一、項目概述

MDC數據采集系統用于幫助企業通過全自動的軟件采集方式，實時采集生產現場產量與品質數據，減少了大量的人工報表，做到無紙化生產，監控車間機床的利用率、空閑率、報警率、零件生產量等情況，并將采集到的數據生成相應的報告，公司領導層可以做出針對性的管理措施，最終幫助企業提高企業的生產效率。
通過系統采集到的數據可進行可視化詳細設備狀態分布圖表，通過機床視圖可以查詢某一設備在一段時間內詳細的動作記錄，這是最直觀的設備信息查詢方式。通過它管理者無需擔憂由于出差而無法掌控車間的實時生產狀況。
MDC數據采集系統整體應用模式如下圖：

二、系統需求分析

數字化車間是裝備制造業技術發展的必然趨勢，目前國內的數字化車間技術水平遠遠落后于國外發達國家，我國裝備制造企業大多還處在從傳統工業化向現代產業化轉型的歷史階段，國內企業的數控機床應用基本上為單機應用，部分實現了機床DNC聯網，對機械制造企業而言，制造過程的信息化管理才剛起步。

國家對數字化車間的發展高度重視，從2009年開始，為推動數控機床的產品升級和提高市場占有率，工信部、科技部組織了重大專項，并在以后幾年中從主機研究不斷深入到關鍵功能部件；《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中高端裝備制造產業部分明確指出“強化基礎配套能力，積極發展以數字化、柔性化及系統集成技術為核心的智能制造裝備。”。

數字化制造技術的應用是離散制造業企業能力提升的關鍵。以信息技術、感知技術、智能技術為依托，踐行兩化融合的數字化車間建設是當前制造業車間的建設方向，是實現智能制造的基礎?。數字化車間是信息技術和先進制造技術的有機結合，其通過網絡及信息系統實現生產設備、檢測設備、運輸設備以及機器人等數控自動化設備的互聯互通，自動感知物料、人員、設備、生產工藝與環境等制造過程信息，進而通過實時數據分析，進行車間運營的自主決策和快速自組織生產，使復雜產品制造系統更加柔性、敏捷、智能，從而改變制造業的生產、管理和服務方式，推動制造模式的深刻變革。

而數字化車間建設的基礎就是設備互連，不同廠家的下位機，往往使用的是不同的通信協議，對于下位機主要分如下三種：

• 數控機床(發那科、三菱數控、西門子、馬扎克、海德漢、華中數控、廣州數控等)各廠家使用不同專有通信協議，不同品牌的數控系統通訊協議和接口幾乎都是封閉的，工廠內機床品類繁多，年代跨度大，數控系統大量不同年代、不同品牌、不同型號并存
• PLC（西門子、三菱、施耐德等）使用協議目前基本上開發，只是協議種類繁多，自己很難進行全部開發，對于常用設備協議進行開發，其他的借助成熟軟件進行使用
• 另外一種主要是針對車間檢測設備或工控機文件，該類設備需對文件進行分析處理錄入
  

因為設備種類和型號繁多，采集方式也相對復雜，不通設備的通訊方式各異，常見的采集方式如下：

目前國內機床數據采集面臨著如下幾個問題：

• 不同品牌的數控系統通訊協議和接口幾乎都是封閉的這給數據采集帶來了很大的難度
• 工廠內機床品類繁多，年代跨度大
• 數控系統大量不同年代、不同品牌、不同型號并存
• 數據用戶存在差異性
  
  

三、系統總體設計方案

數據采集系統是物聯網和工控系統的核心組件。主要起到“承上啟下”的作用。上即上位機，電腦/觸屏監控系統、MES等執行系統；下即下位機，包括數控機床、PLC控制設備、傳感器、工控機文件等。

3.1 系統整體布局

MDC數據采集系統的架構如圖3-1所示，分為應用層、數據層、服務層、設備適配層與物理設備層。

3.2 網絡拓撲結構

通過有線/無線方式，實現全廠機床聯網，使用一臺服務器統一聯網管理，幫助企業解決加工程序通訊及管理上的困擾。

3.3 軟件系統功能模塊

數據采集系統要擔當溝通上、下位機的重任，它的基本功能就是翻譯(協議轉換)。不管使用哪種通信協議，最后轉給上位機的都是統一的協議比如：MQTT、RESTful。
按照目前行業經驗數據采集軟件作為最底層數據提供方，最主要職責：

• 連接更多的工業設備
• 服務更多的應用系統

部署方式主要：

• 局域網私有化部署，后再進行數據對接
• 工業網關進行數據采集數據直接上平臺系統，進行數據對接

結合行業經驗及相關系統的架構設計，目前對系統進行架構設計如下，目前設計架構主要分為三層：

• 設備適配層：通過抽象出設備適配器概念，適配器內實現各類設備的通訊協議，完成設備的數據采集
• 服務層：該層為整個采集系統的核心，完成設備管理、配置管理、內部RPC數據總線
• 數據層：通過RPC從服務層拿到數據，按不同業務場景進行數據處理如：

a) 數據網關服務（用于提供標準的接口服務如：MQTT、RESTful接口對外對接）
b) 數據存儲服務（用于將采集到的實時數據進行存儲）
c) 協議轉換服務（主要是為后期擴展，方便內部數據更好和外部通信，可將數據轉換成：如OPC-UA、MTConnect等協議）
系統主要由以下模塊構成：

