史紅衛(wèi)，史 慧，孫 潔，白偉光

(北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

服務(wù)于智能制造的智能檢測技術(shù)探索與應(yīng)用

史紅衛(wèi)，史 慧，孫 潔，白偉光

(北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

為了促進(jìn)工業(yè)4.0與“中國制造2025”戰(zhàn)略在制造行業(yè)的實(shí)施，在智能制造體系中構(gòu)建有效的控制層級(jí)與設(shè)備層級(jí)，促進(jìn)車間狀態(tài)數(shù)據(jù)與智能制造工藝流程的結(jié)合，文章提出了通過智能儀器與智能檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)車間狀態(tài)智能感知與工藝流程控制的方法，并探討了智能儀器與智能檢測技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中新的應(yīng)用模式，同時(shí)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)字化生產(chǎn)線改造與建設(shè)的創(chuàng)新實(shí)踐，提出了滿足智能制造要求的智能儀器與檢測技術(shù)的發(fā)展方向；經(jīng)項(xiàng)目實(shí)踐驗(yàn)證，通過智能檢測設(shè)備與智能儀器的應(yīng)用，可有效促進(jìn)智能制造系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、智能感知的實(shí)現(xiàn)，并為整體工藝流程的智能決策提供有效的數(shù)據(jù)資源，是智能制造系統(tǒng)建立與完善的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

智能制造; 智能檢測; 智能儀器

0 引言

先進(jìn)制造技術(shù)已成為各國重振制造業(yè)，占領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)先地位的法寶，也是一個(gè)國家國防力量的工業(yè)基礎(chǔ)。當(dāng)前，德國、美國、日本、英國相繼提出了振興制造業(yè)的規(guī)劃與概念，并逐步在信息化、數(shù)字化、智能化等方面推廣實(shí)施。2015年，國務(wù)院提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，積極推動(dòng)智能制造和互聯(lián)網(wǎng)+融合發(fā)展戰(zhàn)略。

由于各國的制造業(yè)基礎(chǔ)各不相同，提出的高端制造業(yè)的實(shí)現(xiàn)途徑也有所不同，美國倡導(dǎo)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”以整合全球工業(yè)資源，德國希望將傳統(tǒng)工業(yè)與信息技術(shù)深度融合以繼續(xù)保持其裝備制造業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，日本利用人工智能以解決勞動(dòng)力斷層并支持未來的工業(yè)智能化。無論是國外的實(shí)現(xiàn)思路，還是“中國制造2025”戰(zhàn)略，核心都在于制造、產(chǎn)品和服務(wù)的全面交叉滲透，通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等多種技術(shù)與機(jī)器人、智能設(shè)備等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、人和服務(wù)的互聯(lián)互通，在這個(gè)過程中，智能檢測技術(shù)是進(jìn)行設(shè)備連通、數(shù)據(jù)采集與交互的技術(shù)基礎(chǔ)，也是智能制造實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵途徑。

在具體的實(shí)施過程中，智能生產(chǎn)、智能工廠、智能物流和智能服務(wù)是智能制造的四大主題，在智能工廠的建設(shè)方案中，智能裝備是其技術(shù)基礎(chǔ)，隨著制造工藝與生產(chǎn)模式的不斷變革，必然對智能裝備中測試儀器、儀表等檢測設(shè)備的數(shù)字化、智能化提出新的需求，促進(jìn)檢測方式的根本變化。檢測數(shù)據(jù)將是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、人和服務(wù)之間互聯(lián)互通的核心基礎(chǔ)之一。智能制造對檢測設(shè)備的數(shù)字化、智能化提出新的要求，新的智能檢測技術(shù)、方法與理念必將推動(dòng)智能儀器的突破與發(fā)展。

在智能檢測技術(shù)方面，航天測控公司一直進(jìn)行研究與探索，尤其是在智能儀器方面，取得了一定的技術(shù)成果，積累了豐富的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。要全面進(jìn)入智能制造領(lǐng)域，還需要深入研究，突破支撐智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮智能儀器及檢測技術(shù)在智能制造中的支撐作用。

