基于模擬汽車生產(chǎn)線的上云改造

課程設(shè)計報告書工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計基于模擬汽車生產(chǎn)線的上云改造

基于模擬汽車生產(chǎn)線的上云改造一、設(shè)計任務基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施與運維實訓平臺的模擬汽車生產(chǎn)線（圖1），對其進行上云改造，遠程實時展示環(huán)境溫/濕度、設(shè)備運行效率、機床X軸、Y軸、Z軸坐標位置（圖2）。以項目式教學方式將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施與運維涉及的數(shù)據(jù)采集方案規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)部署與數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)上云、數(shù)據(jù)邊緣處理、云平臺模型搭建與實例化、數(shù)據(jù)可視化等環(huán)節(jié)有機串聯(lián)，完成一項工程機械行業(yè)上云改造案例的全流程活動。圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施與運維實訓平臺圖2上云改造效果示意二、數(shù)據(jù)采集方案規(guī)劃基于以上項目需求，完成數(shù)據(jù)采集方案規(guī)劃。1、項目需求分析基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施與運維實訓平臺的模擬汽車生產(chǎn)線的上云改造需求為遠程實時展示如下信息：（1）環(huán)境溫度、濕度；（2）設(shè)備運行效率；（3）機床X軸、Y軸、Z軸坐標位置。2、數(shù)據(jù)來源梳理環(huán)境溫度、濕度的數(shù)據(jù)來源與設(shè)備層OPC連接的溫度、濕度傳感器。設(shè)備運行效率是對設(shè)備PLC數(shù)據(jù)進行邊緣計算的結(jié)果。機床X軸、Y軸、Z軸坐標位置的數(shù)據(jù)來自于設(shè)備層的CNC。數(shù)據(jù)采集架構(gòu)4、數(shù)據(jù)采集點表5、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓撲圖三、過程論述1、PC的IP設(shè)置與測試根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖設(shè)置小組對應電腦的平臺層IP地址，因HMI數(shù)據(jù)采集過程中電腦需與設(shè)備層通信，所以同時設(shè)置電腦的設(shè)備層IP地址，兩個IP地址。PC的IP地址設(shè)置使用ping命令分別測試電腦與HMI、服務器的通信，通信正常。PC與HMI通信測試PC與服務器通信測試2、PLC采集基于Hanyun-box-PLC和網(wǎng)關(guān)管理軟件XEdge完成項目所需PLC數(shù)據(jù)的采集，并在數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面查驗，操作步驟如下：(1) 網(wǎng)關(guān)硬件安裝接線（檢查：WAN口-平臺層，LAN口-設(shè)備層）；(2) 通信配置（按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)置WAN/LAN口IP）；(3) 聯(lián)網(wǎng)方式配置（4G聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)插入SIM卡，無需配置）；(4) 添加網(wǎng)關(guān)（網(wǎng)關(guān)與管理軟件XEdge綁定）；(5) 添加設(shè)備（網(wǎng)關(guān)與被采設(shè)備建立通信）；(6) 添加采集點（網(wǎng)關(guān)對被采設(shè)備數(shù)據(jù)采集）。數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面查驗結(jié)果，與現(xiàn)場實際情況相符。