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1 概述

所有行業(yè)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備的客戶和供應(yīng)商都認(rèn)識(shí)到與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略息息相關(guān)的眾多增量?jī)r(jià)值主張。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、工業(yè)4.0（I4.0）、信息技術(shù)（IT）/運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）融合、智能制造、智能社會(huì)等倡議均被視為加速推進(jìn)核心業(yè)務(wù)的手段，涉及提升收益、降低成本、優(yōu)化資產(chǎn)以及擴(kuò)大潛在客戶群體的能力。管理層也對(duì)此有著相同看法，他們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到這些倡議對(duì)業(yè)務(wù)的潛在影響。

追求實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略必須脫離過往制造公司普遍存在的IT和OT/工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)相互獨(dú)立的傳統(tǒng)孤島式思維。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的成功推進(jìn)需要IT、OT和工程技術(shù)（ET）的真正融合，以實(shí)現(xiàn)履行企業(yè)重要承諾所需的接入、透明性、安全性和執(zhí)行能力。

與此同時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，被IT層采集之后，卻不知如何利用的問題普遍存在于生產(chǎn)企業(yè)。希望通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集方法，利用大數(shù)據(jù)/IoT技術(shù)以及AI來改善生產(chǎn)，提高生產(chǎn)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防維護(hù)，正越來越被企業(yè)管理者所考慮。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)存在的問題

圖2 客戶的希望

三菱電機(jī)與Egdecross Consortium通過搭建統(tǒng)一的工業(yè)領(lǐng)域邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)接口規(guī)范，吸收生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和IT系統(tǒng)不同的技術(shù)要素，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔的IoT系統(tǒng)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)簽化集中管理，加速生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的IoT化。

基于邊緣計(jì)算解決方案，通過三菱電機(jī)的邊緣計(jì)算工業(yè)計(jì)算機(jī)——MELIPC，豐富的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)分析軟件——實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的預(yù)防保全及產(chǎn)品的品質(zhì)預(yù)判，并及時(shí)反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 邊緣計(jì)算平臺(tái)

搭建于邊緣層的產(chǎn)品品質(zhì)判定解決方案，通過豐富的數(shù)據(jù)采集器，采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、人員操作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)由GUI化的數(shù)據(jù)分析軟件——實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析器，進(jìn)行多元回歸分析或馬氏-田口分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的有效利用，判斷生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的預(yù)判分析。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

 本系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)基本架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集器（軟件）

基于Edgecross Consortium 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的不同類型的數(shù)據(jù)采集器，能夠采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同協(xié)議、不同廠家的設(shè)備數(shù)據(jù)，降低了客制開發(fā)的成本。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（軟件）

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能夠?qū)⑸a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并傳送到邊緣應(yīng)用程序，同時(shí)將數(shù)據(jù)診斷的結(jié)果及時(shí)反饋回生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

（3）IT系統(tǒng)銜接（軟件）

邊緣層與IT層，通過網(wǎng)關(guān)通訊（MQTT、OPC等）將篩選的、需要保存的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

（4）數(shù)據(jù)模型化管理（軟件）

將工廠、生產(chǎn)線、設(shè)備的參數(shù)、工藝數(shù)據(jù)、人員信息等進(jìn)行統(tǒng)一管理，使數(shù)據(jù)具有自己的身份和價(jià)值。

（5）邊緣應(yīng)用程序-實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析器（軟件）

通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的離線分析，建立數(shù)據(jù)分析模型，通過實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，并將結(jié)果反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，供現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行判斷。

（6）邊緣計(jì)算機(jī)-MELIPC（硬件）

邊緣計(jì)算軟件搭建在三菱電機(jī)工業(yè)PC-MELIPC上，通用的Windows 10操作系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的同時(shí)，客戶也可以自行安裝自己熟悉的軟件。同時(shí)，三菱電機(jī)的品質(zhì)保證了MELIPC的經(jīng)久耐用和低維護(hù)成本。

