1 概述

所有行業(yè)內自動(dòng)化設備的客戶(hù)和供應商都認識到與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰略息息相關(guān)的眾多增量?jì)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)以及擴大潛在客戶(hù)群體的能力。管理層也對此有著(zhù)相同看法，他們日益認識到這些倡議對業(yè)務(wù)的潛在影響。

追求實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰略必須脫離過(guò)往制造公司普遍存在的IT和OT/工廠(chǎng)自動(dòng)化（FA）系統相互獨立的傳統孤島式思維?；ヂ?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)現履行企業(yè)重要承諾所需的接入、透明性、安全性和執行能力。

與此同時(shí)，生產(chǎn)現場(chǎng)產(chǎn)生的數據，被IT層采集之后，卻不知如何利用的問(wèn)題普遍存在于生產(chǎn)企業(yè)。希望通過(guò)簡(jiǎn)單的數據收集方法，利用大數據/IoT技術(shù)以及AI來(lái)改善生產(chǎn)，提高生產(chǎn)品質(zhì)，實(shí)現設備的預防維護，正越來(lái)越被企業(yè)管理者所考慮。

圖1 現場(chǎng)存在的問(wèn)題

圖2 客戶(hù)的希望

三菱電機與Egdecross Consortium通過(guò)搭建統一的工業(yè)領(lǐng)域邊緣計算數據采集標準，數據接口規范，吸收生產(chǎn)現場(chǎng)和IT系統不同的技術(shù)要素，實(shí)現簡(jiǎn)潔的IoT系統，通過(guò)對數據的標簽化集中管理，加速生產(chǎn)現場(chǎng)的IoT化。

基于邊緣計算解決方案，通過(guò)三菱電機的邊緣計算工業(yè)計算機——MELIPC，豐富的數據采集器，數據分析軟件——實(shí)時(shí)數據分析器實(shí)現對現場(chǎng)設備的預防保全及產(chǎn)品的品質(zhì)預判，并及時(shí)反饋到生產(chǎn)現場(chǎng)。

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(guò)豐富的數據采集器，采集生產(chǎn)現場(chǎng)的工藝參數、設備狀態(tài)、人員操作狀態(tài)等數據，經(jīng)由GUI化的數據分析軟件——實(shí)時(shí)數據分析器，進(jìn)行多元回歸分析或馬氏-田口分析，實(shí)現對大數據的有效利用，判斷生產(chǎn)現場(chǎng)的參數、設備狀態(tài)等數據與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)系，實(shí)現產(chǎn)品品質(zhì)的預判分析。

2 系統架構

 本系統架構如圖4所示：

圖4 系統基本架構

（1）數據采集器（軟件）

基于Edgecross Consortium 標準開(kāi)發(fā)的不同類(lèi)型的數據采集器，能夠采集生產(chǎn)現場(chǎng)不同協(xié)議、不同廠(chǎng)家的設備數據，降低了客制開(kāi)發(fā)的成本。

（2）實(shí)時(shí)數據處理（軟件）

實(shí)時(shí)數據處理能夠將生產(chǎn)現場(chǎng)的數據進(jìn)行保存并傳送到邊緣應用程序，同時(shí)將數據診斷的結果及時(shí)反饋回生產(chǎn)現場(chǎng)。

（3）IT系統銜接（軟件）

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

（4）數據模型化管理（軟件）

將工廠(chǎng)、生產(chǎn)線(xiàn)、設備的參數、工藝數據、人員信息等進(jìn)行統一管理，使數據具有自己的身份和價(jià)值。

（5）邊緣應用程序-實(shí)時(shí)數據分析器（軟件）

通過(guò)現場(chǎng)數據的離線(xiàn)分析，建立數據分析模型，通過(guò)實(shí)時(shí)采集數據，按照數據分析模型進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，并將結果反饋到生產(chǎn)現場(chǎng)，供現場(chǎng)人員進(jìn)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，在實(shí)現邊緣計算的同時(shí)，客戶(hù)也可以自行安裝自己熟悉的軟件。同時(shí)，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，基于以下架構設計：