1 智能制造體系結(jié)構(gòu)及原理

1.1 智能制造體系介紹

智能制造是一種全新的智能能力和制造模式，核心在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能和人類智能的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中自感知、自適應(yīng)、自診斷、自決策、自修復(fù)等功能。從結(jié)構(gòu)方面，智能工廠內(nèi)部靈活可重組的網(wǎng)路制造系統(tǒng)的縱向集成，將不同層面的自動(dòng)化設(shè)備與IT系統(tǒng)集成在一起[1]。

參考德國工業(yè)4.0的思路，智能制造體系主要有三個(gè)特征：一是通過價(jià)值鏈及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間橫向的集成；二是貫穿整個(gè)價(jià)值鏈端到端工程數(shù)字化集成；三是企業(yè)內(nèi)部靈活可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化制造體系的縱向集成。本體系的核心是實(shí)現(xiàn)資源、信息、物體和人之間的互聯(lián)，產(chǎn)品要與機(jī)器互聯(lián)，機(jī)器與機(jī)器之間、機(jī)器與人之間、機(jī)器與產(chǎn)品之間互聯(lián)，依托傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。智能制造的核心是智能工廠建設(shè)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)智能設(shè)備互聯(lián)，不同設(shè)備的單機(jī)和設(shè)備互聯(lián)形成生產(chǎn)線，不同的智能生產(chǎn)線組合成智能車間，不同的智能車間組成智能工廠，不同地域、行業(yè)和企業(yè)的智能工廠的互聯(lián)形成一個(gè)制造能力無所不在的智能制造系統(tǒng)，這個(gè)制造系統(tǒng)是廣泛的系統(tǒng)，智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能車間以及智能工廠自由的動(dòng)態(tài)的組合，滿足變化的制造需求[1]。

從系統(tǒng)層級(jí)方面，完整的智能制造系統(tǒng)主要包括下圖中的5個(gè)層級(jí)，如圖1所示，包括設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。在系統(tǒng)實(shí)施過程中，目前大部分工廠主要解決了產(chǎn)品、工藝、管理的信息化問題，很少觸及制造現(xiàn)場的數(shù)字化、智能化，特別是生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備及檢測裝置等硬件的數(shù)字化交互和數(shù)據(jù)共享。智能制造可以從5個(gè)方面認(rèn)識(shí)和理解，即產(chǎn)品的智能化、裝備的智能化、生產(chǎn)的智能化、管理的智能化和服務(wù)的智能化，要求裝備、產(chǎn)品之間，裝備和人之間，以及企業(yè)、產(chǎn)品、用戶之間全流程、全方位、實(shí)時(shí)的互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)識(shí)別、及時(shí)處理和準(zhǔn)確交換的功能。其中實(shí)現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)品和人相互間的互聯(lián)互通是智能工廠的主要功能，智能設(shè)備和產(chǎn)品的互聯(lián)互通、生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)利用、信息分析系統(tǒng)建設(shè)等都將是智能工廠建設(shè)的重要基礎(chǔ)，智能儀器及新的智能檢測技術(shù)主要集中在產(chǎn)品的智能化、裝備的智能化、生產(chǎn)的智能化等方面，處在智能工廠的設(shè)備層、控制層和車間層。

圖1 智能制造系統(tǒng)層級(jí)

在智能制造系統(tǒng)中，其控制層級(jí)與設(shè)備層級(jí)涉及到大量測量儀器、數(shù)據(jù)采集等方面的需求[2]，尤其是在進(jìn)行車間內(nèi)狀態(tài)感知、智能決策的過程中，更需要實(shí)時(shí)、有效的檢測設(shè)備作為輔助，所以智能檢測技術(shù)是智能制造系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，可以為上層的車間管理、企業(yè)管理與協(xié)同層級(jí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 智能制造體系對智能檢測的需求分析

產(chǎn)品的智能化、裝備的智能化、生產(chǎn)的智能化是智能工廠的重要基礎(chǔ)，智能裝備和智能終端的普及以及各種各樣傳感器、智能儀器等各種智能硬件的使用，是智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠互通互聯(lián)的硬件基礎(chǔ)。

