CN114237491A - 一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法，涉及智能制造技术领域，能够提升车间的现场数据的采集和应用能力，让机床等车间设备可以以最快速度投入到车间生产当中。本发明包括：采集系统由采集类模块、管理类模块和存储类模块组成；各个分布式管理模块都连接集中式管理模块，集中式管理模块与集中式存储模块建立连接；存储类模块包括一个集中式存储模块和至少两个分布式存储模块，一个分布式存储模块与一个分布式管理模块对应并建立连接；每一个分布式管理模块都与采集类模块建立连接，采集类模块与传感器单元连接，传感器单元安装在车间现场的待采集设备上，并读取传感器单元发出的传感器数据和待采集设备的运行数据。

Description

一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，尤其涉及一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法。

背景技术

底层制造资源是整个智能制造系统的基础，对生产过程中的数据进行有效采集、传输和处理对智能制造系统具有重要的意义，系统的合理决策、合理调度实现对制造资源、服务的优化控制高度依赖于数据，数据可以说是智能制造系统实现智能的根基。在智能制造系统当中的产品的全生命周期当中，主要涉及生产设备、物料设备、物料、操作人员、生产环境等诸多要素，因此需要在车间底层制造资源当中进行多方面多层次的数据采集，将实时生产信息提供给车间的管理和决策层。

制造车间的数据采集系统，需要面对数据来源不同、传输协议不同、传输接口不同、设备数量不定的多源异构数据的采集。传统车间现场数据采集系统面对变化的数据采集需求调整速度慢，调整耗时长，调整成本高，数据采集系统难以快速进行配置。

因此，如何解决传统数据采集系统当中的不足，提升车间的现场数据的采集和应用能力，从而让机床等车间设备可以以最快速度投入到车间生产当中，成为了需要进一步研究的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法，能够提升车间的现场数据的采集和应用能力，让机床等车间设备可以以最快速度投入到车间生产当中。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供的系统，包括：

所述采集系统由采集类模块、管理类模块和存储类模块组成；

所述管理类模块包括一个集中式管理模块和至少两个分布式管理模块，并且各个分布式管理模块都连接所述集中式管理模块，所述集中式管理模块与所述集中式存储模块建立连接；

所述存储类模块包括一个集中式存储模块和至少两个分布式存储模块，一个分布式存储模块与一个分布式管理模块对应并建立连接；

每一个分布式管理模块都与采集类模块建立连接，所述采集类模块与传感器单元连接，传感器单元安装在所述车间现场的待采集设备上，所述采集类模块，用于读取所述传感器单元发出的传感器数据和所述待采集设备的运行数据。

第二方面，本发明的实施例提供的方法，包括：

S1、通过所述采集类模块读取传感器单元上报的传感器数据；

S2、分布式管理模块利用传感器注册信息、设备注册信息和人员注册信息，将所述传感器数据进行信息资源绑定；

S3、所述管理模块采用事件驱动的方式，对传感器数据进行采集，并进行数据处理；

S4、所述分布式管理模块将S2和S3执行后的结果，存储至分布式存储模块；

其中，在每一个设备区域中接入了一套待采集设备，所述采集类模块通过预设的数据传输方式与这一套待采集设备上安装的传感器单元建立通信。

本发明实施例提供的用于车间现场的多源异构数据的采集系统及方法，

每一个分布式管理模块都与采集类模块建立连接，所述采集类模块与传感器单元连接，传感器单元安装在所述车间现场的待采集设备上，所述采集类模块，用于读取所述传感器单元发出的传感器数据和所述待采集设备的运行数据，从而实现了对车间数据采集单元进行模块化和智能化封装，