設備適配模塊

設備管理模塊

配置管理模塊

數據總線模塊

數據網關模塊

協議轉換模塊
7.數據存儲模塊

四、組成框圖

4.1 軟件組成框圖

產品的軟件功能采用上下分層的三層模塊化結構：數據層、服務層和設備適配層，由于系統主要完成“承上啟下”的作用，系統的下層依賴物理設備層，為上層為應用層提供基礎數據服務。上層通過對下層的調用完成相應功能。

4.2 系統功能模塊

系統主要由以下七個模塊構成，如下圖5-1：

圖5-1系統功能模塊

五、系統功能設計

5.1 數據采集內部通信設計

數據采集軟件并不是簡單的對 IO 高性能的操作，而是設備驅動、IO 通道、控制模式和實際硬件設備之間的協調機制，各方面之間無縫銜接和運行，也是為了解決現實工作和應用場景的一些痛點，是一個車間聯網框架，首先是以設備為核心構建的框架，與設備的協議無關性（因為現實中設備種類繁多，需要考慮到普適性），可以隨意掛載設備驅動在框架下運行。所以本質上協調設備驅動（協議）、IO 通道（COM 和 NET）、運行機制（模式）之間的關系，使之無縫結合、運行。

5.1.1 運行和通訊機制

數據采集軟件架構通過多線程輪詢模式，串口和網絡通訊時都使用這種控制模式。內部將機床等設備都虛擬成IDevice設備驅動。當有多個設備連接到通訊平臺時，通訊平臺會通過每臺設備啟動一個線程，在線程內部輪詢調度設備進行通訊任務。某一時刻每個線程發送請求命令、等待接收返回數據，依次輪詢設備。每臺設備流程大概如下：

5.1.2 數據監控流程設計

通過5.1.1章節運行機制設計，將實時采集到的數據通知到數據展示模塊，內部通過IService接口用于實時數據拉取，采集軟件內部再實現一個服務器用于接收顯示客戶端的連接，將數據進行實時的傳輸。當讀取設備數據發生變化則通知數據庫處理程序進行數據入庫。

5.2 主要功能模塊設計

5.2.1 設備適配模塊

主該層主要功能完成各類設備的數據采集，封裝相應設備通信協議，輸入為各類通信協議，輸出為統一的數據格式，以便后期進行數據統一管理。
各個設備適配器繼承基類接口單獨開發，做水平擴展，動態插拔適配器，最終針對種類繁多的設備形成對應的設備驅動適配器，從而實現現場設備動態配置采集。

5.2.2 設備管理模塊

設備管理模塊為整個采集系統的核心，起到“承上啟下”的功能，向下把設備管理起來，向上提供統一設備操作和基礎管理。設備增、刪、改、查等操作，同時為數據匯總業務提供基礎信息。

5.2.3 數據總線模塊

設備管理模塊完成設備的管理和與物理設備建立連接后，對于連接設備的實時數據收集和命令下發的響應都需要通過數據總線模塊進行傳遞，該模塊將數據向上進行對接，以便上層模塊進行數據的各種運用。

5.2.4 配置管理模塊

該模塊主要完成，采集系統的配置相關功能，通過統一WEB可視化界面進行設備列表，采集數據項，服務列表等一系列的數據配置，最終生成配置文件，以便設備管理模塊通過配置文件進行按需數據采集，提高采集軟件的靈活性。

5.2.5 數據網關模塊

該模塊為向上對應應用層的重要模塊，提供常用數據對接協議接口，如：MQTT、RESTful接口，屬于數據層核心模塊，通過內部RPC服務獲取實時數據，進行數據分發。

5.2.6 協議轉換模塊

為讓系統更好對接，對標準數據進行轉換，如轉換成：OPC-UA、MTConnet以及其他定制的協議等

5.2.7 數據存儲模塊

主要為了方便數據進行持久化存儲，提供一個服務模塊來應對各種數據持久化。可以再該模塊進行擴充成各種數據持久化，如關系型數據庫、非關系型數據庫、時序數據庫和消息隊列等，以便應對各種業務需求。該模塊為擴展功能，前期可先不進行開發。

5.3 技術棧

對于技術棧目前考慮到跨平臺和開發效率上選擇C#的.Net Core為主要開發語言，同時可能輔助使用C++、Lua等語言。內部數據RPC現計劃使用gRPC框架，主要的通信借口為MQTT、OPC-UA，配置前端頁面選擇Vue前端框架。使用Consul來作為服務發現工具。

• 開發語言：.Net Core、C++、Lua
• 使用框架：gRPC、MQTT、Consul、Vue，OPC-UA

六、總結與展望

先完成整體數據采集框架，后期大概方向如下：

• 軟件跨平臺：為移植軟件到工業網關，做好前期準備
• 工業網關：讓采集軟件嵌入到工業網關中，以完成邊緣側數據采集

前期工作先主要完成：數據網關（完成數據采集鏈路），其他擴展功能后期再逐步進行完成。

參考文獻

[1]國家制造強國建設戰略咨詢委員會，中國工程院戰略咨詢中心．智能制造[M]．北京：電子工業出版社，2016．
[2]李智，汪惠芬，劉婷婷，等．面向制造過程的車間實時監控系統設計[J]．機械設計與制造，2013．

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總結

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