延俊磊，王树凯，于佳良，李 祥，焦 松

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

生产设备在制造业中占据核心地位，是一个国家工业发展不可或缺的组成部分，设备的数字化、智能化也是我国制造业转型升级的核心。目前，生产企业的设备仍然大量存在缺少通信端口的情况，导致设备数据无法直接从设备内部采集，是企业实现数字化、智能化转型必须解决的问题。

1 设备数据采集系统总体架构（图1）

图1 设备数据采集系统总体架构

通过在设备加装传感器或设备本身的记录，实时采集设备状态信息，通过通信端口、以太网、IoT（Internet of Things，物联网）等方式传输至后台服务器，后台服务器将数据进行预处理，然后通过交换机发送至公司内部数据存储中心，工作人员可通过公司内网实时监测设备运行状态、数据分析统计，还可以根据设备运行状态制定故障预测逻辑，实现故障预判功能。设备出现故障，系统自动报警提示工作人员，相关工作人员根据提示情况及设备现场作业情况分析故障原因，制定解决措施，预防设备停机，并为设备预测性维护提供数据支撑，提高设备管理效率，提升生产效率。

2 数据采集

数据采集主要分为两类，一类是设备自身提供的通信端口，一般有控制系统的设备自带通信端口，但因为设备不同，端口型号、端口协议也不尽相同，需针对不同端口进行通信协议的开发或由设备制造商提供，以实现数据的采集；另外一类是在设备或设备控制柜内安装传感器，通过传感器采集所需要的设备运行状态数据。

2.1 设备通信端口采集

一般带控制系统的设备具有以太网口或RS-232 通信端口，也可以与设备制造商商议，由设备制造商提供通信端口协议，通过端口协议直接读取设备的实时状态数据，包括程序开始时间、程序执行状态、程序结束时间、设备压力、主要部件温度、开关控制量、设备坐标、测量结果等内部数据。

2.2 传感器采集

设备自身无控制系统或有控制系统但通信协议不开放，需要增加传感器（振动、压力、温度传感器等），通过传感器采集设备运行状态数据。另外，为了实时跟踪设备能耗数据，需通过设备加装电压电流传感器和智能电表结合的方式进行能源数据采集，采集的能源数据主要包含设备的电流、电压及功率，并通过有线、无线、IoT 等方式将数据传输至后台服务器进行分析及展示。

设备能耗数据采集，需对每台设备主电源加装开口式互感器和智能仪表，采集设备的实时电流及电压，智能仪表根据采集到的电流、电压，计算设备实时功率，并将实时电流、电压及功率数值发送给通信管理机，通信管理机汇聚多台设备的采集数据后，按照传输协议对数据进行整理，然后按照一定的频率通过交换机发送到后台服务器，对数据进行分析整理。

开口式电流互感器进行电流测量，根据设备主电源线直径，每台设备配置合适的开口式互感器。开口式互感器接线方式如图2 所示。

图2 开口式互感器接线方式

智能仪表应具备电力测量、开关量采集一体化等功能，智能仪表至少具备网络通信接口和无线通信接口，即可通过网线接入网络，也可通过WiFi 无线接入网络，为了提高数据采集的稳定性，以有线网络采集为主；既可集中组网，也可分散安装在设备上组网。同时预留安装5G 模块的接口，便于后续5G 模块的安装。

智能仪表应具备连接显示面板，显示面板上设有汉字液晶显示屏，实时显示线路的监测量，通过键盘可方便地进行监测、事故信息、开关量状态的查询，并通过密码设置可进行保护及监测功能的整定。智能仪表具备数据暂存功能，当出现断网时，智能值仪表能够暂存采集到的数据，待网络恢复后再将存储的数据传输至后台分析系统。

3 数据处理

3.1 数据存储

数据存储在公司内部数据存储云端，通过基于集群存储系统的架构，形成高效、合理的数据存储体系，按易存储、易管理、易使用原则，设计数据库表结构，根据数据资源清单设计数据采集流程，将有价值的数据存储到数据仓库中，通过接口共享方式，核心数据仓保留数据控制权，将数据使用权通过API 接口的形式进行平移，以实现存储系统的高可靠性及数据的高利用性。