圖5 邊緣計算平臺

（1）實(shí)時(shí)數據處理（軟件平臺）

提供下述功能，針對從生產(chǎn)現場(chǎng)連續發(fā)生的實(shí)時(shí)數據，由邊緣應用程序輕松地在最佳時(shí)機實(shí)現實(shí)時(shí)診斷。

.將數據匯總為具有設備或裝置運行周期等含義的單位后發(fā)送；

.加工（縮放等）數據，使邊緣應用程序易于處理；

.將診斷結果反饋至生產(chǎn)現場(chǎng)。

（2）插件（軟件）

擴展實(shí)時(shí)數據處理功能的用戶(hù)創(chuàng )建軟件。

（3）數據模型管理（軟件）

對生產(chǎn)現場(chǎng)的機械、裝置、生產(chǎn)線(xiàn)加以抽象化，實(shí)現分級管理的功能。

（4）安全功能

基本軟件提供安全功能。

（5）開(kāi)發(fā)用軟件

開(kāi)發(fā)支持Edgecross的邊緣應用程序、數據采集器、插件所要使用的如下軟件的總稱(chēng)。

.SDK（Software Development Kit）；

.DDK（Data collector Development Kit）；

.庫。

（6）邊緣應用程序（軟件）

在邊緣計算領(lǐng)域中，通過(guò)Edgecross提供的功能，執行旨在活用生產(chǎn)現場(chǎng)的數據的各種處理的軟件。

（7）數據采集器（軟件）

通過(guò)各網(wǎng)絡(luò )收集生產(chǎn)現場(chǎng)的數據的軟件零部件。搭建在邊緣層的數據分析軟件——“實(shí)時(shí)數據分析
器”，通過(guò)安裝在三菱電機工業(yè)PC——“MELIPC”中，可以實(shí)現以下功能。

（1）AI技術(shù)類(lèi)似波形識別離線(xiàn)分析：通過(guò)電流等傳感器的數據，使用AI學(xué)習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)監視的波形數據，并計算類(lèi)似度，以此進(jìn)行OK/NG的判斷。 通過(guò)AI對波形模式的學(xué)習/識別，實(shí)現無(wú)需通過(guò)人的認知而能夠進(jìn)行預防維護及品質(zhì)管理。

可以檢測出僅通過(guò)簡(jiǎn)單的上下限判定無(wú)法檢測出的異常。

圖6 類(lèi)似波形識別

圖7 類(lèi)似波形識別界面

（2）MT法（馬氏田口法）離線(xiàn)分析：使用多個(gè)傳感器數據，來(lái)求出正常模式的數據分布。
實(shí)時(shí)診斷：比較監視數據與數據分布，通過(guò)與正常時(shí)的偏離程度，來(lái)檢測出異?！膳袆e正常/異常，并且把握劣化的程度。

可通過(guò)多組數據檢測出使用1個(gè)傳感器數據的上下限判定無(wú)法檢測出的異常。
（3）多元回歸分析離線(xiàn)分析：通過(guò)使用生產(chǎn)現場(chǎng)的數據，計算出平常無(wú)法測量的數據的求導預測公式。實(shí)時(shí)診斷：通過(guò)使用預測公式，來(lái)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(guò)預測平常無(wú)法測量的數據，可以實(shí)現預防維護及品質(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(guò)GUI，無(wú)需編程即可實(shí)現高效的離線(xiàn)分析/實(shí)時(shí)診斷

.為數據分析/診斷的各階段作業(yè)提供有力支撐，以實(shí)現效率化。

.無(wú)需變更設備的控制程序及使用實(shí)際設備進(jìn)行調諧。

圖12 軟件引導式說(shuō)明

4 數據通信技術(shù)

