分为静态数据和动态数据［3］。结合需要达成的目标，需要对系统所需采集数据进行深入分析，这关系到具体实施过程中采集的设置及需要采取的采集方式。具体见表1。

2.3数据采集点的具体设置

为提高车间数据采集的实时性与可靠性，采用工业以太网传输对车间进行全覆盖，各数据采集点通过管理计算机与传输网络相连。对于数控机床及加工中心实现DNC联网，通过DNC联网，可直接读取数控设备加工中的数据信息，例如主轴转速、主轴功率、进给赔率、有效加工时间、故障报警等［4］。具体做法是在数控设备旁边设置一网管理计算机，联网计算机与车间工业以太网连接，与生产区数据中心进行通讯，同时与数控设备进行一对一通讯，管理计算机配置一台条码扫描枪，用于工人工卡、物料条码的信息录入。对于普通机床，从事于零件的粗加工或非关键工序的加工工作，因此不需要提取加工过程的详细信息。但可通过设备的电气控制柜，提取现场触点信号，用于判断设备工作和闲置状态，为生产管理提供数据。具体做法是普通机床按照车间布局，3～4台为一组，一组设置一台管理计算机，用于设备触点信号的接入，操作人员可通过该计算机调取加工工艺文档，如设备出现故障，进行人工操作报警。管理计算机配置条码扫描枪，用于工人工卡、物料条码的信息录入。在各类库房设置管理计算机、配置条码打印机、条码扫描枪，生产所用物料、刀具、操作台、夹具等在进出库时进行条码扫描，进行相关信息录入；并通过管理计算机接收相关生产计划，按计划进行物料准备及配送。在在质量检测站设置管理计算机、配置条码打印机、条码扫描枪。对于自动检测设备，如三座标测量机，通过管理计算机联网，可实现检测数据的自动录入，并形成检验报表；对于非自动检测设备，需手工将检测结果录入到系统中，形成检验报表，并刷卡确定。

3数据采集系统取得的实际效果

3.1提高了数控设备利用率

由于数据采集系统及时提供了设备的运行状态，使生产安排更有针对性，生产计划调整及时，设备日常维护安排更加合理，降低了设备故障率，使数控设备的有效工作时间得到了大幅提高达到了60%。这一数值虽然与欧美先进企业数控设备有效工作时间达到80%［5］的数值相比，还有一定差距，但与国内企业数控设备利用率普遍在40%左右的水平相比，已是难能可贵。

3.2生产管理更加科学合理

国内工厂为了提高工人的积极性，对工人的考核一般采用计件工资制。这样做也存在一定的弊端，比如为了尽快完成任务，加大机床的进给赔率，从而造成对设备使用寿命及加工精度的损害；为了赶工，不及时更换刀具，或工作不仔细从而导致废品的产生，使企业蒙受损失等。而在实施了数据采集系统后，机床的工作状态能实时跟踪，从而杜绝了工人不规范操作的问题。对于一些关键零件，根据系统采集的实际工作时间，在制定工时定额时，适当放宽工时定额，并同时制定相应的处罚措施，使工人在进行关键件加工时自觉自愿做到认真仔细，降低产品废品率。

3.3有助于加工工艺的不断改进

在实施了DNC系统后，可以实现数字化仿真，即模拟加工过程，验证工艺的合理性，进行加工参数优化。另外，以前一些难以发现或解决的问题，因为现场实施数据的采集而变得简单容易。如某箱体在加工过程中，刀具出现崩刃，最终导致断齿，导致整个零件报废。通过调用DNC系统主轴实施监控数据发现，某一时段主轴功率突然提高，根据相对应的时间，查找到相应的加工点，确定了断刀点。发现该点是一个直角凸起部位，采用相同的进给速度，导致刀具受力突然增加，从而产生崩刃。找到原因后，通过更换刀具及降低该处的加工进给速度，有效解决了问题。

4结束语

数据采集系统的实施，能帮助企业实现生产全过程的可视化管理，能及时发现生产中存在的问题，不断提升管理水平，提高设备利用率，为企业创造价值，提升企业核心竞争力。同时，它也是MES系统、ERP系统的运行基础，为企业全面实现数字化、智能化打下坚实的基础。

参考文献：

［1］王华忠.监控与数据采集（SCADA）系统及其应用［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］马国星.制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

［3］王聪.制造业数据采集技术解析［Z］.e-works，2011.

［4］朱铎先.数字化车间的基础-DNC机床联网系统［J］.新技术新工艺，2011（8）：8-12.

［5］朱铎先.军工特色数字化车间系统概述［J］.新技术新工艺，2011（7）：5-9.

作者：杨昀 卢家鑫 单位：机械工业第六设计研究院有限公司