文：SLAVA PACHANDRIN，JÖRG WALTER，JULIAN BARGFREDE，NORBERT HOFFMANN，KLAUS DILGER

概述

对许多公司而言，数字化是一项相当大的技术和财务挑战。传统压铸企业很难进行数字化转型。得益于开放源代码软件和新手易用的硬件，改造数据驱动的压铸工艺过程监控并不一定需要高昂的费用，现有的专家或新手也可以胜任。

这里介绍的方法是在不伦瑞克工业大学焊接技术研究所下属的轻金属中心索尔陶（LMZS）的铝压铸厂进行的测试。重点是确保硬件和软件的资金支出保持在有限范围内，并且所使用的技术主要由现有员工安装、调试和维护。在正常运行中不需要信息技术专家的服务。

数字化的长期优势是显而易见的：对生产过程有更多了解的企业可以降低成本。利用传感技术改造系统的经验表明，专家们甚至在看到新数据的第一眼就会大吃一惊：并非一切都在按预期运行。在大多数情况下，系统数字化并不需要云、人工智能和数字孪生等完全集成的数字控制系统。对物理数据进行结构化记录已经是一个不费吹灰之力就能实现的重要步骤，并有助于显著改善工艺流程。

系统组成部分

压铸工艺过程监测需要三个主要部件：

1、 长期存储测量数据并易于分析的数据库，

2、与各种数据源和传感器的连接，

3、 可视化数据中的重要关联和事件的控制屏，可供不同用户群体使用。

这里使用的软件是免费的，可以灵活运行。在一台简单的工业计算机上安装该软件，就有机会测试该技术，这样就无需进行大规模的基础设施投资。如果有较大的IT基础设施，则可在公司服务器或通过云服务供应商使用该软件。

工艺数据长期存档数据库

在IT领域，数据管理通常是一个已经解决的问题。几十年前，SQL数据库就已奠定了重要基础，它如今仍是结构化数据存储的标准。然而，测量数据的长期记录又带来了新的挑战：新数据不断增加，而且根据传感器的数量和采样率，增加的程度相当大。针对这种应用，有专门的时间序列数据库可以优化处理这种动态数据。除了纯粹用于监测的产品外，开源解决方案“InfluxDB”和“TimescaleDB”最为著名。

“TimescaleDB”基于成熟的数据库软件“PostgreSQL”。PostgreSQL是一款成熟的开放源代码专业软件，有许多服务供应商可以提供安装和维护服务。免费使用的可能性、广泛的专业支持以及将传统的基于SQL的数据管理与优化的测量数据处理相结合，使得该软件成为这一应用的最佳选择。

数据库中的实际测量数据存储基于由“TimescaleDBu”推荐的结构。测量数据按照表1的结构存储。该表必须根据“TimescaleDB” 官方文档中的说明创建。这种简单的结构可确保高效的数据存储，不应更改。单个测量数据系列的所有信息都存储在相应的表2中。这是一个传统的SQL表，可根据需要进行定制。如果需要存储有关生产过程或所生产工件的更多数据，可以使用SQL数据库的常规设计方法进行补充。为了保持高效记录，测量数据表（见表1）必须保持不变。

在索尔陶轻金属中心（LMZS）压铸研究单元的工业标准操作中，以1至12,000赫兹的记录速率平均每秒记录约96,300个数据序列，因此，如果不对型腔压力进行八倍记录，数据库中每秒仅会生成约300个新数据序列。在一台配备英特尔酷睿i5处理器的顶级轨道计算机上，如果不使用空腔压力传感器，CPU的使用率将低于20%。该压力铸造单元的大量数据采集尤其包括压力铸造机（布勒SC53D）、模具传感器和各个外围设备单元（不包括脱模机器人、光学检测设备、打标设备和冷却槽系统）的各种温度、压力、体积流量和能耗的记录。

在一个完整的工业生产日（三班制运行，每班7.5小时，平均产能利用率为80%），这将导致数据库内存需求约为500MB（不含铸模内部压力传感器）。这样，假定每周生产6天，以及10天公共假期和12天公司假期，这个独立的数据采集系统就可以用1TB的存储介质长期完整地存储一个压力传感器6年多生产的原始数据。直接对记录的时间序列进行降采样，或用一些有意义的参数（如局部最小值、最大值、平均值、中值、模态值、积分值等）进行替代，这些选项都能进一步降低存储要求。一旦达到一定的年龄限制，采用自动例行程序减少数据量，也可以在尽可能减少信息损失的情况下大幅减少数据量。

