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1 概述

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

追求實施工業(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/工廠自動化（FA）系統(tǒng)相互獨立的傳統(tǒng)孤島式思維。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的成功推進需要IT、OT和工程技術(shù)（ET）的真正融合，以實現(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，生產(chǎn)現(xiàn)場產(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)，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防維護，正越來越被企業(yè)管理者所考慮。

圖1 現(xiàn)場存在的問題

圖2 客戶的希望

三菱電機與Egdecross Consortium通過搭建統(tǒng)一的工業(yè)領(lǐng)域邊緣計算數(shù)據(jù)采集標準，數(shù)據(jù)接口規(guī)范，吸收生產(chǎn)現(xiàn)場和IT系統(tǒng)不同的技術(shù)要素，實現(xiàn)簡潔的IoT系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)的標簽化集中管理，加速生產(chǎn)現(xiàn)場的IoT化。

基于邊緣計算解決方案，通過三菱電機的邊緣計算工業(yè)計算機——MELIPC，豐富的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)分析軟件——實時數(shù)據(jù)分析器實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的預(yù)防保全及產(chǎn)品的品質(zhì)預(yù)判，并及時反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場。

圖3 邊緣計算平臺

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——實時數(shù)據(jù)分析器，進行多元回歸分析或馬氏-田口分析，實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的有效利用，判斷生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(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 標準開發(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）實時數(shù)據(jù)處理（軟件）

實時數(shù)據(jù)處理能夠?qū)⑸a(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行保存并傳送到邊緣應(yīng)用程序，同時將數(shù)據(jù)診斷的結(jié)果及時反饋回生產(chǎn)現(xiàn)場。

（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)、人員信息等進行統(tǒng)一管理，使數(shù)據(jù)具有自己的身份和價值。

（5）邊緣應(yīng)用程序-實時數(shù)據(jù)分析器（軟件）

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的離線分析，建立數(shù)據(jù)分析模型，通過實時采集數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)分析模型進行實時診斷，并將結(jié)果反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場，供現(xiàn)場人員進行判斷。

（6）邊緣計算機-MELIPC（硬件）

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

3 邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用

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

圖5 邊緣計算平臺

（1）實時數(shù)據(jù)處理（軟件平臺）

提供下述功能，針對從生產(chǎn)現(xiàn)場連續(xù)發(fā)生的實時數(shù)據(jù)，由邊緣應(yīng)用程序輕松地在最佳時機實現(xiàn)實時診斷。

.將數(shù)據(jù)匯總為具有設(shè)備或裝置運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。

（2）插件（軟件）

擴展實時數(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）

對生產(chǎn)現(xiàn)場的機械、裝置、生產(chǎn)線加以抽象化，實現(xiàn)分級管理的功能。

（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——“實時數(shù)據(jù)分析
器”，通過安裝在三菱電機工業(yè)PC——“MELIPC”中，可以實現(xiàn)以下功能。

（1）AI技術(shù)類似波形識別離線分析：通過電流等傳感器的數(shù)據(jù)，使用AI學(xué)習波形的正常模式的波形。實時診斷：使用AI比較正常模式與平時監(jiān)視的波形數(shù)據(jù)，并計算類似度，以此進行OK/NG的判斷。 通過AI對波形模式的學(xué)習/識別，實現(xiàn)無需通過人的認知而能夠進行預(yù)防維護及品質(zhì)管理。

可以檢測出僅通過簡單的上下限判定無法檢測出的異常。

圖6 類似波形識別

圖7 類似波形識別界面

（2）MT法（馬氏田口法）離線分析：使用多個傳感器數(shù)據(jù)，來求出正常模式的數(shù)據(jù)分布。
實時診斷：比較監(jiān)視數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分布，通過與正常時的偏離程度，來檢測出異常→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)檢測出使用1個傳感器數(shù)據(jù)的上下限判定無法檢測出的異常。
（3）多元回歸分析離線分析：通過使用生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，計算出平常無法測量的數(shù)據(jù)的求導(dǎo)預(yù)測公式。實時診斷：通過使用預(yù)測公式，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)測平常無法測量的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)預(yù)防維護及品質(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，無需編程即可實現(xiàn)高效的離線分析/實時診斷

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

.無需變更設(shè)備的控制程序及使用實際設(shè)備進行調(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平臺標準，按照DateCollector Development Kit開發(fā)的數(shù)據(jù)收集器，將生產(chǎn)現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)進行一次存儲，以CVSfile或通過MQTT broker，在邊緣計算基本軟件和數(shù)據(jù)分析軟件之間進行數(shù)據(jù)傳遞。

圖13 數(shù)據(jù)采集器開發(fā)模式

數(shù)據(jù)分析軟件與邊緣計算平臺之間的通信技術(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 價值

EdgecrossConsortium作為實現(xiàn)FA-IT融合的開放軟件平臺，正在向全球的工業(yè)領(lǐng)域推廣擴展。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，針對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析解決方案正在蓬勃發(fā)展。

通過統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)采集器，解決了工業(yè)現(xiàn)場存在不同協(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)，并進行模型化管理，梳理數(shù)據(jù)所代表的含義。

三菱電機開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件——“實時數(shù)據(jù)分析器”，搭載三菱電機人工智能技術(shù)Maisart，同時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，不需要專業(yè)的開發(fā)，即可對生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行分析，建立數(shù)據(jù)診斷模型，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)防保全和產(chǎn)品品質(zhì)的判定。

同時，這個功能都是架構(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上傳到云端進行保存，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析再利用。

對于生產(chǎn)企業(yè)，三菱電機的邊緣數(shù)據(jù)分析軟件-實時數(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)分析器實現(xiàn)的對設(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)定運行時間，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高企業(yè)綜合價值。

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

對于軟件供應(yīng)商，三菱電機的邊緣計算解決方案，向為智能制造領(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，提升對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效利用，共同提高彼此的社會價值。

通過三菱電機的邊緣計算應(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)對數(shù)據(jù)的利用率，推動中國智能制造的發(fā)展，同時，良品率的上升和設(shè)備的使用壽命的延長，對提產(chǎn)中國制造產(chǎn)品品質(zhì)以及對降低企業(yè)成本都有積極的作用。

摘自《自動化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專輯》