智能裝備是指在其基本功能之外具有數(shù)字通信和配置、優(yōu)化、診斷、維護(hù)等附加功能和裝置，一般具有感知、分析、推理、決策、控制能力，是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成和深度融合。智能工廠中用于檢測的儀器儀表應(yīng)具有智能設(shè)備的基本屬性，也是智能檢測技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

智能儀器在通常儀器的功能基礎(chǔ)上，須具有數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、處理、控制、推理、決策、傳輸和管理等多項(xiàng)功能[2]。智能儀器是計(jì)算機(jī)與測量控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微型計(jì)算機(jī)或微型處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)運(yùn)算邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能。智能儀器的出現(xiàn)擴(kuò)展了儀器的應(yīng)用范圍，也為智能制造奠定了基礎(chǔ)。

在實(shí)際的智能制造體系建設(shè)過程中，系統(tǒng)對智能檢測技術(shù)的需求主要有3個(gè)方面：一是智能制造對其中的測試儀器、監(jiān)測儀表等智能化裝備的數(shù)字化、智能化提出新的需求，檢測數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、人和服務(wù)之間互聯(lián)互通的核心要素，要求檢測儀器除了正常的測量功能外，增加采集、儲(chǔ)存、分析、處理、控制、推理、決策、傳輸和管理等多種功能，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的智能聯(lián)通。二是智能制造中的一些監(jiān)測，從原有的離線式的集中檢測轉(zhuǎn)變?yōu)榍度氲缴a(chǎn)線內(nèi)部、生產(chǎn)設(shè)備之中、不同類型的檢測終端之中，檢測系統(tǒng)與模塊需要嵌入到智能化的制造系統(tǒng)之中，這對分布式的實(shí)時(shí)的檢測技術(shù)提出了新的要求。三是作為整體的智能制造系統(tǒng)，智能化無人工廠，對生產(chǎn)系統(tǒng)的在線監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測與健康狀態(tài)等方面提出了更高的要求。這要求智能檢測技術(shù)與相關(guān)的產(chǎn)品不斷完善與改進(jìn)，以促進(jìn)智能制造體系的建設(shè)[3]。

2 技術(shù)基礎(chǔ)

在智能制造領(lǐng)域，尤其是針對智能檢測的技術(shù)研究方面，測控公司一直在結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行研究，并具有了一定的基礎(chǔ)。作為測試技術(shù)開發(fā)及測試裝備研制的專業(yè)化公司，測控公司主要從事基礎(chǔ)測試測量、軟件及信息化、通用測試與診斷三大業(yè)務(wù)方向，并陸續(xù)為我國的高速鐵路機(jī)車、國產(chǎn)大飛機(jī)等提供了數(shù)字化生產(chǎn)線改造和健康管理及預(yù)測等智能服務(wù)，特別是在智能儀器開發(fā)、工業(yè)自動(dòng)化控制、數(shù)字化生產(chǎn)線改造與建設(shè)、數(shù)字化車間管理、數(shù)字化靶場建設(shè)、故障診斷與健康狀態(tài)管理等方面形成領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，為拓展智能制造產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。

《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2015年版)》發(fā)布的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)由生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)成[3]，產(chǎn)品生命周期由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊希悄苤圃祗w系貫穿于產(chǎn)品生命周期全過程。測控公司在產(chǎn)品全壽命周期活動(dòng)過程中提供的智能產(chǎn)品和服務(wù)如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品全壽命周期活動(dòng)過程中提供的智能產(chǎn)品和服務(wù)

隨著為制造業(yè)用戶的深入服務(wù)和工程實(shí)踐，測控公司部分技術(shù)、產(chǎn)品不斷完善，在智能制造系統(tǒng)的五個(gè)層級(jí)中，產(chǎn)品逐漸涵蓋了智能生產(chǎn)設(shè)備層、控制層和車間層，主要包括智能儀器/儀表、DCS+控制器、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理與管理、工藝智能管理與控制系統(tǒng)、PHM服務(wù)平臺(tái)、IPV6測試、智能檢測機(jī)械手等。