3 邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

配置在三菱電機(jī)工業(yè)PC——“MELIPC”的邊緣計(jì)算平臺(tái)，基于以下架構(gòu)設(shè)計(jì)：

圖5 邊緣計(jì)算平臺(tái)

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（軟件平臺(tái)）

提供下述功能，針對(duì)從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)發(fā)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由邊緣應(yīng)用程序輕松地在最佳時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷。

.將數(shù)據(jù)匯總為具有設(shè)備或裝置運(yùn)行周期等含義的單位后發(fā)送；

.加工（縮放等）數(shù)據(jù)，使邊緣應(yīng)用程序易于處理；

.將診斷結(jié)果反饋至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

（2）插件（軟件）

擴(kuò)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能的用戶創(chuàng)建軟件。

（3）數(shù)據(jù)模型管理（軟件）

對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、裝置、生產(chǎn)線加以抽象化，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理的功能。

（4）安全功能

基本軟件提供安全功能。

（5）開發(fā)用軟件

開發(fā)支持Edgecross的邊緣應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)采集器、插件所要使用的如下軟件的總稱。

.SDK（Software Development Kit）；

.DDK（Data collector Development Kit）；

.庫。

（6）邊緣應(yīng)用程序（軟件）

在邊緣計(jì)算領(lǐng)域中，通過Edgecross提供的功能，執(zhí)行旨在活用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)的各種處理的軟件。

（7）數(shù)據(jù)采集器（軟件）

通過各網(wǎng)絡(luò)收集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)的軟件零部件。搭建在邊緣層的數(shù)據(jù)分析軟件——“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析
器”，通過安裝在三菱電機(jī)工業(yè)PC——“MELIPC”中，可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）AI技術(shù)類似波形識(shí)別離線分析：通過電流等傳感器的數(shù)據(jù)，使用AI學(xué)習(xí)波形的正常模式的波形。實(shí)時(shí)診斷：使用AI比較正常模式與平時(shí)監(jiān)視的波形數(shù)據(jù)，并計(jì)算類似度，以此進(jìn)行OK/NG的判斷。 通過AI對(duì)波形模式的學(xué)習(xí)/識(shí)別，實(shí)現(xiàn)無需通過人的認(rèn)知而能夠進(jìn)行預(yù)防維護(hù)及品質(zhì)管理。

可以檢測(cè)出僅通過簡(jiǎn)單的上下限判定無法檢測(cè)出的異常。

圖6 類似波形識(shí)別

圖7 類似波形識(shí)別界面

（2）MT法（馬氏田口法）離線分析：使用多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，來求出正常模式的數(shù)據(jù)分布。
實(shí)時(shí)診斷：比較監(jiān)視數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分布，通過與正常時(shí)的偏離程度，來檢測(cè)出異常→可判別正常/異常，并且把握劣化的程度。

可通過多組數(shù)據(jù)檢測(cè)出使用1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的上下限判定無法檢測(cè)出的異常。
（3）多元回歸分析離線分析：通過使用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出平常無法測(cè)量的數(shù)據(jù)的求導(dǎo)預(yù)測(cè)公式。實(shí)時(shí)診斷：通過使用預(yù)測(cè)公式，來判定產(chǎn)品的OK/NG。

圖8 馬氏-田口法分析

圖9 馬氏-田口法界面

通過預(yù)測(cè)平常無法測(cè)量的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防維護(hù)及品質(zhì)提高。

圖10 多元回歸分析

圖11 多元回歸分析軟件界面

（4）通過GUI，無需編程即可實(shí)現(xiàn)高效的離線分析/實(shí)時(shí)診斷

.為數(shù)據(jù)分析/診斷的各階段作業(yè)提供有力支撐，以實(shí)現(xiàn)效率化。

.無需變更設(shè)備的控制程序及使用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行調(diào)諧。

