CN102411364A - 工厂物联网业务终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工厂物联网业务终端，包括数据采集器，所述的数据采集器包括CPU及分别与CPU相连的键盘、电池、flash、RS232串口、以太网模块、I/0采集模块、时钟、显示屏。本发明的工厂物联网业务终端具有接收生产业务计划的指令信息，同时将生产现场的信息及时收集、上传和处理的功能。工厂物联网业务终端实时采集设备状态、生产节拍、报警信息、设备利用率等数据。节约了人工，降低了数据采集成本。

Description

工厂物联网业务终端

技术领域

本发明涉及制造行业设备的数字信号处理控制技术领域，特别是涉及一种工厂物联网业务终端及应用上述终端对企业生产的关键绩效指标全局设备效率OEE的进行计算的自动测量单元与方法。

背景技术

我国制造业多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按计划生产。简单的说是从计划层到生产控制层：企业根据订单或市场等情况制定生产计划—生产计划到达生产现场—组织生产—产品派送。企业管理信息化建设的重点也大都放在计划层，以进行生产规划管理及一般事务处理。如ERP就是“位”于企业上层计划层，用于整合企业现有的生产资源，编制生产计划。在下层的生产控制层，企业主要采用自动化生产设备、自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等解决具体生产的生产瓶颈，实现生产现场的自动化控制。

由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，一个制造型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，作出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速修正。虽然ERP和现场自动化***已经发展到了非常成熟的程度，但是由于ERP***的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。而现场自动化***的功能主要在于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理***。ERP***和现场自动化***之间出现了管理信息方面的“断层”，对于用户车间层面的调度和管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。

国内关于MES的研究、开发和应用只是近年来的事情，与国外存在较大差距。对于制造企业的数据采集和实时监控相对比较落后，企业想要知道工厂的实际生产情况只能通过人工统计的方式、或机器产生再由人工计算的方式，一方面实时性很差，另一方面容易出错，***之间的关联性也极差。因此，建立对实现全面的制造企业数据采集***、并由此再进行高效的业务管理有着极为重要的意义。国内MES厂商无法提供成熟的产品并满足产品化要求，一般不支持二次开发，产品可移植性差。国外的TE、ABB、Honeywell、GE、Seimens等公司为MES***主要的供应商，但是与国内实际运行环境差异较大，而且价格也比较昂贵。

发明内容

为了克服现有技术中人工统计方法和实时采集的数据采集成本高、数据失真和停机影响原因等困难的状况，本发明提供了一种工厂物联网业务终端，该终端能准确地采集各类实时数据，节约人工，降低成本；进一步，本发明又提供了一种用于监控、自动采集生产过程中的加工信号、质量信号数据的信息，并自动计算全局设备效率OEE的自动测量单元，降低了数据采集成本，节约了人工；该自动测量单元不但能准确地测算出OEE，还能及时记录和反映各种原因导致的OEE损失分量，为企业生产的持续改进提供及时准确的数据支持。

本发明的技术方案是这样实现的：

工厂物联网业务终端，其特征是包括数据采集器，所述的数据采集器包括CPU及分别与CPU相连的键盘、电池、flash、RS232串口、以太网模块、I/O采集模块、时钟、显示屏。

FLASH用于程序及数据存储；显示屏幕提供用户界面的显示及用户的输入；键盘提供用户信息的输入；以太网模块提供基于标准的通信连接；I/O采集模块用以采集生产设备的高低电平；RS232串口支持产品工艺参数等串行数据流的采集；时钟提供实时的时间记忆，并提供中心定期或不定期的时间更新，保证时间的一致性。

作为优选，所述的数据采集器还包括用以刷卡的RFID模块，RFID模块连接CPU。

作为优选，所述的数据采集器还包括用以扫描条码的条码扫描模块，条码扫描模块连接CPU。

OEE：是英文overall equipment effectiveness的缩写，中文名称叫全局设备效率，即在一个确定的时间范围内，该设备有多少时间是在有效的生产产品，有多少时间是被浪费掉了，各种因素(如设备故障、缺料、调试、缺人、质量问题等)分别浪费掉多少，有此数据的支持，企业就能：

①，使生产计划安排得更加符合实际；

②，找到影响生产率的关键因素(特别是瓶颈工序的生产率)，并找到方法加以改进，从而提高生产率、理顺物流、降低成本。OEE数据的准确性和及时性决定了企业生产的改进方向、改进及时性和改进效果。