2.1 裝備的智能化——智能設(shè)備

1)智能無線數(shù)字多用表：作為生產(chǎn)制造車間測量、測試的主要工具，基于任務(wù)的便攜式測試設(shè)備，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、發(fā)送功能，數(shù)據(jù)能自動(dòng)與調(diào)試任務(wù)對應(yīng)，替代人工填寫作業(yè)模式，提升調(diào)試數(shù)字化水平。智能無線數(shù)字多用表可輔助構(gòu)建交互式遠(yuǎn)程故障處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)試故障的實(shí)時(shí)處理與排除，實(shí)現(xiàn)外場調(diào)試和現(xiàn)場保障的遠(yuǎn)程支持，如圖3所示。

圖3 智能無線多用表應(yīng)用模式

2)機(jī)車故障跟蹤記錄儀：在軌道交通裝備的試驗(yàn)、運(yùn)行過程中，需要對其數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄與分析，為車輛狀態(tài)評估與分析提供基礎(chǔ)，本設(shè)備可對運(yùn)行機(jī)車中的電壓等被測信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并記錄故障發(fā)生情況的詳細(xì)數(shù)據(jù)，能夠記錄機(jī)車運(yùn)行全生命周期的數(shù)據(jù)，便于后期進(jìn)行詳細(xì)分析，排查故障原因，如圖4所示。

圖4 機(jī)車故障跟蹤儀

3)智能平板儀器及PXI嵌入控制器：PXI智能平板儀器憑借其獨(dú)具的便攜、智能化等產(chǎn)品優(yōu)勢，可快速、便捷的搭建各種便攜專用測試檢測平臺(tái)，并成功應(yīng)用于美國波音公司民用飛機(jī)地面振動(dòng)測試以及飛行顫振試驗(yàn)中。PXI嵌入控制器產(chǎn)品獲2015年中國自動(dòng)化領(lǐng)域十大用戶信賴產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于智能測試與控制系統(tǒng)。PXI和PXI-E兩項(xiàng)技術(shù)規(guī)范獲國家標(biāo)準(zhǔn)。

4)機(jī)器視覺與感知處理設(shè)備：通過對在制品的圖像進(jìn)行掃描式采集與分析，結(jié)合后臺(tái)知識(shí)庫對特征狀態(tài)進(jìn)行判定，從而對在制品的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，提高復(fù)雜特征檢測的效率，減少人為操作。本系統(tǒng)可以通過可見光、紅外、激光等方式進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與分析，滿足不同應(yīng)用環(huán)境、工作模式下的智能感知[4]。

5)智能檢測機(jī)械手：集成了精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)以及伺服控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，通過電路板故障診斷系統(tǒng)生成故障集，獲取PCB圖中待測點(diǎn)的相對坐標(biāo)，通過視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)待檢測電路板絕對位置坐標(biāo)的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)對電路板智能化診斷。該機(jī)械手可拓展應(yīng)用于檢測、焊接、切割、搬運(yùn)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、噴涂等工業(yè)領(lǐng)域。

2.2 生產(chǎn)的智能化——智能生產(chǎn)

1)工藝智能管理系統(tǒng)：面向大型復(fù)雜裝備的生產(chǎn)、調(diào)試、檢修等環(huán)節(jié)，構(gòu)建工藝智能管理系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、監(jiān)控、排程與優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合底層設(shè)備反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析，以工藝過程信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能決策系統(tǒng)，確保生產(chǎn)過程中工藝執(zhí)行過程的效率與質(zhì)量。

2)車間設(shè)備狀態(tài)采集系統(tǒng)：本系統(tǒng)的核心是單機(jī)智能設(shè)備的互聯(lián)，不同類型和功能的智能單機(jī)設(shè)備的互聯(lián)組成智能生產(chǎn)線，以車間工藝管理需求為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工藝執(zhí)行過程中車間設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集與事件驅(qū)動(dòng)的采集[5]，為車間工藝過程執(zhí)行與調(diào)整提供底層數(shù)據(jù)支撐。

3)集散控制系統(tǒng)(DCS)：UN2K-DCS集散控制系統(tǒng)是公司自主研制的具有先進(jìn)智能預(yù)測控制功能的全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。其充分利用當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化智能預(yù)測控制技術(shù)以及仿真技術(shù)等最新成果，廣泛應(yīng)用于化工、電力、機(jī)械等行業(yè)，適用于復(fù)雜多變的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程，特別對多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大時(shí)滯控制對象具有很好的控制效果。系統(tǒng)采用先進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)技術(shù)可有效保證系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)具備良好的開放性、可擴(kuò)展性、可伸縮性設(shè)計(jì)，幫助用戶提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，助力管理水平提升。