Hanyun-box-PLC采點3、PLC上云通過網(wǎng)關(guān)管理軟件XEdge對Hanyun-box-PLC進行網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)上云配置，包括指定協(xié)議、設(shè)置云服務、同步數(shù)據(jù)。然后，通過設(shè)備畫像對Hanyun-box-PLC上云數(shù)據(jù)進行平臺端配置，包括網(wǎng)關(guān)配置、設(shè)備配置、設(shè)備綁定網(wǎng)關(guān)、采點配置。設(shè)備畫像采點配置結(jié)果，與網(wǎng)關(guān)采點一致。PLC采點上云4、CNC采集通過Google（谷歌）瀏覽器登錄Hanyun-box-CNC，完成機床X軸、Y軸、Z軸坐標位置的數(shù)據(jù)采集，并在日志頁面查驗，操作步驟如下：(1) 網(wǎng)關(guān)硬件安裝接線（檢查：WAN口-平臺層，LAN口-設(shè)備層）；(2) 通信配置（按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)置WAN/LAN口IP）；(3) 添加設(shè)備（網(wǎng)關(guān)與被采設(shè)備建立通信）；(4) 添加采集點（網(wǎng)關(guān)對被采設(shè)備數(shù)據(jù)采集）。在設(shè)備日志的查驗結(jié)果，與現(xiàn)場CNC控制面板展示的位置信息一致。Hanyun-box-CNC采點5、CNC上云通過Google（谷歌）瀏覽器登錄Hanyun-box-CNC，進行網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)上云配置，包括指定協(xié)議、設(shè)置云服務。然后，通過設(shè)備畫像對Hanyun-box-CNC上云數(shù)據(jù)進行平臺端配置，包括網(wǎng)關(guān)配置、設(shè)備配置、設(shè)備綁定網(wǎng)關(guān)、采點配置。設(shè)備畫像采點配置結(jié)果，與網(wǎng)關(guān)采點一致。CNC采點上云6、OPC采集通過Google（谷歌）瀏覽器登錄Hanyun-box-OPC進行網(wǎng)關(guān)通信配置，使用UaExpert軟件對HMI進行通信測試并獲取采點參數(shù)（濕度、溫度），然后在智能終端OPC開發(fā)系統(tǒng)創(chuàng)建工程并下載到網(wǎng)關(guān)，最后在智能終端OPC網(wǎng)管系統(tǒng)查驗。操作步驟如下：(1) 網(wǎng)關(guān)硬件安裝接線（檢查：WAN口-平臺層，LAN口-設(shè)備層）；(2) 通信配置（按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)置WAN/LAN口IP）；(3) 通信測試及獲取采點參數(shù)；(4) 智能終端OPC開發(fā)系統(tǒng)創(chuàng)建工程；(5) 添加設(shè)備（網(wǎng)關(guān)與被采設(shè)備建立通信）；(6) 添加采集點（網(wǎng)關(guān)對被采設(shè)備數(shù)據(jù)采集）；(7) 工程下載（智能終端OPC開發(fā)系統(tǒng)工程下載到網(wǎng)關(guān)）。在智能終端OPC網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的查驗結(jié)果，與現(xiàn)場實際情況相符。Hanyun-box-OPC采點7、OPC上云在智能終端OPC開發(fā)系統(tǒng)創(chuàng)建的工程中，進行網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)上云配置，包括指定協(xié)議、設(shè)置云服務、同步數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)上云配置完成后更新工程，使新的工程在網(wǎng)關(guān)盒子生效。然后，通過設(shè)備畫像對Hanyun-box-OPC上云數(shù)據(jù)進行平臺端配置，包括網(wǎng)關(guān)配置、設(shè)備配置、設(shè)備綁定網(wǎng)關(guān)、采點配置。設(shè)備畫像采點配置結(jié)果，與網(wǎng)關(guān)采點一致。HMI采點上云8、云計算基于云平臺采點數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務需求，在云平臺搭建算法模型，完成算法模型實例化，并對模型進行驗證。