现有的OEE测量主要的方法有2种，都存在不同程度的缺陷

(1)，手工统计：即在机台旁设立《设备运行记录表》，对每天的设备运行情况进行记录，然后定期将记录输入计算机，经整理后算出各台设备(或生产线)的OEE。这种方法的主要缺点有：a)人工记录工作量大，要损失掉一部分产能，在计件工资条件下会影响工人收入，数据记录阻力大；b)因各种原因导致的产能损失直接牵涉到各部门的责任，所以会直接导致停机原因和停机时间的数据记录失真，又不容易对失真的数据进行人工复核，从而使采集来的数据没有使用价值，建立在此基础上产能估算就会严重失准，生产改进决定也会出现方向性失误。

(2)，替代计算：不具体记录引起无效生产的各种原因极其所经历的时间，而是通过替代计算的办法算出OEE的总体水平极其三个子要素的分量(可用性availability、性能performance和质量quality三个比率)，即OEE＝(合格品数量×额定节拍)/负荷时间。此方法虽在衡量OEE方面比第一个方法准确，但还是存在以下缺陷：a)建立在实际加工节拍不变的基础上，其准确性随设备性能的好差和工艺的稳定性高低而不同，当实际节拍与理论节拍偏离越大，OEE失真越大；b)不能揭示导致OEE低的各种原因及其影响程度，责任也就不明，使生产改进方向不明，难以落实。

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种全局设备效率OEE的自动测量单元及方法：

一种全局设备效率OEE的自动测量单元，包括：

生产设备，用于加工工件，该生产设备具有加工信号输出端、质量信号输出端；

光电隔离器，与生产设备的加工信号输出端、质量信号输出端相连，用以对输入、输出信号进行隔离；

数据采集器，与光电隔离器相连，用以采集生产设备的加工信号、质量信号；

数据通信模块，与数据采集器相连，用以在数据采集器与数据处理服务器之间传送信号、数据；

数据处理服务器，与数据通信模块相连，所述的数据处理服务器具有OEE数据处理模块，所述的数据服务器用以对生产设备发送加工指令信号及执行OEE数据处理功能。

一种全局设备效率OEE的自动测量方法，其特征是：a，把数据采集器通过光电隔离器与加工设备的加工信号输出端、质量数据输出端进行连接，以便采集加工设备的相应加工信号、质量数据；b，给每台数据采集器设定一个地址，目前为16位，每台数据采集器的地址是唯一的，用以区别不同的设备；c，每台数据采集器接收数据处理服务器发送的加工指令，并下发计划加工数；d，数据处理服务器每隔半小时时间，给数据采集器进行时间同步，以保证数据采集器的时间与数据处理服务器时间的一致性；e，数据采集器以每秒25～40次的频率采集生产设备的加工信号、质量信号，加工信号包括实际总加工时间、日历工作时间、计划停机时间、实际加工周期；质量信号包括人工录入的质量数据，分为合格品数量、加工数量；f，如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接是正常的，数据采集器采集的加工信号、质量信号即时发送给数据服务器；如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接当前是异常的，则把采集到的加工信号、质量信号保存在数据采集器的Flash中，待连接正常时，上传给数据处理服务器；g，数据处理服务器对各数据采集器上传的生产设备的加工信号进行分析，OEE数据处理模块根据如下公式计算设备OEE：设备OEE＝时间开动率×性能开动率×合格品率；其中，时间开动率＝实际总加工时间/加工总时长；加工总时长＝日历工作时间-计划停机时间；合格品率＝合格品数量/加工数量；性能开动率＝净开动率×速度开动率；净开动率＝加工数量×实际加工周期/实际总加工时间；速度开动率＝标准加工周期/实际加工周期；标准加工周期为特定产品的经验值，需要在数据处理服务器上针对不同产品和不同设备进行手动设定。

采用了上述技术方案的本发明的原理及有益效果是：

本发明的工厂物联网业务终端具有接收生产业务计划的指令信息，同时将生产现场的信息及时收集、上传和处理的功能。

工厂物联网业务终端实时采集设备状态、生产节拍、报警信息、设备利用率等数据。以CPU为核心和FLASH、时钟、显示屏、键盘、I/O采集模块、RFID模块、以太网模块、RS232串口组成。