2.3 服務(wù)的智能化——智能服務(wù)

1)預(yù)防性維修與服務(wù)：通過對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，采用故障診斷、故障性能預(yù)測、健康狀態(tài)評估和壽命預(yù)測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控和評估。

2)交互式電子手冊：提供一套通用的交互式電子技術(shù)手冊管理、創(chuàng)編與瀏覽平臺(tái)，支持遵循GJB6600/S1000D/MIL87268標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對技術(shù)資料進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)紙質(zhì)資料的電子化，通過文字、圖形、視頻、三維等技術(shù)手段使裝備訓(xùn)練、排故、維修等業(yè)務(wù)過程更為可視化、形象化。

3)裝備健康管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)：為裝備試驗(yàn)和保障單位提供一個(gè)能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)、處理和分析的框架，從而可以更快、更準(zhǔn)、更穩(wěn)的從各類繁雜無序的海量數(shù)據(jù)中洞察裝備健康狀態(tài)。

4)訓(xùn)練服務(wù)：以可視化仿真、半實(shí)物仿真、交互式訓(xùn)練、訓(xùn)練智能管理等現(xiàn)代技術(shù)手段，構(gòu)建一體化綜合教學(xué)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。消除傳統(tǒng)訓(xùn)練過程中實(shí)物、場地、經(jīng)費(fèi)、安全性等因素的限制，便于參訓(xùn)人員快速適應(yīng)真實(shí)環(huán)境，提高訓(xùn)練效率，節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)投入。

5)智慧靶場：運(yùn)用智能感知、大數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)分析、建模仿真、態(tài)勢感知等技術(shù)手段，感測、分析、整合、優(yōu)化靶場運(yùn)行過程中的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，對部隊(duì)訓(xùn)練、裝備試驗(yàn)、軍事研究、技術(shù)保障等需求做出快速響應(yīng)，可提高靶場的運(yùn)行和管理效率，能夠?qū)崿F(xiàn)靶場范圍內(nèi)人、事、物的互聯(lián)互通，海量數(shù)據(jù)的依存分析，按需呈現(xiàn)的智能決策，試驗(yàn)計(jì)劃的自主定制，試驗(yàn)過程的虛實(shí)結(jié)合和試驗(yàn)資源的智能管控等功能。

3 基于智能檢測技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐

在智能制造實(shí)踐方面，航天測控公司基于智能檢測技術(shù)與相關(guān)的產(chǎn)品，成功地將基礎(chǔ)測試測量設(shè)備、軟件及信息化、通用測試與診斷設(shè)備等引入國家重點(diǎn)行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了軌道車輛數(shù)字化生產(chǎn)車間建設(shè)、大型客機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)字化車間控制系統(tǒng)改造。

3.1 軌道車輛數(shù)字化生產(chǎn)車間

針對我國現(xiàn)有的高速軌道車輛在生產(chǎn)裝配、試驗(yàn)調(diào)試、外場檢修等方面的需求，以工藝智能管理與控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研制了適用于鐵路機(jī)車行業(yè)的數(shù)字化車間系統(tǒng)。一方面通過對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理、圖形化配置和調(diào)試過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了對軌道車輛生產(chǎn)過程的精益管控，另一方面通過提供標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)與機(jī)車外接設(shè)備的實(shí)時(shí)通信和控制，從而實(shí)現(xiàn)高速軌道機(jī)車調(diào)試的可知、可控、可管，為項(xiàng)目管理及計(jì)劃制訂提供支持[6]。

本系統(tǒng)涵蓋軌道車輛的生產(chǎn)、調(diào)試與檢修3個(gè)典型環(huán)節(jié)，分別運(yùn)行在車輛供應(yīng)商、車輛主機(jī)廠與車輛運(yùn)營維護(hù)方，可以有效提高車輛分系統(tǒng)裝配過程的效率與質(zhì)量，并將整車調(diào)試檢測任務(wù)進(jìn)行數(shù)字化管理，結(jié)合智能設(shè)備的狀態(tài)采集，提高調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)獲取效率，確保調(diào)試質(zhì)量，同時(shí)以生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建車輛履歷信息，并應(yīng)用于車輛檢修站，實(shí)現(xiàn)檢修過程的數(shù)字化改造，提高檢修效率。

