Value Engineering
1概述
随着科技的不断进步，
智能产线设备层出不穷，但在很多中小制造企业中，
老旧设备仍然承担着一定比例的生产任务。大部分企业内老旧设备相互独立，数据通信标准不统一，数据不共享，
形成一个个“信息孤岛”[1]
，无法满足智能制造的需要，同时老旧设备存在一定程度的线缆老
化、锈蚀磨损等情况，
故障多发，给企业安全生产带来潜在的安全隐患，而完全更换为数字化、
智能化新设备成本太高，企业压力太大，也是一种资源浪费，
因此企业对老旧设备进行智能化改造势在必行。
本系统基于网络化架构，
开发智能数采装置、可视化设备管理软件，
不改变原有设备功能和结构，实时采集设备运行状态和运行输出等原始数据，打通数据传输渠道，
搭建信息共享平台，在线故障诊断，实现设备数字可视化
集中管理，大幅度降低生产成本，提高生产效能。
2设备现状
通过对多家大中型企业现场调研、分析，大部分早期
建设的设备，其控制核心都是基于独立控制系统，
网络化、信息化、大数据等与智能制造相关的先进技术和管理理念
在这些老旧设备上根本用不上，
智能设备和老旧设备之间隔了一条跨时代的技术鸿沟，
所以急需对老旧设备进行智能化改造。
现有老旧设备实现互联互通主要存在以下难点：
①涉及设备厂家较多，
功能各异，标准化程度不高，要实现数据共享技术协调难度大。
②老旧设备自动化程度低，大多数设备采购使用时间
超过10年，
多采用手动或半自动控制模式，只有内部通信或外部调试功能接口，
不具备网络通信或数据互联功能。③设备接口的协议较多，如MODBUS 、CANBUS 、PROFIBUS 、RS232/485/422、GPIB 等一些通用协议和专属协议。
④大多数厂家的设备结构及其程序，
因版权原因不允许修改。
3改造思路
老旧设备智能化改造的目的是管理好设备，
合理的任务分工，提高设备利用率，
最大限度减少设备使用过程中故障、换线、停机、
空转或减速等造成的损失。结合设备的实际状况、工作原理等确定智能化改造关键点，
基于网络化和信息化的技术，
打通底层设备数据传输渠道，完成设备的智能化改造。
首先根据设备自动化程度，
将其大致分为有、无外部接口二大类，
在不改变原有设备功能和结构，充分利用设备现有条件制定具体数据采集方案，
在现有设备或产线上外挂智能数采装置或在设备软件系统里安装数据捕获软
件采集设备原始数据。——————————————————————
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作者简介：陈龙（1979-），男，湖北襄阳人，工程硕士，2009年6月毕业于西北工业大学航海学院船舶与海洋工程专业，研究方向为工业自动化，现在工作于云南昆船电子设备有限公司。
旧设备智能化改造助力智能制造业发展
Intelligent Transformation of Old Equipment Innovates the Development of Intelligent
Manufacturing Industry
陈龙CHEN Long ；刘洪平LIU Hong-ping
（云南昆船电子设备有限公司，
昆明650236）（Yunnan Kunchuan Electronic Equipment Co.，Ltd.，Kunming 650236，China ）
摘要：很多制造企业生产设备更新周期较长，
老旧设备状态良好，无法联网管理，不满足智能制造的需要。同时老旧设备存在一定程度的线缆老化、锈蚀磨损等情况，
故障多发，给企业安全生产带来潜在的安全隐患，因此对老旧设备进行智能化改造势在必行。本系统
通过在现有设备或产线上外挂智能数采装置获取设备原始数据，
不改变原有设备功能和结构，构建网络共享平台，打通设备数据传输渠道，实时在线故障诊断，
实现设备的数字可视化集中管理，节约设备升级迭代成本，大幅提升老旧设备使用率，适用于各类工业化现场，助力打造智能工厂，
促进企业健康持续发展。Abstract:Many manufacturing enterprises have long production equipment updating cycles,old equipment is in good condition,and cannot be managed online,which does not meet the needs of intelligent manufacturing.At the same time,the old equipment has a certain degree of cable aging,corrosion,wear and other conditions.The frequent failures bring potential safety hazards to the safety production of enterprises.Therefore,it is imperative to intelligentize the old equipment.The system obtains the original data of the equipment by attaching an intelligent data acquisition equipment to the existing equipment or production line,does not change the function and structure of the original equipment,builds a network sharing platform,opens up the equipment data transmission channel,real-time online fault diagnosis,realizes the digital visual centralized management of the equipment,saves the equipment upgrading iteration cost,and greatly improves the utilization rate of the old equipment.It is applicable to various industrial sites,and helps build an intelligent factory,promote the healthy and sustainable development of enterprises.