采集工作过程主要是业务终端通过数据采集I/O采集模块、以太网模块、RS232串口从生产设备中采集相关的数据，并直接存储至FLASH，业务终端完成初步的数据整理，并形成原始记录，然后通过内置在业务终端中的采集程序对其进行中间换算及过滤、剔除异常数据，保证数据的正确性。同时数据可以通过内置在业务终端中的采集软件对数据通过表格的形式进行展示。最主要的是将数据先根据数据传输协议进行编码，然后发送至RS232串口，再通过TCP/IP或者互联网进行传输。

RFID模块采用I2C接口连接，终端支持高频卡或者低频卡。低频卡读卡模块支持低频125KHz的ID卡。高频卡读卡模块，可以支持基于13.56MHz频率的非接触式IC卡。

业务终端有8路光耦隔离输入：支持脉冲信号、电平信号、干触点信号输入。

业务终端有8路控制输出：采用2803驱动输出，可直接驱动继电器。

通讯协议支持单包或多包都能发送，并且确保每一个数据包都收到。数据包是从数据处理服务器——＞业务终端，也可由业务终端——＞数据处理服务器。数据处理服务器的通讯软件要保证7*24小时正常运作，以接收和处理从终端机发上来的数据包。数据处理服务器的通讯软件还需要判断业务终端是否在线，如果这个业务终端不在线，就不要往这个终端发数据包，以免不必要的占用数据通道。

进一步的，本发明将数据采集器、数据通信模块及数据处理服务器与生产设备相连，采集生产设备的加工信号、质量信号，并发送至数据处理服务器，数据处理服务器具有OEE数据处理模块，OEE数据处理模块内置计算公式，可以自动对OEE数值进行计算，解决了人工统计方法存在的数据采集成本大、数据失真和停机影响原因及其影响程度不明的导致的OEE数据使用价值低、生产改进困难的状况，本发明的OEE自动测量单元不但能准确地测算出OEE数值，还能及时记录和反映各种原因导致的OEE损失分量，为企业生产的持续改进提供及时准确的数据支持。

附图说明

图1为本发明工厂物联网业务终端的结构示意图；

图2为本发明实施例中OEE自动测量单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

实施例：工厂物联网业务终端，如图1所示，包括数据采集器，所述的数据采集器包括CPU及分别与CPU相连的键盘、电池、flash、RS232串口、以太网模块、I/O采集模块、时钟、显示屏，RFID模块、条码扫描模块。

本发明的一种全局设备效率OEE的自动测量单元，如图2所示，包括：生产设备，用于加工工件，该生产设备具有加工信号输出端、质量信号输出端；光电隔离器，与生产设备的加工信号输出端、质量信号输出端相连，用以对输入、输出信号进行隔离；数据采集器，数据采集器的RS232串口、以太网模块、I/O采集模块连接光电隔离器，用以采集生产设备的加工信号、质量信号；数据通信模块，与数据采集器的CPU相连，用以在数据采集器与数据处理服务器之间传送信号、数据；数据处理服务器，与数据通信模块相连，所述的数据处理服务器具有OEE数据处理模块，所述的数据服务器用以对生产设备发送加工指令信号及执行OEE数据处理功能。

本发明测量单元的数据处理流程遵循以下步骤：

1、把数据采集器通过光电隔离器与加工设备的加工信号输出端、质量数据输出端进行连接，以便采集加工设备的相应加工信号(高低电平)、质量数据。

2、给每台数据采集器设定一个地址，目前为16位，每台数据采集器的地址是唯一的，用以区别不同的设备；

3、每台数据采集器接收数据处理服务器发送的加工指令，并下发计划加工数；

4、数据处理服务器每隔半小时时间，给数据采集器进行时间同步，以保证数据采集器的时间与数据处理服务器时间的一致性；

5、数据采集器以每秒33次的频率采集生产设备的加工信号、质量信号，加工信号包括实际总加工时间、日历工作时间、计划停机时间、实际加工周期；质量信号包括人工录入的质量数据，分为合格品数量、加工数量。

6、如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接是正常的，数据采集器采集的加工信号、质量信号即时发送给数据服务器；如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接当前是异常的，则把采集到的加工信号、质量信号保存在数据采集器的Flash中，待连接正常时，上传给数据处理服务器。