以及，所述管理类模块包括一个集中式管理模块和至少两个分布式管理模块，并且各个分布式管理模块都连接所述集中式管理模块，所述集中式管理模块与所述集中式存储模块建立连接；所述存储类模块包括一个集中式存储模块和至少两个分布式存储模块，一个分布式存储模块与一个分布式管理模块对应并建立连接；即对于每一台车间设备，都建立一套分布式管理模块+分布式存储模块，并通过模块化和智能化封装后的采集类模块实现设备的接入，以便于可以快速插拔接入车间设备，从而实现车间设备的快速部署，更好地应对车间内不同数据的采集，提升车间的数据采集能力，进而保证车间管理和决策层在资源管理，车间生产运输调度、生产过程监控等方面的能力。

最终实现了多源异构数据采集系统的快速配置，以便于进一步实现车间当中的设备的即插即用和快速采集数据，让机床等车间设备可以以最快速度投入到车间生产当中，提升车间的现场数据的采集和应用能力，从而解决传统数据采集系统当中的不足，提升车间的现场数据的采集和应用能力，从而让机床等车间设备可以以最快速度投入到车间生产当中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的具体实例中的，面向车间现场多源异构数据采集工业软架构的示意图；

图2为本发明实施例提供的具体实例中的，车间数据处理流程示意图；

图3为本发明实施例提供的系统架构示意图；

图4为本发明实施例提供的方法流程示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例的主要设计目的在于：提供一种面向车间现场多源异构数据采集的工业软件架构，对车间数据采集单元进行模块化和智能化封装，作为车间数据采集的平台加载的服务架构，以便于可以快速插拔接入车间设备，从而实现车间设备的快速部署，更好地应对车间内不同数据的采集，提升车间的数据采集能力，进而保证车间管理和决策层在资源管理，车间生产运输调度、生产过程监控等方面的能力。

本实施例提供一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统，如图3所示，所述采集系统由采集类模块、管理类模块和存储类模块组成。

所述管理类模块包括一个集中式管理模块和至少两个分布式管理模块，并且各个分布式管理模块都连接所述集中式管理模块，所述集中式管理模块与所述集中式存储模块建立连接。

其中，管理模块主要的功能是实现车间多源采集模块的管理的以及多源异构数据的管理。当数据采集设备接入到工控机或个人电脑之后，管理模块调用相应的采集模块，对应接入的设备类型。数据采集系统当中的管理模块分为集中式管理模块和分布式管理模块，制造系统当中存在一个集中式管理模块和多个分布式管理模块。两种在管理数据的能力上相同，但集中式管理模块能通过以太网向分布式管理模块发送读取数据的请求，分布式管理模块响应请求，只能访问自己附属的分布式存储模块。集中式和分布式管理模块共同满足制造现场不同的工作需求，方便传感器的接入和删除，具有较高的灵活性。同时可以利用分布式管理模块增加数据采集系统的当中传感器接入的容量。

所述存储类模块包括一个集中式存储模块和至少两个分布式存储模块，一个分布式存储模块与一个分布式管理模块对应并建立连接。

其中，分布式管理模块与集中式管理模块，对于多源异构数据的处理方式是一致的，可以采用相同的处理方式以及算法模型来处理多源异构数据。分布式管理模块到集中式管理模块的叠加主要作用在于方便扩展容量以及减少空间上的阻碍，避免过于复杂的接线和端口数量限制。所述集中式存储模块与分布式存储模块具有一致的结构和功能，集中式存储模块处在集中式管理模块的管理下，安置在车间内部计算性能较好，存储空间较大的工控机或者服务器上，能够定时或者按照操作人员命令对分布式存储模块中的数据进行备份，从而利于后续的数据处理和调用。