設(shè)備運行效率計算模型的目標、變量、關(guān)系如下：(1)目標設(shè)備運行效率計算(2)變量自變量：良品數(shù)、總產(chǎn)量、開機時長、產(chǎn)線運行速度因變量：合格率、開機率、性能率(3)關(guān)系設(shè)備運行效率=合格率×開機率×性能率合格率=（良品數(shù)÷總產(chǎn)量）×100%開機率=（開機時長÷計劃生產(chǎn)時長）×100%性能率=（產(chǎn)線運行速度÷產(chǎn)線理論速度）×100%已知生產(chǎn)線的計劃生產(chǎn)時長3小時、生產(chǎn)線的理論速度60輛/小時，基于云平臺采點數(shù)據(jù)（良品數(shù)、總產(chǎn)量、開機時長、產(chǎn)線運行速度），在設(shè)備畫像算法建模模塊按照新建模型、代碼編寫、模型保存、模型實例化、模型驗證、實例保存的操作步驟完成設(shè)備運行效率的計算任務。并且在網(wǎng)關(guān)（XEdge軟件）和云平臺（設(shè)備畫像）同步添加了“OEE(設(shè)備運行效率)”數(shù)據(jù)采點，用來存放和顯示設(shè)備運行效率計算結(jié)果。設(shè)備運行效率模型代碼和模型實例代碼詳見附件1。模型實例化過程。模型實例化在設(shè)備畫像“設(shè)備管理”下選擇“設(shè)備狀態(tài)”，在實時信息中可以查看配置的設(shè)備綜合效率OEE的值。OEE云計算結(jié)果9、工業(yè)APP基于項目前期的數(shù)據(jù)采集、上云、云計算工作，根據(jù)項目總體需求，通過設(shè)備畫像的“云組態(tài)”模塊的“云組態(tài)設(shè)計器”完成工業(yè)APP的頁面開發(fā)與一鍵發(fā)布，在工業(yè)APP中實時展示環(huán)境溫/濕度、設(shè)備運行效率，以及機床X/Y/Z軸坐標。其中，溫/濕度、機床X/Y/Z軸坐標可直接使用工業(yè)數(shù)據(jù)，設(shè)備運行效率則是經(jīng)過計算獲得。基于模擬汽車生產(chǎn)線的上云改造項目的工業(yè)APP頁面，即云組態(tài)運行頁面云組態(tài)運行頁面10、邊緣計算1）產(chǎn)線狀態(tài)判斷因為汽車產(chǎn)線要求濕度保持在35%-75%，溫度保持在0℃-40℃，超出此范圍，會對產(chǎn)線某些工藝產(chǎn)生影響。所以，通過數(shù)據(jù)過濾和邏輯運算作邊緣處理，篩選異常情況，并上報云平臺。產(chǎn)線狀態(tài)與邊緣處理結(jié)果上報值如表X所示。產(chǎn)線狀態(tài)與邊緣處理結(jié)果上報值產(chǎn)線狀態(tài)“濕度”范圍“溫度”范圍邊緣層處理上報值正常運行35%~75%0℃~40℃正常1傳感器失常/損壞<35%或者>75%<0℃或者>40℃異常2產(chǎn)線狀態(tài)判斷的算法流程圖。產(chǎn)線狀態(tài)判斷算法基于Hanyun-box-PLC和XEdge的邊緣處理，還需要新增網(wǎng)關(guān)本地采點，用于存放和顯示邊緣處理結(jié)果，這里新增產(chǎn)線狀態(tài)判斷采點。根據(jù)上述算法流程圖進行邊緣計算腳本編輯，完成腳本編寫后點擊“運行”按鈕，查看輸出內(nèi)容，如圖X所示。腳本代碼詳見附件2。產(chǎn)線狀態(tài)判斷腳本編輯與運行輸出保存腳本后，可以在“腳本”選項下查看到腳本基本信息。然后，根據(jù)實際情況設(shè)置腳本的執(zhí)行策略，當前選擇周期執(zhí)行。在“執(zhí)行策略”內(nèi)可以看到腳本的策略信息；在腳本選項卡，可以查看到產(chǎn)線狀態(tài)判斷腳本被引用的個數(shù)為1。產(chǎn)線狀態(tài)判斷策略信息產(chǎn)線狀態(tài)判斷腳本信息在數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面，可以查看數(shù)據(jù)監(jiān)控溫度、濕度和產(chǎn)線狀態(tài)判斷的值。產(chǎn)線狀態(tài)判斷結(jié)果2）零件狀態(tài)判斷基于Hanyun-box-PLC和XEdge進行邊緣處理，判斷加工的零件存放位置，即先判斷零件狀態(tài)，然后根據(jù)零件的不同狀態(tài)啟動相應的機器人程序?qū)⒘慵诺街付ㄎ恢?。一個合格零件應該保證高度符合標準，并將加工時間控制在合理的范圍內(nèi)，如果時間過快或超時都會造成零件不合格；如果零件不合格會直接放到廢品庫；如果零件合格，將零件放入成品庫對應顏色的庫位（零件只有白色、藍色兩種顏色，即白色零件放入白色庫位，藍色零件放入藍色庫位）?？