关键词：旧设备；设备改造；
智能制造；设备管理Key words:old equipment ；equipment transformation ；intelligent manufacturing ；equipment management
中图分类号:F626.112文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2023）
16-021-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.16.007·21·
价值工程
3.1无外部接口类
①无显示界面，纯手工操作。
影视资源站采集api接口数据
此类设备一般无数字信号，采用智能数采装置测量电
源电压、工作电流、状态指示、噪声、温湿度、烟雾等信号，
监测设备运行状态参数和环境参数。
②有显示界面，无对外接口。
此类设备一般内部存在数字信号，但无法外传，采用
智能数采装置对显示界面进行视频监控，捕捉有效数据图
片，通过文字识别技术提取关键数据。
3.2有外部接口类
①嵌入式系统。
因无法获取大多数厂家的源程序或接口协议，我们基
于设备使用手册，通过调试接口或者内部通信接口，采用
智能数采装置和设备建立有效通信，解析设备通信协议，
识别并获取有效数据。
②具有操作系统类。
此类设备一般具有人机交互功能，配置有串口或网口
等，但无设备管理平台，独立成系统，数据仅供显示或本地存储，不能外传，采用安装数据捕获软件进行数据采集，并将数据传输到智能数采装置，主要有以下两种方式：1）通过API接口访问实时设备应用程序数据。2）监测设备原始数据记录文件，并进行解读处理，发
送到智能数采装置。
③支持数据通信类。
此类设备提供接口协议，智能数采装置按照设备使用说明书建立数据通信，可轻松提取设备原始数据。
4改造方案
老旧设备智能化改造按照组件化建模的思想建立人机交互仿真模型，对设备管控功能需求和设备需求进行分析，确定改造方案的组成、功能、结构和接口等。改造方案采用模块化、通用化和系列化设计思想，主要由智能数采装置、可视化设备管理软件和网络化架构三部分组成，实现设备控制系统软、硬件双重升级，打通设备数据传输渠道，搭建设备信息共享平台，实现设备数字可视化集中管理。
4.1网络架构
系统基于网络化和信息化的理念，构建网络控制架构，打通设备数据传输渠道，将现场设备数据直接存储到数据服务器上，实现数据自动处理、网络查询、开放共享，并可远程访问、控制设备，完成设备的智能化基础改造，实现设备的数字可视化集中管理。系统网络控制架构见图1。
4.2数据采集
获取现场设备的原始数据是智能化改造的关键，因此数据采集是实现设备改造的核心。系统主要通过智能数采装置和数据捕获软件两种方式进行数据采集，实时监测设备运行状态和运行输出等原始数据，旨在不改变原有设备功能和结构轻松获取设备的原始数据。
4.2.1智能数采装置
智能数采装置采用嵌入式设计，由数据采集、网络通信、驱动控制、图像处理、声光报警和电源模块等组成，采用电压、电流、振动、噪声、温湿度、烟雾、图像等传感器，实时采集设备运行状态数据和运行输出数据，定时上传相关的有效数据到服务器端，系统在线诊断，故障报警，控制外部电源输入，确保设备工作状态正常。智能数采装置根据需要配置独立电源或电池，同设备进行身份绑定，将采集到的数据通过有线或无线网络上传至设备管理系统，也可以直接传输至企业现有的MES或者ERP系统。智能数采装置组成框图见图2。
智能数采装置中处理器平台（MCU模块）采用ARM+ FPGA架构[2]，协同处理复杂任务，ARM和FPGA模块各司其职，优势互补，完成多通道检测及控制。系统软件开发灵活，接口丰富，拓展方便，成本和功耗等优势明显。
4.2.2数据捕获软件
数据捕获软件根据设备系统的差异采取不同的数据捕获方式，这里以Windows系统为例，采用C++编程，通过API接口函数捕获Windows应用程序界面输入输出数据，或者直接调用设备运行原始数据记录文件里的数据，并对数据进行解析后上传至智能数采装置。
4.3故障预测及健康管理系统
