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1　概述

市場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如下：

（1）無法精確追溯刀具流轉，刀具壽命統計人工手動統計，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、崩刀等過程無監控，質量風險大；

（4）邊緣側環境部署效率低下，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，以CNC機加工設備的物聯為基礎，對主軸負載數據進行采集與分析，實現邊緣側刀具在加工過程中的實時狀態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行管理，集成了市場上約85%的不同品牌類型的CNC系統，可實現車間看板、PC端、移動端的同時在線監控和索引。

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生產環境，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，幫助智能制造系統實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絡、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側進行部署并提供智能制造服務。西格數據刀具智能管理系統是針對工業制造領域內企業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設備的實時數據，預測分析生產刀具壽命并實時告警，從而保護生產設備不受損壞。

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×3（Intel Xeon E52650v2，64G內存，4×3T HDD硬盤）；

· 24口千兆網絡交換機。

2.3　數據通信與全生命周期

· 邊緣側數據是在網絡邊緣側產生的，包括生產機器運行數據、環境數據以及信息系統數據等，具有高通量、流動速度快、類型多樣、關聯性強、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。

· 數據預處理對原始生產數據的過濾、清洗、聚合、質量優化與語義分析；

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即處理，可以快速響應事件和不斷變化的業務條件與需求，加速對數據執行持續分析；

· 數據分發和策略執行

基于預定義規則和數據分析結果，在本地進行策略執行；

· 數據可視化與存儲

采用時序數據庫等技術可以大大節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

· 邊緣計算節點安全

系統提供基礎的邊緣計算節點安全，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；

· 邊緣側數據安全

包含邊緣側數據加密、隔離、銷毀、防篡改、隱私保護、訪問控制與防泄漏。其中邊緣側數據加密包含在數據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管理方法。

3　創新與優勢

3.1　技術創新點

（1）邊緣側兩臺服務器同時監測256臺機床，基于以太網環境下的通訊協議進行連接獲取負載數據，實現即插即用（15min以內），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）刀具負載趨勢自學習和規則判斷，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%，刀具成本節約30%以上；

（4）業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（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）的工業智能解決方案；并且可同時監測不同類型、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業聯盟請掃二維碼臺，提供大數據分析和數據挖掘技術的PaaS平臺，與CNC控制技術的智能集成，實現負載曲線圖表化可視化。

3.2　技術優勢

（1）基于OpenStack的開源云平臺，實現邊緣側工業數據的快速處理和基礎服務的快速提供；

（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）加工過程可視化，基于邊緣計算、平臺化部署；

（4）緊跟工業4.0潮流，多種移動端接入，微信服務號或者APP；

（5）強大的數據運算處理能力，自學習算法，實現圖表可視化；

（6）基于多年的工廠實際經驗，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議獲取數據，中心云端儲存分析，部署時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，給用戶更好的技術體驗。

4　結語

刀具智能管理解決方案基于機聯網技術，基于歷史趨勢數據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、崩刃等現象實時監控與分析，刀具過程監控曲線實現自學習，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，可以自主設置，將正常加工時間段內的數據經過算法訓練，自學習，成為一塊置信區域（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。

摘自《自動化博覽》2018年6月刊