梢酝ㄟ^高度傳感器來獲取零件的高度信息，通過PLC獲取零件的銑削加工時間，通過色標傳感器獲取零件的顏色信息?；谏鲜鲂畔⒘慵顟B(tài)判斷的算法流程圖如圖X所示。零件狀態(tài)判斷算法依據(jù)上述算法，需要在Hanyun-box-PLC添加必要的采點作為邊緣處理的輸入變量和輸出變量，。零件判斷工業(yè)數(shù)據(jù)采集列表其中，“Part”為輸出變量，是網(wǎng)關(guān)本地采點，用于存放和顯示邊緣處理結(jié)果：0為默認值，1表示銑削加工時間過快，2表示零件高度合格并且顏色為白色，3表示零件高度不合格，4表示銑削加工時間超時，5表示零件高度合格并且顏色為藍色。其余均為輸入變量。根據(jù)上述算法流程圖進行邊緣計算腳本編輯，完成腳本編寫后點擊“運行”按鈕，查看輸出內(nèi)容。腳本代碼詳見附件2。零件狀態(tài)判斷腳本編輯與運行輸出完成邊緣計算腳本編輯后，要根據(jù)實際情況設(shè)置腳本的運行策略。實際情況是：①銑削加工，獲得加工時間信息；②高度檢測，檢測不合格，直接放到廢品庫，不再進行顏色檢測；③顏色和高度檢測存在時間差，零件顏色必須等到高度檢測完成才能判斷；④銑削加工、顏色、高度信息都會等到執(zhí)行一個完整周期后置0。因此，執(zhí)行策略為：①當高度不合格時，執(zhí)行邊緣計算腳本；②當高度合格時，通過零件顏色白色或顏色藍色的值觸發(fā)邊緣計算腳本。從而，需要在執(zhí)行策略頁面新建3個策略，分別由“高度不合格”、“顏色白色”、“顏色藍色”3個條件觸發(fā)邊緣計算腳本，如圖X所示。零件狀態(tài)判斷策略信息同時，在腳本選項卡，可以查看到零件狀態(tài)判斷腳本被引用的個數(shù)為3。零件狀態(tài)判斷腳本信息在數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面，可以查看數(shù)據(jù)監(jiān)控顏色、高度、加工時間信息，以及零件狀態(tài)判斷的值，如圖X所示。零件狀態(tài)判斷結(jié)果四、結(jié)果分析CNC數(shù)據(jù)采集時機床數(shù)據(jù)與設(shè)備畫像數(shù)據(jù)不一致，機床數(shù)據(jù)改變而設(shè)備畫像沒反應，通過鏈接網(wǎng)關(guān)，使得網(wǎng)關(guān)在線可同步數(shù)據(jù)。Xedg網(wǎng)絡(luò)總是不穩(wěn)定，在添加采點或者執(zhí)行策略時，需要等待或者同步數(shù)據(jù)使其變成在線狀態(tài)。五、課程設(shè)計總結(jié)在本次專周學習結(jié)束后，讓我學習到了很多，對于PLC，CNC和OPC的基本概念及其作用有了更清晰的認知。在實驗中我們學習了數(shù)據(jù)采集與上云的流程，并親手做了出來，在過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題。但我們還是一一解決，在這其中我們學習了邊緣計算的知識，邊緣計算可以保障網(wǎng)絡(luò)邊緣應用的實時性，響應迅速，更好的支持本地業(yè)務的智能化實時處理.數(shù)據(jù)傳輸距離上的降低，減少大量數(shù)據(jù)傳輸導致的帶寬壓力；避免所有終端數(shù)據(jù)都在云端計算，降低云端的壓力；數(shù)據(jù)直接在邊緣節(jié)點進行分析處理，不但能提高工作效率，還能更好的保護數(shù)據(jù)隱私。我們也學習了云計算的知識，云計算是一種商業(yè)計算模型它將計算任務分布在大量計算機構(gòu)成的資源池上使用戶能夠按需獲取計算力存儲空間和信息服務這種資源池就被稱為云計算。與邊緣計算不同的是云計算能快速搭建我們的應用云計算最大的好處就是能夠快速搭建一些企業(yè)應用,提供了更大的靈活性和擴展性，可以解決一些特殊的場景。在學習過程中也出現(xiàn)過許多問題，但是在小組合作中一一被解決，這次實驗除了讓我學習了許多知識也讓我認識到小組合作的重要性，許多任務都需要與人合作才可以做的又快又好。在合作中完成任務。