3.2 数据应用与分析

依据数据存储云端存储的各种设备实时运行数据，通过设定算法逻辑，将数据进行分析应用。还可以通过数据不断积累，将实时运行参数与设备故障进行关联分析，制定关联分析模型，通过实时数据监控分析。当运行参数满足模型逻辑时进行故障预警，提示设备运行情况，分析异常原因，制定解决措施，预防设备停台。通过数据积累，可以为设备预测性维护提供数据支撑，提高设备管理效率，推动生产效率提升。

设备利用率反映设备实际使用情况，为生产能力设计和生产决策、分析提供依据和基础资料。

设备负载率客观记录真实负载运行情况，为修程优化提供精准客观数据。

4 设备数据采集系统应用

将数据应用分析后，通过搭建一个设备数字化平台，将运行、监控、数据展示的功能直观可视化。可以展示设备运行负载率、设备利用率、设备状态历史信息、设备运行看板、设备能耗等信息。设备运行负载率是通过设备实际加工过程中各阶段信息，计算不同状态持续时间及设备所处工况而得出。设备利用率是统计设备开机时长及设备加工时间进行计算而得出。设备状态历史信息是通过设定不同时间、不同使用单位、不同人员等多个维度的设备数据统计，方便工作人员掌握设备状态，改进设备维修方式方法，提高设备利用率。设备运行看板包含设备的开机、关机、待机、负载、运行时长等状态信息。设备能耗是通过电压、电流、功率等信息的处理，展示设备当日、当月、累计能耗值。

4.1 平台界面

主界面显示整个车间在线监测设备的具体位置及实时运行状态，设备实施运行状态统计显示，设备利用率和负载率当日实时显示及超阀值提醒显示（故障显示）。

子界面显示单台设备运行看板，单台设备当日运行状态统计，单台设备利用率和负载率当日实时统计，电压及电流曲线，单台设备的电压、电流各种阀值设定入口等。

4.2 设备利用率

通过分析单台设备实际开机情况，结合实时电流曲线，设置开机电流值，设定单台设备最大和最小预警阀值。通过分析单台设备开关机时间、实时电流曲线等数据，设定单台设备最大和最小预警阀值。当单台设备利用率高于最大预警阈值时，提醒维保单位加强设备现场巡检维护；当单台设备利用率低于最小预警阈值时，结合OEE（Overall Equipment Effectiveness，全局设备效率）指标情况，合理安排生产，提高生产效率。

4.3 设备负载率

通过分析单台设备实际工作情况，结合实时电流曲线，设置工作电流值，设定单台设备最小预警阀值。当单台设备负载率低于最小预警阈值时，从负载时间和开机时间两方面进行原因分析，若负载时间较短，提醒相关单位合理安排生产；若开机时间较长，提醒使用单位及时关机，减少等待浪费。

4.4 设备能耗

通过实时采集设备主电源的电流、电压信息对设备的运行负荷状态进行监控，也可通过历史记录查询，为设备故障分析提供数据支撑，还可对单台设备的能耗进行统计分析。

4.5 辅助生产、工艺，提升管理效能

通过对设备利用率、负载率等的统计，可辅助进行工艺布局优化及工艺程序优化；通过设备实时运行状态监控，可为排产计划提供支持，提高生产效率。

5 结束语

设备虽然在制造业是不可或缺的重要组成部分，但在实际应用中仍然存在大量缺少通信端口的情况，导致数据信息无法直接从设备内部采集。数字化平台可以通过物联网技术实现设备的数据采集，以及设备的数字化、智能化。该平台也可以通过加装传感器采集数据的方式，获取所需要的设备状态数据，且不影响其正常运行。通过设备数字化平台，可以优化生产排产计划，提升设备利用率和设备运行负载率，提高设备维护水平，保障设备的可靠性，并为设备预测性维修和全寿命周期管理提供数据支撑。