例如：如图1所示每一台设备都有对应的专有的数据采集模块，想要设备采集设备的接口类型，选用相应的数据采集模块，加载到管理模块当中。车间当中存在一个集中式管理模块，以及多个分布式管理模块。集中式管理模块可以管理其下属的分布式管理模块以及数据采集模块。集中式管理模块负责将直属的采集模块的数据，在进行分析后写入到集中式存储模块当中。同时集中式管理模块与分布式管理模块进行通行后，将存储在分布式存储模块当中的数据进行读取操作，并且写入到集中式存储模块当中，实现车间不同分支存储模块之间数据的同步。管理模块下的数据采集模块式可加载选项，可以根据车间数据采集的需求选择相应的数据采集模块，能加快完成相应数据采集软件的配置，达到车间内设备的即插即用。同时这种架构在维护和功能的扩展性具有良好的性能。维护期间不需要停下整体车间生产活动。相应新技术数据采集模块能够单独进行开发和调试，不需要对管理模块进行修改和适配，大大缩短研发时间，降低生产成本。

每一个分布式管理模块都与采集类模块建立连接，所述采集类模块与传感器单元连接，传感器单元安装在所述车间现场的待采集设备上，所述采集类模块，用于读取所述传感器单元发出的传感器数据和所述待采集设备的运行数据。其中，在实际应用中，所述传感器单元至少包括：温度传感器、湿度传感器、位移传感器、振动传感器和位置等传感器。具体的，待采集设备可以理解为部署、安装在车间内的机床等组成生产线的设备。

所述存储模块，其功能是根据管理模块采集到数据进行存储，对管理模块的调用进行响应，执行写入操作。对车间内机床、物流设备、仓储设备以及物料信息进行存储。车间内的各设备信息类型不同，信息的生命周期不同，生产设备之间所具有的信息数据种类不同，数据量不同。物料的信息在加工结束，信息就不再更新，而机床需要持续实时记录信息，并通过接口传输给车间数据处理程序进行分析，对机床的状态进行跟踪，对近期可能出现的状况进行预测，这也是车间数据采集系统一种重要的应用场景。

本实施例中所述的待采集设备，即为安装在车间现场中的、实际进行生产过程的设备，本实施例中的采集系统，即需要采集这些“待采集设备”的运行状态数据和传感器数据。

本实施例中，在所述预设的数据传输方式包括：RFID、现场总线、工业以太网、ZigBee和蓝牙等，所述采集类模块中运行了与各数据传输方式对应的数据读取程序。其中，所述采集模块，其功能是读取接入到制造系统数据采集的传感器单元的数据。制造系统当中的信息源在类型和数量都比较多，常见涉及的信息源包括生产设备、人员、环境、仓库和生产质量等，相应采集数据的传感器单元以及数据传输方式也较为复杂，常见的传感器种类包括温度、位移、振动、湿度、位置等传感器，制造现场常用的数据传输方式有RFID、现场总线、工业以太网、ZigBee、蓝牙等。不同的传输方式通讯时信号的形式不同，编码的方式不同，因此不同的数据传输方式需要相对应专用的读取程序。

在本实施例中，所述集中式管理模块部署在车间内的集中式工控机上，所述分布式管理模块部署在车间内的分布式工控机上。在每一个与分布式管理模块建立了连接的采集类模块中，所安装的数据采集协议至少包括：RFID、现场总线、工业以太网、ZigBee和蓝牙。例如：如图2所示，传感器单元总线、以太网、蓝牙等传输途径将数据接入工控机之后，管理模块从采集模块驱动库中调用相应的采集模块，并进行参数设置。采集模块将传感器的注册信息与设备及人员的注册信息进行绑定，在存储模块当中建立存储表格。采集模块将数据传输给管理模块，管理模块将数据进行预处理，将数据变化与数据库中的事件进行匹配，完成实时数据更新，将数据写入到存储模块当中。存储模块当中提供数据索引查询和数据追溯，当集中式管理模块向分布式管理模块发送数据请求时，存储模块将相应的数据交给管理模块调用，实现车间内数据的同步。数据追溯以订单为主体建立存储表，对订单经历过的加工运输流程进行记录，当车间加工的产品出现质量问题时有利于对车间内故障进行排查。