此次實驗使我受益良多，對于以后的學習生活都有著許多幫助，附件1：云計算代碼設(shè)備運行效率模型代碼/**模型主函數(shù)入口**/Functionmain(machineCode,productLineSpeed,onlineDuration,qualifiedOutput,totalOutput){/*聲明變量paasNum(良品數(shù))，allNum(總產(chǎn)量)，onTime(開機時長)，speed(產(chǎn)線運行速度)，passRate(合格率)，bootRate(開機率)，performanceRate（性能率），oee(設(shè)備綜合效率)*/varpassNum=0,allNum=0,onTime=0,speed=0,passRate=0,bootRate=0,performanceRate=0,oee=0;/**聲明變量planTime(計劃生產(chǎn)時長)，并向其賦值3小時*/varplanTime=3;/**聲明變量theorySpeed(產(chǎn)線理論速度)，并向其賦值60/小時*/vartheorySpeed=60;/**良品數(shù)**/passNum=getInt(machineCode,qualifiedOutput);/**總產(chǎn)量**/allNum=getInt(machineCode,totalOutput);/**判斷如果allNum(總產(chǎn)量)不為零，則計算產(chǎn)品合格率*/if(allNum!==0){ /**合格率*/passRate=passNum/allNum;}/**開機時長*/onTime=getFloat(machineCode,onlineDuration);/**開機率*/bootRate=onTime/planTime;/**產(chǎn)線運行速度*/speed=getDouble(machineCode,productLineSpeed);/**性能率*/performanceRate=speed/theorySpeed;/**設(shè)備綜合效率*/oee=passRate*bootRate*performanceRate*100;/**返回設(shè)備綜合效率,保留3位小數(shù)*/returnoee.toFixed(3);}設(shè)備運行效率模型實例代碼/**模型主函數(shù)入口**/Functionmain(Equipment,productlinespeed,OnlineDuration,QualifiedOut,TotalOutput){/*聲明變量paasNum(良品數(shù))，allNum(總產(chǎn)量)，onTime(開機時長)，speed(產(chǎn)線運行速度)，passRate(合格率)，bootRate(開機率)，performanceRate（性能率），oee(設(shè)備綜合效率)*/varpassNum=0,allNum=0,onTime=0,speed=0,passRate=0,bootRate=0,performanceRate=0,oee=0;/**聲明變量planTime(計劃生產(chǎn)時長)，并向其賦值3小時*/varplanTime=3;/**聲明變量theorySpeed(產(chǎn)線理論速度)，并向其賦值60/小時*/vartheorySpeed=60;/**良品數(shù)**/passNum=getInt(Equipment,QualifiedOut);/**總產(chǎn)量**/allNum=getInt(Equipment,TotalOutput);/**判斷如果allNum(總產(chǎn)量)不為零，則計算產(chǎn)品合格率*/if(allNum!==0){ /**合格率*/passRate=passNum/allNum;}/**開機時長*/onTime=getFloat(Equipment,OnlineDuration);/**開機率*/bootRate=onTime/planTime;/**產(chǎn)線運行速度*/speed=getDouble(Equipment,productlinespeed);/**性能率*/performanceRate=speed/theorySpeed;/**設(shè)備綜合效率*/oee=passRate*bootRate*performanceRate*100;/**返回設(shè)備綜合效率,保留3位小數(shù)*/returnoee.toFixed(3);}附件2：邊緣計算腳本代碼產(chǎn)線狀態(tài)判斷腳本代碼function

main()

{//獲取溫度和濕度的數(shù)據(jù)var

humidity=getFloat("Humidity",

0);var

temperature=getFloat("Temperature",

0);var

state=0;//判斷溫度是否在0~40℃之間，濕度是否在35~75之間if

((humidity<=75)&&(humidity>=35)&&(temperature>=0)&&(t