现场设备的故障预测及健康管理系统采用智能传感与诊断技术，通过监测设备温度、烟雾、振动烈度、辐射噪声及工作电压等信息综合分析研判设备健康状况。其中温升、烟雾反映设备的发热状况，振动烈度反映设备的整体振动，辐射噪声反映局部运行状态，工作电压反映系统的工作状态，系统通过提取特征数据，建立系统健康管理样本数据库，为设备故障预警及诊断提供数据支撑。图3为系统故障预测及健康管理系统流程。
图1系统网络控制架构
移动端服务器PC端
以太网
设备管理系统交换机报警系统
智能数采
装置
1
智能数采
装置
2
智能数采
装置
3
智能数采
装置
4
设备1设备2设备3设备4
图2智能数采装置组成框图
智能数采装置
MCU模块
电源模块
声光报警
图像处理
控制模块
通信模块
I/O模块
采集模块电压、电流、噪声、温湿度、烟雾等信号输入
各类开关量信号输入输出
适配串口、工业总线、以太网等
控制执行机构动作
视频、图像监控信号输入
声光报警、语音播报等
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4.4可视化任务管理系统
设备管理系统采用网络化的数据管理方式，
让现场设备数据直接存储到远端数据服务器上，
实现数据自动计算处理、网络化查询、
开放共享。可以将不同年代、不同品牌的设备进行统一管理，
将单机联合形成生产线，采集每台设备生产状态和设备运行输出数据，自动进行数据统计分析，
在线诊断[3]，故障报警，并生成可视化的统计数据报表，实现数据云存储，
充分保障数据安全。管理者可在PC 、大屏、手机、
平板电脑上随时查看最新动态数据，方便科学合理安排生产计划，
从而达到最大化发挥设备生产力、降低生产成本的目标。
5应用案例
公司实验中心承担了元器件入厂复验和组部件试验
检测等工作，配套建设有众多仪器仪表、
检测设备、试验设备等50余台/套，
功能各异，工序繁多，而且时间较长，占用了大量的设备和人力资源。
本次老旧设备智能化改造将试验检测设备按照功能进行分区，按照工序进行优化，
合理分配任务，实现了试验检测任务可视化定制管理。图4
为智能数采装置实物图，
图5为移动端设备监测界面。老旧设备智能化改造后，
将设备的工作时间、工作状态和运行输出数据进行统计、
分析和报告输出，通过软件自动化方式解决手工操作和管理的问题，
大幅度精简了人员配置，提高了设备的利用率。系统经过近半年的运行和
完善，能够实现可测、
可控和可视化的管理，具有很好的借鉴性和推广性，有助于推进工厂设备的智能化改造。6结语综上所述，企业老旧设备改造是一个复杂的过程，本系统在现有设备或产线上外挂智能数采装置轻松获取设备原始数据，构建网络共享平台，打通设备数据传输渠道，不改变原有设备功能和结构，
实时在线故障诊断，实现设备的数字可视化集中管理，具有安装简单、适配性强、拓展方便、抗干扰能力强等特点，节约设备升级迭代成本，大幅提升老旧设备使用率，适用于各类工业化现场，有效解决中小制造企业发展面临的痛点，助力打造智能工厂，促进企业健康持续发展[4]。参考文献:
[1]商晓帆.电子政务信息资源整合与信息孤岛[J].现代情报，2008（06）：18-20.
[2]张淑梅.基于ARM+FPGA 的高精度数据采集系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（11）：62-65.
[3]刘振兴，
尹项根，张哲，等.基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障在线诊断方法[J].中国电机工程学报，2003（10）：148-152.
[4]丁兆威.佳能发布工业影像平台助力用户打造可视化智能工厂[J].中国公共安全，2018（08
）：182-183.
图4
智能数采装置
图5移动端设备监测界面
图3故障预测及健康管理系统流程状态监测
数据采集信号处理特征提取
时间、
频率、时频分析识别、
放大、滤波温度、振动、声音、电压等传感器故障诊断故障维修故障预警
预防维修
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