1　概述

市場(chǎng)上目前有刀具加工計數預測法、加裝傳感器物理監測法等刀具監測解決方案，均存在成本高、部署慢、準確率低等弊端。邊緣側環(huán)境部署復雜、靈活性低，不利于大規模統一管理，整體維護、監控和升級成本高。傳統刀具粗放式管理的痛點(diǎn)如下：

（1）無(wú)法精確追溯刀具流轉，刀具壽命統計人工手動(dòng)統計，費時(shí)費力；

（2）30%以上的刀具壽命都被設置為冗余而浪費；

（3）刀具磨損、崩刀等過(guò)程無(wú)監控，質(zhì)量風(fēng)險大；

（4）邊緣側環(huán)境部署效率低下，大規模部署和管理難度高；

（5）機加工設備多，缺乏統一的監控，隨機性大；

（6）刀具異常管理為事后管理，無(wú)預測性監控管理；

基于OpenStack的刀具監測與壽命預測智能管理邊緣計算平臺基于OpenStack技術(shù)，以CNC機加工設備的物聯(lián)為基礎，對主軸負載數據進(jìn)行采集與分析，實(shí)現邊緣側刀具在加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)監測和壽命預測管理以及數據信息可視化。邊緣數據能夠統一在核心云平臺進(jìn)行管理，集成了市場(chǎng)上約85%的不同品牌類(lèi)型的CNC系統，可實(shí)現車(chē)間看板、PC端、移動(dòng)端的同時(shí)在線(xiàn)監控和索引。

2　方案介紹

2.1　系統架構

基于OpenStack的刀具監測與壽命預測智能管理邊緣計算平臺的系統架構如圖1所示，九州云Animbus邊緣計算套件作為基礎設施平臺，為西格數據刀具智能管理系統提供運行基礎設施與資源。借助九州云Animbus邊緣計算套件強大的應用編排、服務(wù)交付、以及應用生命周期管理能力，西格數據刀具智能管理系統能夠快速穩定地交付至用戶(hù)生產(chǎn)環(huán)境，在用戶(hù)側（即邊緣側）為客戶(hù)提供智能制造與計算能力。系統架構由三層構成。

圖1 系統架構圖

· 硬件資源層：依托邊緣側的物理資源提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等資源；

· 邊緣虛擬化層：依托九州云Animbus邊緣計算套件，在硬件資源層的基礎上，提供邊緣側虛擬化資源與能力，幫助智能制造系統實(shí)現靈活快速的應用編排、交付及生命周期管理。Animbus邊緣計算套件基于OpenStack打造，提供強大的資源虛擬化能力，支持虛擬機以及容器兩種虛擬化模式，支持邊緣計算中心的網(wǎng)絡(luò )、存儲虛擬化功能；

· 智能制造應用層：西格數據刀具智能管理系統利用九州云Animbus邊緣計算套件，能夠快速靈活的在用戶(hù)側進(jìn)行部署并提供智能制造服務(wù)。西格數據刀具智能管理系統是針對工業(yè)制造領(lǐng)域內企業(yè)在刀具使用過(guò)程中的痛點(diǎn)，為用戶(hù)打造的一款刀具智能管理應用，通過(guò)智能采集分析生產(chǎn)設備的實(shí)時(shí)數據，預測分析生產(chǎn)刀具壽命并實(shí)時(shí)告警，從而保護生產(chǎn)設備不受損壞。

2.2　軟硬件平臺

（1）軟件平臺

· CentOS

7.3操作系統；

· 九州云Animbus邊緣計算套件；

· 西格數據刀具智能管理系統。

（2）硬件平臺

· x86邊緣計算節點(diǎn)×3（Intel Xeon E52650v2，64G內存，4×3T HDD硬盤(pán)）；

· 24口千兆網(wǎng)絡(luò )交換機。

2.3　數據通信與全生命周期

· 邊緣側數據是在網(wǎng)絡(luò )邊緣側產(chǎn)生的，包括生產(chǎn)機器運行數據、環(huán)境數據以及信息系統數據等，具有高通量、流動(dòng)速度快、類(lèi)型多樣、關(guān)聯(lián)性強、分析處理實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)。其全生命周期包含以下流程，如圖2所示。

· 數據預處理對原始生產(chǎn)數據的過(guò)濾、清洗、聚合、質(zhì)量?jì)?yōu)化與語(yǔ)義分析；

圖2 數據全生命周期流程

· 數據分析

基于流式數據分析對數據即來(lái)即處理，可以快速響應事件和不斷變化的業(yè)務(wù)條件與需求，加速對數據執行持續分析；

· 數據分發(fā)和策略執行

基于預定義規則和數據分析結果，在本地進(jìn)行策略執行；

· 數據可視化與存儲

采用時(shí)序數據庫等技術(shù)可以大大節省存儲空間并滿(mǎn)足高速的讀寫(xiě)操作需求。

2.4　安全措施與服務(wù)