基于Edgecross Consortium平臺標準，按照DateCollector Development Kit開(kāi)發(fā)的數據收集器，將生產(chǎn)現場(chǎng)收集的數據進(jìn)行一次存儲，以CVSfile或通過(guò)MQTT broker，在邊緣計算基本軟件和數據分析軟件之間進(jìn)行數據傳遞。

圖13 數據采集器開(kāi)發(fā)模式

數據分析軟件與邊緣計算平臺之間的通信技術(shù)由表1說(shuō)明：

表1 通信技術(shù)說(shuō)明

5 安全措施

搭建與邊緣層的解決方案，避免了數據上傳云端過(guò)程中的安全問(wèn)題，以及存儲在云端可能產(chǎn)品的數據泄露以及滅失問(wèn)題。

隔離與外部網(wǎng)絡(luò )的數據系統，以及數據訪(fǎng)問(wèn)控制方式限制未知訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生，防止用戶(hù)非法越權及竊取數據。

6 價(jià)值

EdgecrossConsortium作為實(shí)現FA-IT融合的開(kāi)放軟件平臺，正在向全球的工業(yè)領(lǐng)域推廣擴展。越來(lái)越多的數據收集器以及邊緣應用軟件正在被開(kāi)發(fā)出來(lái)，針對工業(yè)現場(chǎng)的數據分析解決方案正在蓬勃發(fā)展。

通過(guò)統一標準的數據采集器，解決了工業(yè)現場(chǎng)存在不同協(xié)議、不同網(wǎng)絡(luò )設備的問(wèn)題，客戶(hù)更加方便地采集生產(chǎn)線(xiàn)上的不同設備的數據，并進(jìn)行模型化管理，梳理數據所代表的含義。

三菱電機開(kāi)發(fā)的數據分析軟件——“實(shí)時(shí)數據分析器”，搭載三菱電機人工智能技術(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(guò)人性化的GUI設計，不需要專(zhuān)業(yè)的開(kāi)發(fā)，即可對生產(chǎn)現場(chǎng)的數據進(jìn)行分析，建立數據診斷模型，實(shí)現對生產(chǎn)設備的預防保全和產(chǎn)品品質(zhì)的判定。

同時(shí)，這個(gè)功能都是架構在邊緣層，保證了數據采集的速度和結果反饋的時(shí)效性，被整理后的數據以及診斷結果，也通過(guò)MQTT或OPC上傳到云端進(jìn)行保存，為后續的數據分析再利用。

對于生產(chǎn)企業(yè)，三菱電機的邊緣數據分析軟件-實(shí)時(shí)數據分析器，可以幫助他們有效利用IIoT所采集的數據，并且在邊緣層進(jìn)行分析診斷，真正的讓數據活起來(lái)，而不是數據庫的0或1。通過(guò)數據分析器實(shí)現的對設備預防保全和產(chǎn)品品質(zhì)判定，幫助企業(yè)提高設備使用壽命，保障穩定運行時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高企業(yè)綜合價(jià)值。

對于FA系統集成商，不再局限于自動(dòng)化領(lǐng)域的內容，通過(guò)方便簡(jiǎn)單的數據采集和引導式的數據分析，可以對應客戶(hù)現場(chǎng)的數據分析問(wèn)題，提高系統集成商的綜合解決方案能力。

對于軟件供應商，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(kāi)放，共同開(kāi)發(fā)數據分析軟件，提升對生產(chǎn)現場(chǎng)數據的有效利用，共同提高彼此的社會(huì )價(jià)值。

通過(guò)三菱電機的邊緣計算應用在產(chǎn)品品質(zhì)判定和設備預防保全領(lǐng)域，有效提升了制造企業(yè)對數據的利用率，推動(dòng)中國智能制造的發(fā)展，同時(shí)，良品率的上升和設備的使用壽命的延長(cháng)，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(dòng)化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專(zhuān)輯》