设备监控系统在高速绕线机机床中的应用 -.pdf

仪器仪表与分析监测2 0 1 2年第 1 期 设备监控系统在高速绕线机机床中的应用 T h e Ap p l i c a t i o n o f E q u i p me n t Mo n i t o r i n g S y s t e m i n Hi g h Sp e e d Co i l i n g Ma c h i n e s 曹严严 刘昊扬2 1 北京邮电大学自动化学院，北京1 008 7 6；2 北京梅泰诺智能技术有限公司，北京1 0 0 1 9 1 [ 摘要] 为 了提高制造企业的生产效率与管理水平，提 出了通过电流互感器、惯性测量单元 I MU和光 电计数 器等组成的系统，对综合设备效率 O E E进行分析计算，从而对机械设备的六大损失进 行 了监控 ，极具现 实意义。与以往 的传统方法相 比，不仅 大幅提 高了监控 的有效性 ，也更具可 实施性。 试验结果表明，此 系统能有效预估造成机械设备的损失，具有极大的市场潜力。 [ 关键词] O E E；I MU；电流互感器 [ 中图分类号]T P 2 9 [ 文献标识码] A 引言 在现代社会中 ，随着生产企业规模不断扩大 ， 企业管理者对综合设 备效率 O E E O v e r a l l E q u i p ． me n t E f f e c t i v e n e s s 的重视程度也随之增高。O E E 已成为国际上公认 的设备利用效率状况 和维 护维 修保养状况的管理考核指标，运用 O E E方法可以 识别出生产设 备的效率损失 ，使 隐藏的或损 失掉 的产能释放出来 J 。它由设备时间开动率、性能 开动率以及合格品率三个关键要素组成。 O E E反映了 设备的综合利用性能， 不仅适用于单 机 ，同样适用于生产线或工厂的全部生产设备。利用 O E E可以准确分析绝大多数机器设备的生产情况，如 对 O E E进行实时监控可以预防并大幅度减少困扰一 般生产企业的六大损失停机损失、换装调试损失、 暂停机损失、减速损失、启动过程次品损失和生产正 常运行时产生的次品损失_ 2 J 。因此，基于 O E E分析 的机械设备监控系统是提高生产制造企业生产效率、 提升企业管理水平的重要手段。 尽管许多企业 已经意识到 O E E的重要性 ，但 由 于技术水平限制以及出于经济性考虑，现在能够实现 在全厂范围内进行全局 O E E实时分析、监控与管理 的制造企业仍然非常少。本文针对目 前国内大多数生 产企业的设备现状，提出了一种通过在生产制造设备 上外置传感器进行设备监控并据此进行 O E E分析的 方法并进行了验证。试验结果表明该方法不仅可以满 足全厂设备监控及 O E E分析的需要，并且造价低廉， 6 实施方便。该方法是对生产制造设备监控的一项极有 潜力的创新研究。 1 概述 综合设备效率 O E E是 由设备 时间开动率 、性 能开动率 、合格 品率三个 要素构成 ，单 一设备甚 至整个工厂 的运行都受到这三个要素累积效果 的 影响。O E E是这三个要素百 分数 的乘积，如下式 所示 J O E E 设备时间开动率 X性能开动率 合格 品率 其中， 设备时间开动率 1 。 。 ％ 1 性 能 开 动 率 生 产 数 量 霎 x 10 0 ％ 2 合格品率 3 上述公式一般适用 于单一设 备 O E E的计算 ， 对于生产者而言 ，更注重整个工厂综合设备效 率 O E E的大小，因此，可以通过计算平均 O E E来满 足生产者的要求。整个工厂的平均综合设备效率 O E E 即为单一设备 O E E的综合与设备总数的比值， 如下式所示 一O E E 嚣 ㈩ 公式中的设备时 间开动率 与性 能开动率是生 产设备监控的主要 目标监控量。在传统的机械设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设备监控 系统在高速绕线机机床 中的应用 曹严严 。