本系統(tǒng)在車輛主機(jī)廠的應(yīng)用涵蓋了生產(chǎn)、調(diào)試等工藝環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了信息化管理平臺(tái)、智能檢測儀器、便攜式儀表、數(shù)據(jù)采集儀器的綜合應(yīng)用，將智能檢測技術(shù)貫穿于車輛的調(diào)試、試驗(yàn)工藝流程中，并以自動(dòng)檢測、智能檢測的理念為基礎(chǔ)，將整車調(diào)試的時(shí)間由兩周減少至一周，并改變了車輛狀態(tài)分析與故障處理的模式，優(yōu)化了調(diào)試數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量管理方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)試工藝流程與廠內(nèi)ERP、PLM系統(tǒng)的對接，支撐整體數(shù)字化工廠的建設(shè)。

圖5 數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)與管理

3.2 大型客機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)

大型客機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)是為某大型客機(jī)生產(chǎn)單位建設(shè)的一套客戶服務(wù)支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目標(biāo)是建立基于狀態(tài)的維修(CBM)能力。本系統(tǒng)具備飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、故障診斷功能、健康預(yù)測功能、健康管理功能，將用于監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)，并對飛機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行長期的趨勢分析，從而對飛機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和管理。

3.3 數(shù)字化車間控制系統(tǒng)改造

以UN2K-DCS系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用分布式控制系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)多條塑料管生產(chǎn)線的工藝過程生產(chǎn)控制、狀態(tài)監(jiān)測，消除了原有生產(chǎn)線的信息孤島問題，實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)生產(chǎn)線的互聯(lián)化和信息化，優(yōu)化了現(xiàn)場操作的控制方式，實(shí)現(xiàn)了中控室集中監(jiān)控，提升了某聚乙烯管材車間的自動(dòng)化管理水平；可對關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)測和歷史查詢，并結(jié)合工藝條件實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，幫助用戶優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和提質(zhì)增效[7]。

4 智能檢測技術(shù)發(fā)展方向

在智能制造相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，我們需要認(rèn)真分析智能儀器及測試技術(shù)在智能制造中的地位，深入思考智能儀器及測試技術(shù)在智能工廠建設(shè)中的作用。這是推動(dòng)智能工廠建設(shè)的一項(xiàng)重要工作，需要提出智能儀器新的功能需求和測試技術(shù)發(fā)展的新方向，尋求智能儀器及測試技術(shù)在智能制造中新的應(yīng)用前景。同時(shí)開展智能儀器、智能檢測技術(shù)、PHM在智能制造中的應(yīng)用、試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)管理等核心技術(shù)的深入研究，擴(kuò)大工程應(yīng)用，積累經(jīng)驗(yàn)，提升技術(shù)支撐能力。主要發(fā)展方向包括以下幾點(diǎn)：

1)智能儀器功能設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)研究。

按照工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)體系要求，加強(qiáng)智能儀器功能設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)制定的深入研究，系統(tǒng)解決制約智能傳感器和智能儀器研發(fā)、設(shè)計(jì)、材料、工藝、檢測和產(chǎn)業(yè)化等關(guān)鍵問題，研制生產(chǎn)出能滿足智能制造和智能工廠要求的智能傳感器和智能儀器產(chǎn)品，積極推廣數(shù)字化生產(chǎn)線改造、智能單元及智能車間建設(shè)等項(xiàng)目中的應(yīng)用[5]。