数据合并面临的挑战

一旦建立了高效的数据存储，就必须确定如何将数据传输到数据库。从理论上讲，OPC-UA通信标准提供了一种访问机器数据的标准化方式。图1示出了压铸单元的情况示例。在实验之前，用于科研研究的压铸装备系统技术中的大部分设备都没有数字传感器和用于读取或输出数据的接口。这些都需要提前改装。很少有设备能够在工作前以数字形式记录数据，但往往只能通过较旧的通信协议提供数据。在大量现在有的工业设行中，通过OPC-UA实现的全面通信功能并不普及。即使设备已经有了OPC-UA接口，其内部存储数据的结构也存在很大差异。

因此，在实际使用中，有必要在数据源和数据库之间连接一个连接器，该连接器可以处理各种通信协议，对数据进行适当的预处理，然后将其写入数据库。作为所述测试环境的一部分而开发的软件工具就能实现这一目的。该工具使用Python编程语言编写，具有模块化结构，易于扩展，可以免费索取开源软件。连接器还有另一项任务。它必须确保时间标记正确无误。这听起来微不足道，但在实践中却是一个相当大的问题。机器要么根本没有内部时钟，要么有一个或多或少与实际时间不同步的精确时钟。此外，时区和夏令时与冬令时之间的转换往往执行不正确或不完整。不过，为了对不同来源的数据进行标准化查看，每个测量数据点都必须有一个标准化的时间基准。在给定的改造方案中，连接器必须识别并补偿这些误差。所提供的软件通过几个实际例子对此进行了演示。

数据评估和可视化

最后，需要对数据进行处理、分析，并以面向用户的可视化形式呈现给相关员工。这样才能在出现错误信息和关键流程偏差时及时对变化做出反应。为此，专门的控制屏软件非常适合。开源软件包“Grafana”是该领域最著名的解决方案之一。

外部处理的缺点是必须先导出数据，然后在处理后重新导入。内部处理的缺点是，计算会占用数据库的计算负荷，因此整个数据在控制屏上的显示可能会有延迟。

由于该数据库中收集的数据并不十分清晰，因此应将其限制在用户所需的基本数据范围内。控制屏有助于减少数据，并实现人与数字之间的接口。控制屏可以是一个简单的图形界面，也可以是一个用于管理系统的触摸屏。

为了确保清晰度和避免误解，以用户为导向的控制屏设计一般有几条规则。首先，应确定潜在用户群的任务。为工厂操作员提供的信息必须与调试人员、质量保证人员或生产或工厂管理层提供的信息不同。在大多数情况下，少即是多。例如，根据用户群的不同，可以显示许多与工艺相关的测量变量，也可以只显示加压气室的运行状态。在设计阶段，还应注意标准化设计、清晰显示和易用性。图2示出了为储能器设计的控制屏示例。工艺人员负责设置机器参数并在流程中运行。此外，他还必须尽快查明成型单元出现故障的原因，排除故障或由专业人员排除故障，并重新启动生产流程。

工艺人员可以通过设计中的文本获得有关压铸单元和所生产产品的一般信息。例如，如果该铸模在过去的铸造周期中出现过特殊情况，则可直接查看，以缩短装备和试运行过程，并将废品率降至最低。此外，还可以显示所谓的模具卡、模具典型特征说明以及维护和维修历史。在示例设计（见图2）的右侧，清楚地显示了各个系列的压铸周期编号，以及相关的周期时间、脱模剂用量和最近5个压铸周期的熔体配料量。所示出的压铸循环次数可以轻松增加。此外，熔体的温度曲线和压铸模的模温信息都以时间序列的形式提供。通过这种方式，可以直接识别偏差，并得出有关铸件缺陷的结论。由于控制屏的设计一般不针对特定的设备，因此图2所示的控制屏可被轻松集成到大多数铸造设备的任何铸造单元中，必要时还可进行调整，并在操作过程中通过选择用户组进行显示。