等 备监控及生产管理 系统 中，一般直接从 被监控设 备直接获取数据 ，例如通过访问设备 P L C，然后对 此数据进 行统计分析等处理 例如东风 ⅡA型 自 动绕线机 ，最后将数据进行可视化展示 。目前大 多数 的生产设备监控 系统 研究均是此理念 ，并将 研究 的重点放在组 网、数据分析等方面。 上述研究方法 面临一个 困境 ，即整个 监控 系 统的有效性 必须基 于监控原始数据可从 被监控设 备提供的 I ／ O接 口获得 ，并且从该接 口所获取 的数 据可靠。 目前 在 国内，有许多较 为陈 旧的设备仍 在使用，其并不提供合适的 I ／ O接 口供第三方使 用 ；即使是 比较 新型 的设 备 ，选 配提供对 第三方 开放 lf O接口的设备也需要支付不菲的额外价格， 对使用者形成 沉重 的经 济负担。而且 ，虽 然机器 在大多数正常运行 的情况下从 I ／ O口所获取 的数据 真实有效 ，但往 往在机 器 出现 问题 ，也 就是最需 要监控系统 发挥作用 时，其 I ／ O 口的数 据也不正 确 ，因而造成监控系统失效 。 也有一部分研究者考虑到了监控系统与被监控设 备之间相互独立，确保监控数据安全可靠的重要性。 采用视频手段 是一个非常 自然的想法，但这种手段 一 来实施麻烦 ，而且所采集的视频不易转换为可直接 利用的数据，因此作为实时监控系统的实用价值不 高，而更适用于作为事后追溯原因时的证据使用。 本研究着重强调 了生产设备实 时监 控系统相 对于被监测设备的 “ 独立性” 与 “ 客观性” ，利用 外置传感器 ，采用外部 供 电，外部 数据存储 、处 理、传输来实现对 生产设 备 的监测 ，可 以克服前 面系统的不足 ，达到实 时监控生产设 备 ，并 提供 数据进行 O E E的分析。 2系统整体架构 应用服务器 ／ 、 有线／ 无线组网与数据传输 移 审 生产线 图 1 监 控系统整体架构 图 1是本文的监控系统整体架构拓扑图。该系 统通过有线／ 无线组网方式将生产线上采集 的数据 传输到服务器端，由服务器完成数据的存储、分 析。为了方便有权限的远程用户对采集 数据的访 问 ，本系统采用 了两种服务器 数据服务器 和网 络应 用服务 器 ，并 提供 了对 外、对 内数 据接 口， 使用户在局域网和广域网均可对关心的数据进行 查询访 问。这样 的运 行机制非常适用 于生产者对 总厂及分厂的运营管理。 本文的研究重点在于，开发适用于安装在生产 线设备上的传感器 系统实现对生产设备工作过程的 实时监控。整个系统采用多个传感器 ，如电流互感 器、光电计数器等。电流互感器可以测量机械设备 的通电时间，对设备的异常停机等情况进行报警； 光电计数器用于测量生产产品的数量。为了使得监 控具有足够的代表性 ，选取 了一台绕线机作为被监 控对象。绕线机的机头既可以旋转也可以平动 ，能 够完成各种复杂的工作，很难用单一的测量传感器 监测完整的绕线机工作状态。经过仔细地选择与 比 较，最终确定采 用基 于惯性 传感 器 I MU I n e r t i a l M e a s u r e m e n t U n i t ，辅 以电流互感器和光 电计数器 的数据采集模块系统对其进行监测。 数据采集模块 中 I M U子模块 的开发是本项研究 的核心工作。因此，下文对该模块单独进行阐述。 本系统的 I MU采用 北京梅泰诺智 能技术有 限 公司开发的 M I TA H R S一8 0 0微型惯性导航模块 ， 如图 2所示 。该模块可以在三维空间中测量任何载 体的全方向角度 ，输出高可靠 的姿态角和航向角。 目前该模块 的内部计算与输 出格式采用 四元数格 式，四元数格式不仅在计算时速度更快，而且可 以避免空间旋转 “ 万向节”问题。 图 2 MI TA H R S 一8 0 0微型惯性 导航模块 3 实验结果及分析 本系统通过 I MU对高 速绕线机机床上料 、转 盘送料和下料 的动作进行 加速度数据采集 ，上料 和下料用到了 3轴加速度传感器的两个不同的轴 x轴和 z轴 ，转盘送 料用 到了陀螺仪 的一个轴 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与分析监测2 0 1 2年第 1 期 z 轴 ，数据采样频率为 4 8 0 H Z ，并运用 M a t l a b 对加速度数据进行处理 。