圖12 軟件引導(dǎo)式說明

4 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

基于Edgecross Consortium平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，按照DateCollector Development Kit開發(fā)的數(shù)據(jù)收集器，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲(chǔ)，以CVSfile或通過MQTT broker，在邊緣計(jì)算基本軟件和數(shù)據(jù)分析軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

圖13 數(shù)據(jù)采集器開發(fā)模式

數(shù)據(jù)分析軟件與邊緣計(jì)算平臺(tái)之間的通信技術(shù)由表1說明：

表1 通信技術(shù)說明

5 安全措施

搭建與邊緣層的解決方案，避免了數(shù)據(jù)上傳云端過程中的安全問題，以及存儲(chǔ)在云端可能產(chǎn)品的數(shù)據(jù)泄露以及滅失問題。

隔離與外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)訪問控制方式限制未知訪問發(fā)生，防止用戶非法越權(quán)及竊取數(shù)據(jù)。

6 價(jià)值

EdgecrossConsortium作為實(shí)現(xiàn)FA-IT融合的開放軟件平臺(tái)，正在向全球的工業(yè)領(lǐng)域推廣擴(kuò)展。越來越多的數(shù)據(jù)收集器以及邊緣應(yīng)用軟件正在被開發(fā)出來，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析解決方案正在蓬勃發(fā)展。

通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集器，解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在不同協(xié)議、不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的問題，客戶更加方便地采集生產(chǎn)線上的不同設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模型化管理，梳理數(shù)據(jù)所代表的含義。

三菱電機(jī)開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件——“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析器”，搭載三菱電機(jī)人工智能技術(shù)Maisart，同時(shí)將多元回歸分析算法和馬氏-田口法集成到軟件中，通過人性化的GUI設(shè)計(jì)，不需要專業(yè)的開發(fā)，即可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立數(shù)據(jù)診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)防保全和產(chǎn)品品質(zhì)的判定。

同時(shí)，這個(gè)功能都是架構(gòu)在邊緣層，保證了數(shù)據(jù)采集的速度和結(jié)果反饋的時(shí)效性，被整理后的數(shù)據(jù)以及診斷結(jié)果，也通過MQTT或OPC上傳到云端進(jìn)行保存，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析再利用。

對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)，三菱電機(jī)的邊緣數(shù)據(jù)分析軟件-實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析器，可以幫助他們有效利用IIoT所采集的數(shù)據(jù)，并且在邊緣層進(jìn)行分析診斷，真正的讓數(shù)據(jù)活起來，而不是數(shù)據(jù)庫的0或1。通過數(shù)據(jù)分析器實(shí)現(xiàn)的對(duì)設(shè)備預(yù)防保全和產(chǎn)品品質(zhì)判定，幫助企業(yè)提高設(shè)備使用壽命，保障穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高企業(yè)綜合價(jià)值。

對(duì)于FA系統(tǒng)集成商，不再局限于自動(dòng)化領(lǐng)域的內(nèi)容，通過方便簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集和引導(dǎo)式的數(shù)據(jù)分析，可以對(duì)應(yīng)客戶現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析問題，提高系統(tǒng)集成商的綜合解決方案能力。

對(duì)于軟件供應(yīng)商，三菱電機(jī)的邊緣計(jì)算解決方案，向?yàn)橹悄苤圃祛I(lǐng)域的優(yōu)秀合作伙伴開放，共同開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件，提升對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的有效利用，共同提高彼此的社會(huì)價(jià)值。

通過三菱電機(jī)的邊緣計(jì)算應(yīng)用在產(chǎn)品品質(zhì)判定和設(shè)備預(yù)防保全領(lǐng)域，有效提升了制造企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)的利用率，推動(dòng)中國(guó)智能制造的發(fā)展，同時(shí)，良品率的上升和設(shè)備的使用壽命的延長(zhǎng)，對(duì)提產(chǎn)中國(guó)制造產(chǎn)品品質(zhì)以及對(duì)降低企業(yè)成本都有積極的作用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年增刊《邊緣計(jì)算2018專輯》