其中，所安装的数据采集协议集成为统一的接口，并通过设置所述接口的调用参数，来调整所述采集类模块与所述待采集设备建立连接时所调用的数据采集协议。具体的，集中式管理模块和分布式管理模块都是可以部署在车间内部工控机上的软件模块，可以接入多个采集模块来满足车间内部的数据采集需求。采集类模块将不同的数据采集协议转换成统一的接口，可以供集中式管理模块和分布式管理模块，这些管理模块只需要调整采集模块的部分参数就可以调用采集模块。管理模块搭载工控机上或者服务器上，分布式管理管理模块可以放在在设备和传感器周围，可以是性能较差，存储空间较少的工控机上，而集中式管理模块则放在性能较好的工控机或者服务器上，从而实现对车间数据采集需求的灵活应对，以及对计算和存储资源的合理安排。

具体如图1所示，所述车间现场可以划分为至少两个设备区域，在每一个设备区域中，包括：一套待采集设备，所述采集类模块通过预设的数据传输方式与这一套待采集设备上安装的传感器单元建立通信。

在所述采集类模块中建立有驱动库，驱动库中存储有与各数据传输方式对应的数据读取程序。其中，采集模块作为数据采集系统当中的基础组成部分，对物理车间实际的数据采集方式需要保持良好的兼容性，因此需要建立针对现场多源信息采集的驱动库。每一个驱动针对一种类型的传输方式，根据实际需求的不同，进行一定参数的调整，适应不同的工作环境和采集精度，实现这种数据传输方式的数据采集。不同于普通民用pc为所有外围设备提供兼容接口，工业领域的各类标准和非标的通信协议难以计数，一一开发相应单独数据采集接口显然并不现实，因此设计一种统一的通信接口，所有底层装备都使用该接口接入采集类模块，并通过该接口实现与管理模块的接入。所有采集模块采用统一的封装，可供管理模块调用，完成一次开发，实现一种类型快速调用和实现。

当一套待采集设备安装到设备区域中时，设备区域中的分布式管理模块根据这一套待采集设备的接口类型，向设备区域中的采集类模块发送激活命令，所述激活命令中记载了这一套待采集设备的接口类型，所述激活命令用于触发所述采集类模块从所述驱动库中加载与这一套待采集设备的接口类型兼容的数据读取程序。

本发明实施例提供一种用于车间现场的多源异构数据的采集方法，如图4所示，包括：

S1、通过所述采集类模块读取传感器单元上报的传感器数据。

S2、分布式管理模块利用传感器注册信、设备注册信息和人员注册信息，将所述传感器数据进行信息资源绑定。

其中，信息资源绑定主要对多源异构数据进行管理，比如将同一生产设备上的传感器数据和机床自身采集到的一些数据关联到具体的设备id下。

S3、所述管理模块采用事件驱动的方式，对传感器数据进行采集，并进行数据处理。

其中，在一个基于事件驱动的程序中，系统中时间的发生直接影响执行的流程。触发一个时间以后程序才执行一定的动作，就可以避免系统不断记录数据，会占用大量的计算和通信资源以及遗漏一些再制造过程中发生速度很快具有很高重要性的变化，而且还可以利用队列方便地传递和储存数据。这是一种数据采集的机制。数据处理是放在后续的过程中，可以作为管理模块的扩展模块，实现扩展功能。工程实际中采集的数据量非常大，存在大量的无效信息以及噪声，例如振动和力信号中，存在大量的干扰。当利用这些数据进行设备的故障诊断时，首先要对数据进行降噪和降维等操作。

S4、所述分布式管理模块将S2和S3执行后的结果，存储至分布式存储模块。

其中，在每一个设备区域中接入了一套待采集设备，所述采集类模块通过预设的数据传输方式与这一套待采集设备上安装的传感器单元建立通信。

本实施例中，还可以进行数据索引查询和数据追溯。具体的，数据索引查询和数据追溯是建立在信息资源绑定的基础上，对于设备和或者订单建立起关联，实现对设备数据的实时监测和订单的全流程记录，当设备出现故障或者订单存在加工质量下降等问题时，可以根据数据索引查询查到相应的设备和订单的数据，从而判断发生故障的部位，进而开展维修工作。

