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1　概述

市場上目前有刀具加工計數(shù)預測法、加裝傳感器物理監(jiān)測法等刀具監(jiān)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(guī)模統(tǒng)一管理，整體維護、監(jiān)控和升級成本高。傳統(tǒng)刀具粗放式管理的痛點如下：

（1）無法精確追溯刀具流轉，刀具壽命統(tǒng)計人工手動統(tǒng)計，費時費力；

（2）30%以上的刀具壽命都被設置為冗余而浪費；

（3）刀具磨損、崩刀等過程無監(jiān)控，質量風險大；

（4）邊緣側環(huán)境部署效率低下，大規(guī)模部署和管理難度高；

（5）機加工設備多，缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控，隨機性大；

（6）刀具異常管理為事后管理，無預測性監(jiān)控管理；

基于OpenStack的刀具監(jiān)測與壽命預測智能管理邊緣計算平臺基于OpenStack技術，以CNC機加工設備的物聯(lián)為基礎，對主軸負載數(shù)據(jù)進行采集與分析，實現(xiàn)邊緣側刀具在加工過程中的實時狀態(tài)監(jiān)測和壽命預測管理以及數(shù)據(jù)信息可視化。邊緣數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一在核心云平臺進行管理，集成了市場上約85%的不同品牌類型的CNC系統(tǒng)，可實現(xiàn)車間看板、PC端、移動端的同時在線監(jiān)控和索引。

2　方案介紹

2.1　系統(tǒng)架構

基于OpenStack的刀具監(jiān)測與壽命預測智能管理邊緣計算平臺的系統(tǒng)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(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)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、服務交付、以及應用生命周期管理能力，西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地交付至用戶生產(chǎn)環(huán)境，在用戶側（即邊緣側）為客戶提供智能制造與計算能力。系統(tǒng)架構由三層構成。

圖1 系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)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、存儲虛擬化功能；

· 智能制造應用層：西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)利用九州云Animbus邊緣計算套件，能夠快速靈活的在用戶側進行部署并提供智能制造服務。西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)是針對工業(yè)制造領域內企業(yè)在刀具使用過程中的痛點，為用戶打造的一款刀具智能管理應用，通過智能采集分析生產(chǎn)設備的實時數(shù)據(jù)，預測分析生產(chǎn)刀具壽命并實時告警，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(tǒng)；

· 九州云Animbus邊緣計算套件；

· 西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)。

（2）硬件平臺

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

· 24口千兆網(wǎng)絡交換機。

2.3　數(shù)據(jù)通信與全生命周期

· 邊緣側數(shù)據(jù)是在網(wǎng)絡邊緣側產(chǎn)生的，包括生產(chǎn)機器運行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，具有高通量、流動速度快、類型多樣、關聯(lián)性強、分析處理實時性要求高的特點。其全生命周期包含以下流程，如圖2所示。

· 數(shù)據(jù)預處理對原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過濾、清洗、聚合、質量優(yōu)化與語義分析；

圖2 數(shù)據(jù)全生命周期流程

· 數(shù)據(jù)分析

基于流式數(shù)據(jù)分析對數(shù)據(jù)即來即處理，可以快速響應事件和不斷變化的業(yè)務條件與需求，加速對數(shù)據(jù)執(zhí)行持續(xù)分析；

· 數(shù)據(jù)分發(fā)和策略執(zhí)行

基于預定義規(guī)則和數(shù)據(jù)分析結果，在本地進行策略執(zhí)行；

· 數(shù)據(jù)可視化與存儲

采用時序數(shù)據(jù)庫等技術可以大大節(jié)省存儲空間并滿足高速的讀寫操作需求。

2.4　安全措施與服務

· 邊緣計算節(jié)點安全

系統(tǒng)提供基礎的邊緣計算節(jié)點安全，端點安全、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完成漏洞與補丁的修復；

· 網(wǎng)絡安全

包含防火墻、入侵檢測和防護、DDoS防護、VPN/TLS功能；

· 邊緣側數(shù)據(jù)安全

包含邊緣側數(shù)據(jù)加密、隔離、銷毀、防篡改、隱私保護、訪問控制與防泄漏。其中邊緣側數(shù)據(jù)加密包含在數(shù)據(jù)傳輸過程中的加密以及存儲時的加密；

· 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(tǒng)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問權限；

· 身份認證管理

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

3　創(chuàng)新與優(yōu)勢

3.1　技術創(chuàng)新點

（1）邊緣側兩臺服務器同時監(jiān)測256臺機床，基于以太網(wǎng)環(huán)境下的通訊協(xié)議進行連接獲取負載數(shù)據(jù)，實現(xiàn)即插即用（15min以內），硬件資源靈活調配，硬件成本相比傳統(tǒng)的監(jiān)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(jiān)測和反饋；

（3）刀具負載趨勢自學習和規(guī)則判斷，提取加工過程特征值與刀具壽命的關系，異常判定準確度100%，刀具成本節(jié)約30%以上；

（4）業(yè)內首個可以同時集成運行市場上85%以上的不同品牌和不同類型的CNC系統(tǒng)（FANUC oi系列/30i/31i/32i等、SIEMENS、華中數(shù)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；并且可同時監(jiān)測不同類型、不同尺寸的加工刀具（車削、銑削、鉆削、拉刀等）；

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

3.2　技術優(yōu)勢

（1）基于OpenStack的開源云平臺，實現(xiàn)邊緣側工業(yè)數(shù)據(jù)的快速處理和基礎服務的快速提供；

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

（3）加工過程可視化，基于邊緣計算、平臺化部署；

（4）緊跟工業(yè)4.0潮流，多種移動端接入，微信服務號或者APP；

（5）強大的數(shù)據(jù)運算處理能力，自學習算法，實現(xiàn)圖表可視化；

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

（7）邊緣側基于連接通訊協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，中心云端儲存分析，部署時間比傳統(tǒng)刀具監(jiān)測模式提高90%以上；硬件成本比傳統(tǒng)模式節(jié)約95%以上，給用戶更好的技術體驗。

4　結語

刀具智能管理解決方案基于機聯(lián)網(wǎng)技術，基于歷史趨勢數(shù)據(jù)對刀具壽命進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(xiàn)象實時監(jiān)控與分析，刀具過程監(jiān)控曲線實現(xiàn)自學習，圖表化可視化呈現(xiàn)，準確率99%；刀具智能管理云平臺集成了強大的大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術，可以自主設置，將正常加工時間段內的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法訓練，自學習，成為一塊置信區(qū)域（即“包絡圖”）。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《自動化博覽》2018年6月刊