7、数据处理服务器对各数据采集器上传的生产设备的加工信号进行分析，OEE数据处理模块根据如下公式计算设备OEE：

设备OEE＝时间开动率×性能开动率×合格品率；

其中，时间开动率＝实际总加工时间/加工总时长；

加工总时长＝日历工作时间-计划停机时间；

合格品率＝合格品数量/加工数量；

性能开动率＝净开动率×速度开动率；

净开动率＝加工数量×实际加工周期/实际总加工时间；

速度开动率＝标准加工周期/实际加工周期；

时间开动率反映了设备的时间利用情况；

性能开动率反映了设备的性能发挥情况，性能开动率根据实际的情况进行人工干预调整；标准加工周期为特定产品的经验值，根据不同产品、不同产品时间会有差异，例如同一轴承在一台高档设备上可能只要2秒，而在一台一般的设备上可能需要8秒，需要在数据处理服务器上针对不同产品和不同设备进行手动设定。

合格品率则反映了设备的有效工作情况。

反过来，时间开动率度量了设备的故障、调整等项停机损失，性能开动率度量了设备短暂停机、空转、速度降低等项性能损失；合格品率度量了设备加工废品损失。其中实际总加工时间代表设备运转的实际工作时间；加工总时长代表加工的总时长，也包括停机情况时间；实际加工周期为加工一个指定产品所实际花费的平均时间。

Claims (5)

1.工厂物联网业务终端，其特征是包括数据采集器，所述的数据采集器包括CPU及分别与CPU相连的键盘、电池、flash、RS232串口、以太网模块、I/O采集模块、时钟、显示屏。

2.根据权利要求1所述的工厂物联网业务终端，其特征是：所述的数据采集器还包括用以刷卡的RFID模块，RFID模块连接CPU。

3.根据权利要求1所述的工厂物联网业务终端，其特征是：所述的数据采集器还包括用以扫描条码的条码扫描模块，条码扫描模块连接CPU。

4.一种全局设备效率OEE的自动测量单元，其特征是包括：

生产设备，用于加工工件，该生产设备具有加工信号输出端、质量信号输出端；

光电隔离器，与生产设备的加工信号输出端、质量信号输出端相连，用以对输入、输出信号进行隔离；

数据采集器，数据采集器的RS232串口、以太网模块、I/O采集模块连接光电隔离器，用以采集生产设备的加工信号、质量信号；

数据通信模块，与数据采集器相连，用以在数据采集器与数据处理服务器之间传送信号、数据；

数据处理服务器，与数据通信模块相连，所述的数据处理服务器具有OEE数据处理模块，所述的数据服务器用以对生产设备发送加工指令信号及执行OEE数据处理功能。

5.一种全局设备效率OEE的自动测量方法，其特征是：a，把数据采集器通过光电隔离器与加工设备的加工信号输出端、质量数据输出端进行连接，以便采集加工设备的相应加工信号、质量数据；b，给每台数据采集器设定一个地址，目前为16位，每台数据采集器的地址是唯一的，用以区别不同的设备；c，每台数据采集器接收数据处理服务器发送的加工指令，并下发计划加工数；d，数据处理服务器每隔半小时时间，给数据采集器进行时间同步，以保证数据采集器的时间与数据处理服务器时间的一致性；e，数据采集器以每秒25～40次的频率采集生产设备的加工信号、质量信号，加工信号包括实际总加工时间、日历工作时间、计划停机时间、实际加工周期；质量信号包括人工录入的质量数据，分为合格品数量、加工数量；f，如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接是正常的，数据采集器采集的加工信号、质量信号即时发送给数据服务器；如果数据采集器与数据通信模块、数据处理服务器之间的连接当前是异常的，则把采集到的加工信号、质量信号保存在数据采集器的Flash中，待连接正常时，上传给数据处理服务器；g，数据处理服务器对各数据采集器上传的生产设备的加工信号进行分析，OEE数据处理模块根据如下公式计算设备OEE：

设备OEE＝时间开动率×性能开动率×合格品率；

其中，时间开动率＝实际总加工时间/加工总时长；

加工总时长＝日历工作时间-计划停机时间；

合格品率＝合格品数量/加工数量；

性能开动率＝净开动率×速度开动率；

净开动率＝加工数量×实际加工周期/实际总加工时间；

速度开动率＝标准加工周期/实际加工周期；

标准加工周期为特定产品的经验值，需要在数据处理服务器上针对不同产品和不同设备进行手动设定。

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