所述多源异构数据的管理，主要实现途径是信息资源绑定和事件驱动的数据采集流程。采集模块将数据采集上之后，仍然是混乱，可利用程度较低。数据的增值利用需要建立在与实际现场情况建立对应关系，管理模块加载采集模块读取对应的传感设备的信息，与数据库当中的现场车间的设备和人员进行信息资源绑定，建立数据与设备之间的对应关系，在存储模块中的数据库中建立相应的表格。管理模块接收采集模块的数据进行预处理，在经过逻辑处理，将数据上的变化与预先建立数据采集事件进行匹配，然后管理模块将数据写入到存储模块当中。例如：当机械臂的动作执行完毕信号执行完毕，判断物料已经送到车床上了，同时机床夹具已经关闭，那么就可以判断物料已经夹好，可以读取机床的振动和温度信号，对机床状态进行监测。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于车间现场的多源异构数据的采集系统，其特征在于，所述采集系统由采集类模块、管理类模块和存储类模块组成；

所述管理类模块包括一个集中式管理模块和至少两个分布式管理模块，并且各个分布式管理模块都连接所述集中式管理模块，所述集中式管理模块与所述集中式存储模块建立连接；

所述存储类模块包括一个集中式存储模块和至少两个分布式存储模块，一个分布式存储模块与一个分布式管理模块对应并建立连接；

每一个分布式管理模块都与采集类模块建立连接，所述采集类模块与传感器单元连接，传感器单元安装在所述车间现场的待采集设备上，所述采集类模块，用于读取所述传感器单元发出的传感器数据和所述待采集设备的运行数据。

2.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述预设的数据传输方式包括：RFID、现场总线、工业以太网、ZigBee和蓝牙等，所述采集类模块中运行了与各数据传输方式对应的数据读取程序。

3.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述集中式管理模块部署在车间内的集中式工控机上，所述分布式管理模块部署在车间内的分布式工控机上；

在每一个与分布式管理模块建立了连接的采集类模块中，所安装的数据采集协议至少包括：RFID、现场总线、工业以太网、ZigBee和蓝牙，其中，所安装的数据采集协议集成为统一的接口，并通过设置所述接口的调用参数，来调整所述采集类模块与所述待采集设备建立连接时所调用的数据采集协议。

4.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述车间现场划分为至少两个设备区域，在每一个设备区域中，包括：

一套待采集设备，所述采集类模块通过预设的数据传输方式与这一套待采集设备上安装的传感器单元建立通信。

5.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述传感器单元至少包括：温度传感器、湿度传感器、位移传感器、振动传感器和位置等传感器。

6.根据权利要求1或2所述的采集系统，其特征在于，在所述采集类模块中建立有驱动库，驱动库中存储有与各数据传输方式对应的数据读取程序。

7.根据权利要求6所述的采集系统，其特征在于，当一套待采集设备安装到设备区域中时，设备区域中的分布式管理模块根据这一套待采集设备的接口类型，向设备区域中的采集类模块发送激活命令，所述激活命令中记载了这一套待采集设备的接口类型，所述激活命令用于触发所述采集类模块从所述驱动库中加载与这一套待采集设备的接口类型兼容的数据读取程序。

8.一种用于车间现场的多源异构数据的采集方法，其特征在于，包括：

S1、通过所述采集类模块读取传感器单元上报的传感器数据；

S2、分布式管理模块利用传感器注册信、设备注册信息和人员注册信息，将所述传感器数据进行信息资源绑定；

S3、所述管理模块采用事件驱动的方式，对传感器数据进行采集，并进行数据处理；

S4、所述分布式管理模块将S2和S3执行后的结果，存储至分布式存储模块；

其中，在每一个设备区域中接入了一套待采集设备，所述采集类模块通过预设的数据传输方式与这一套待采集设备上安装的传感器单元建立通信。

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