基于工业物联网的设备产能监视与分析系统的设计与实现

摘要

论文的主要研究目的是针对某轴承工厂生产线，实现设备产能的监视和分析系统。该生产线的特殊之处在于早期建立的二十余条产线，数控系统型号较杂，实现机器联网改造难度与成本较高。对这批产线设备，计划采用外加设备监控模块的方式进行数据采集。最新一批的十余条产线采用西门子PLC系统，具备设备直接联网功能。这个系统要实现对这两类设备的状态监控和产能数据的采集、存储;要从工序、设备、生产线等方面对生产数据进行分析;要能对数据分析结果进行可视化展示，辅助现场决策。　　论文首先对两种设备所需要的采集方案进行了可行性分析。对采用西门子数控这批机床采用了Python-Snap7通讯方案来实现数据采集。对无法直接通信的机床采用专业物联网模块，通过流水线控制设备的PLC和感应开关进行了计数检测，通过采集模块和流水线控制设备的PLC通过IO信号实现设备数据汇总，利用物联网网关、云平台完成数据传输。　　然后，对采集模块的LED灯和按键编程实现对通信故障的监控和人工报送设备状态的功能。之后，基于硬件安装点号表和PLC配置表对采集的数据进行了汇总解析，并对两种不同来源的数据进行处理以实现相同的数据结构输出。最后，建立数据库存储生产过程数据和数据分析结果数据。　　接着，从工序、设备和产线三个角度对数据进行分析。工序管理方面，根据轴承磨削加工过程特点，提出了磨床工序效率分析方法。对设备状态进行监控并计算设备的时间稼动率。设备管理方面，对设备生产的实际工时进行了统计，分析了生产过程的稳定性。对设备性能稼动率、设备总体效率进行了计算。产线方面，设计装配线齐套控制方案对装配线平衡进行跟踪监控。　　最后，基于组态开发平台对数据分析结果开发了电子看板。设计了产量实时进度看板、设备监控看板、产品齐套看板和产线管理中心看板。并在合作企业进行了实地测试验证。　　本文对基于数控系统的信息采集和基于工业物联网的信息采集系统进行了开发，解决了两类典型设备的数据采集问题。从工序、设备、产线三方面完成了数据分析和可视化看板开发工作。在现场使用中，本系统为现场决策管理提供了良好的辅助，减少了生产过程中浪费。本文所提出的两种数据采集方案和数据分析可视化方案，在目前实际工厂数字化改造应用中有一定的实际应用价值。

目录

声明

摘要

1．1课题研究的背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1工业物联网

1．2．2制造生产数据采集研究情况

1．2．3生产数据分析、传输与可视化

1．3本文内容及论文结构

2．1需求分析

2．1．1应用工厂生产线情况

2．1．2系统设计需求

2．2系统整体架构

2．3设备数据采集方案

2．3．1西门子PLC数据采集方法论证

2．3．2工业物联网采集方案

2．4数据分析方案

2．5数据可视化方案

2．6本章小节

3．1设备数据采集总体方案

3．2基于Snap7的PLC数据采集的实现

3．2．1 Snap7数据采集方法

3．2．2 Snap7数据采集服务的验证

3．3针对I／O信号的底层采集模块实现

3．3．1总体方案设计

3．3．2硬件模块外设编程设计

3．3．3数据传输和MQTT订阅客户端实现

3．4数据解析汇总

3．5数据存储

3．6本章小结

第四章生产数据分析服务实现

4．1工序管理

4．1．1磨削工序效率分析

4．1．2标准工时分析

4．2设备管理

4．2．1设备状态分析

4．2．2实时产量和生产进度分析

4．2．3设备综合效率计算

4．3产线管理

4．3．1装配线齐套控制

4．3．2产线人员登录

4．4本章小结

5．1电子看板总体设计

5．2现场看板

5．2．1生产实时产量进度看板

5．2．2设备监控看板

5．2．3齐套看板

5．2．4产线管理中心看板

5．3本章小结

6．1总结

6．2不足之处与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果