· 邊緣計算節點(diǎn)安全

系統提供基礎的邊緣計算節點(diǎn)安全，端點(diǎn)安全、軟件加固與安全配置、可靠的遠程升級。安全與可靠的遠程升級能夠及時(shí)完成漏洞與補丁的修復；

· 網(wǎng)絡(luò )安全

包含防火墻、入侵檢測和防護、DDoS防護、VPN/TLS功能；

· 邊緣側數據安全

包含邊緣側數據加密、隔離、銷(xiāo)毀、防篡改、隱私保護、訪(fǎng)問(wèn)控制與防泄漏。其中邊緣側數據加密包含在數據傳輸過(guò)程中的加密以及存儲時(shí)的加密；

· 應用安全

包含白名單、應用安全審計、惡意代碼防范、Web應用防火墻等安全功能。白名單是邊緣計算架構中非常重要的功能，由于終端的海量異構設備接入，傳統的IT安全授權模式不再適用，需要采用最小授權的安全模型管理應用及訪(fǎng)問(wèn)權限；

· 身份認證管理

身份和認證管理功能在系統架構中遍布所有層級，本系統提供去中心化、分布式的認證方式和證書(shū)管理方法。

3　創(chuàng )新與優(yōu)勢

3.1　技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)

（1）邊緣側兩臺服務(wù)器同時(shí)監測256臺機床，基于以太網(wǎng)環(huán)境下的通訊協(xié)議進(jìn)行連接獲取負載數據，實(shí)現即插即用（15min以?xún)龋?，硬件資源靈活調配，硬件成本相比傳統的監測方式降低95%以上；

（2）基于95%置信度條件下主軸負載與刀具壽命的判定，機床刀具異常（磨損、斷刀、崩刃、卷刃等）50ms級監測和反饋；

（3）刀具負載趨勢自學(xué)習和規則判斷，提取加工過(guò)程特征值與刀具壽命的關(guān)系，異常判定準確度100%，刀具成本節約30%以上；

（4）業(yè)內首個(gè)可以同時(shí)集成運行市場(chǎng)上85%以上的不同品牌和不同類(lèi)型的CNC系統（FANUC oi系列/30i/31i/32i等、SIEMENS、華中數控、新代、三菱M60/M70/M80等、兄弟、馬扎克、阿奇夏米爾、OSP、羅德斯、牧野、海德漢、哈斯等）的工業(yè)智能解決方案；并且可同時(shí)監測不同類(lèi)型、不同尺寸的加工刀具（車(chē)削、銑削、鉆削、拉刀等）；

（5）基于OpenStack的核心云和邊緣云計算平關(guān)注邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟請掃二維碼臺，提供大數據分析和數據挖掘技術(shù)的PaaS平臺，與CNC控制技術(shù)的智能集成，實(shí)現負載曲線(xiàn)圖表化可視化。

3.2　技術(shù)優(yōu)勢

（1）基于OpenStack的開(kāi)源云平臺，實(shí)現邊緣側工業(yè)數據的快速處理和基礎服務(wù)的快速提供；

（2）強大的CNC底層數據采集能力，強大的集成能力，適配不同品牌不同型號的數控設備；

（3）加工過(guò)程可視化，基于邊緣計算、平臺化部署；

（4）緊跟工業(yè)4.0潮流，多種移動(dòng)端接入，微信服務(wù)號或者APP；

（5）強大的數據運算處理能力，自學(xué)習算法，實(shí)現圖表可視化；

（6）基于多年的工廠(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗，設計豐富的報表，可一鍵導出和打印，切合用戶(hù)需求；

（7）邊緣側基于連接通訊協(xié)議獲取數據，中心云端儲存分析，部署時(shí)間比傳統刀具監測模式提高90%以上；硬件成本比傳統模式節約95%以上，給用戶(hù)更好的技術(shù)體驗。

4　結語(yǔ)

刀具智能管理解決方案基于機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于歷史趨勢數據對刀具壽命進(jìn)行預測與集中化管理，刀具壽命預測準確率達到95%以上；可對斷刀、磨損、崩刃等現象實(shí)時(shí)監控與分析，刀具過(guò)程監控曲線(xiàn)實(shí)現自學(xué)習，圖表化可視化呈現，準確率99%；刀具智能管理云平臺集成了強大的大數據分析和挖掘技術(shù)，可以自主設置，將正常加工時(shí)間段內的數據經(jīng)過(guò)算法訓練，自學(xué)習，成為一塊置信區域（即“包絡(luò )圖”）。目前該方案已成功部署運用于昆山富士和機械、昆山六豐機械、鐵姆肯軸承、蘇州九邦機電、菲舍爾航空部件等機加工企業(yè)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年6月刊