由于采集数据 的过程 中 存在干扰误差 ，故采 取五点三次平均法对其进行 平滑处理 。图 3 、图 4 、图 5分别为机 床上料 、转 盘送料和下料传感器数据的时域曲线。 磊 窖 U 冀 一 _ ． 暑 2 U 譬 。 l 卜． ． ⋯～f 一 t～ 一 I t i m e 5 嘲 鲑 t 1 m e 图 3 机床上料时域 曲线 暑 2 U 譬 图 4 机床转盘送料时域 曲线 t t m e 图5 机床下料时域 曲线 高速绕线机机床每天工作 8 h ，由电流传感器 测得实际工作时间为 7 h ，其中有故障停机 2 0 m i n ， 一 8 一 更换产品型号设备调整 4 0 m i n ，上图中的上升沿或 下降沿代表一次触发动作 ，由图可知 ，2 ． 5 s 完成 了 6次动作 ，理论加工周期为 0 ． 3 m i n ，由光 电计 数器测得生产产品数量为 1 0 1 0件 ，合格产 品数量 为 1 0 0 0件。由上述数据得 设备时间开动率 7 ／ 81 0 0 ％ 8 7 ． 5 ％ 性能开动率 0 ． 3 ／ 2 ． 5 ／ 61 0 0 ％ 7 2 ％ 合格品率 9 9 0 ／ 1 0 1 01 0 0 ％ 9 8 ． 0 2 ％ 则该机床的综合设备效率为 OEE 8 7 ． 5％ X7 2％ 9 8 ． 0 2％ 61 ． 7 5％ 针对本次实验结果分析 ，机 床的设备时 间开 动率还有待提高，可以通过按期排除机械故障和 减少产品型号设 备调整时间来调节。实验结果表 明，O E E的分析对整个机床乃至整个生产企业都 至关重要 。 4 结束语 本系统采用 I M U对高速绕线机机床运行时的 数据进行采集 ，完成 O E E的分析 、计算 ，有利 于 生产企业实时了解设 备的有效使用率 、产 品产 出 数量及合格 品数量 ，了解机床 的运行 状态 ，实现 对机械设备故障的预判。 目前该系统还处 于试验 阶段 ，且针对运 行状态复杂 的机械设备 ，在整个 生产业 中实行还需要一定时间。 参考文献 [ 1 ]巫少龙，吴国献，张元祥 ．基于 O E E的企业设备效率 分析与改善 [ J ]．机械制造，2 0 1 0 3 7 5～ 7 7 ． [ 2 ]李金热， 杨新春． 设备综合效率 O E E计算及扩展 [ J ]． 中国农机化，2 0 0 8 3 9 4～ 9 7 ． [ 3 ]傅振 ． 嵌入式远程无线视频监控系统设计与实现 [ D ]． 浙江大学 ，2 0 0 7 ． [ 4 ]罗昌贤， 杨良勇，蓝娆 ． O E E分析在结构件厂生产中的 应用 [ J ]．中国新技术新产品，2 0 1 1 1 4 1 4 9～ 1 5 0 ． [ 5 ]李嵘，张海燕 ． 捷联惯导系统中初始四元数计算 [ J ]． 自动驾驶仪与红外技术，2 0 0 7 3 2 7～3 0 ． [ 6 ]C a s p e r E b b e s e n S e h u l ．I N S a n d G P S i n t e g r a t i o n[ D]． T e c h n i c a l U n i v e r s i t y o f De n ma r k，2 0 0 6 ． [ 7 ]Mi c h a e l J e w ．D e s i g n a n d I m p l e m e n t a t i o n o f a n I n t e g r a t e d N a v i g a t i o n S y s t e m o n a n F P G A[ D]． N e w Me x i c o I n s t i t u - t e o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y，2 0 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m