微型化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化將是智能儀器的主要發(fā)展方向[8]。研制具有數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、處理、控制、推理、決策、傳輸和管理等多項(xiàng)功能于一體的智能儀器。研制體積小、功耗小、功能強(qiáng)，能夠嵌入在生產(chǎn)設(shè)備、智能生產(chǎn)線上，便于靈活配置，能夠提供面向移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用和程控操作接口，具有操作自動(dòng)化、自測試、自學(xué)習(xí)、自診斷和數(shù)據(jù)自處理、自發(fā)送等功能的智能儀器，實(shí)現(xiàn)測量過程的智能化。同時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)、鍛煉隊(duì)伍，加入到智能制造和智能工廠建設(shè)的大軍中，打造智能制造技術(shù)競爭優(yōu)勢，為中國制造2025戰(zhàn)略的實(shí)施做出貢獻(xiàn)。

2)針對離散行業(yè)進(jìn)行智能制造解決方案的研究。

離散制造行業(yè)對底層生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的智能化要求較高，其生產(chǎn)線、裝配線往往處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)、持續(xù)工作的狀態(tài)，各種設(shè)備所產(chǎn)生、采集與處理的數(shù)據(jù)量也比較大，這給智能檢測技術(shù)提出了更高的要求，不僅需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的檢測與數(shù)據(jù)采集，更需要結(jié)合完整的工藝流程和業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合與分析，為整體的智能制造系統(tǒng)提供完整的解決方案，以工藝管理信息化平臺(tái)、智能儀器、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、PHM等技術(shù)為基礎(chǔ)，不斷完善產(chǎn)品體系，為離散行業(yè)的智能制造模式提供思路與產(chǎn)品。

3)智能檢測技術(shù)方面。

將原有的離線集中式檢測逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍度氲缴a(chǎn)線內(nèi)部、分布于智能設(shè)備內(nèi)部、嵌入在生產(chǎn)線檢測終端的實(shí)時(shí)測試方式，測試數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、處理和管理。將智能測試技術(shù)與智能生產(chǎn)線的構(gòu)建相結(jié)合，通過在生產(chǎn)線中引入紅外/激光/可見光等機(jī)器視覺目標(biāo)定位測試技術(shù)、可變接口的智能測試適配技術(shù)、分布式實(shí)時(shí)測試采集技術(shù)、非接觸方式檢測技術(shù)、自動(dòng)化測試控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測試[9]。開展?jié)M足智能制造要求的支撐性測試技術(shù)研究，進(jìn)行分布式協(xié)同測試軟件開發(fā)。

4)PHM故障預(yù)測與健康狀態(tài)管理技術(shù)。

該技術(shù)是為了滿足自主保障、自主診斷的要求提出來的，是基于狀態(tài)的實(shí)時(shí)視情維修發(fā)展起來的，在智能制造系統(tǒng)中，可以結(jié)合本技術(shù)進(jìn)行裝備的狀態(tài)分析與管理，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的問題，并能夠從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度去看待智能設(shè)備、智能生產(chǎn)運(yùn)營，強(qiáng)調(diào)資產(chǎn)設(shè)備中的狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析、監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期、預(yù)測故障發(fā)生，從而大幅度提高運(yùn)行維修效率，是密集應(yīng)用大數(shù)據(jù)的智能制造系統(tǒng)維護(hù)和智能工廠建設(shè)的重要工具[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別、在線監(jiān)控、定量分析、健康狀態(tài)分析、設(shè)計(jì)工藝優(yōu)化等方面。

5)試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究。

將試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)的采集、處理、管理和應(yīng)用與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理緊密結(jié)合。在產(chǎn)品全生命周期管理中，試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)被記錄、傳輸、處理和加工，深入挖掘和分析試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)，為改善產(chǎn)品的需求分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供實(shí) 際的數(shù)據(jù)支撐，為個(gè)性化的產(chǎn)品的定制服務(wù)提供基礎(chǔ)條件。

5 總結(jié)

智能制造系統(tǒng)的實(shí)施是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，既要依賴物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)和機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，又要基于企業(yè)的實(shí)際情況。新的智能工廠建設(shè)，按照工業(yè)4.0的要求高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)；對傳統(tǒng)工廠，要根據(jù)企業(yè)實(shí)際和產(chǎn)品需求，合理規(guī)劃，分步實(shí)施，逐步改造到位。從而逐步實(shí)現(xiàn)智能單元、智能車間、智能工廠與智能制造系統(tǒng)，同時(shí)推進(jìn)數(shù)字化升級(jí)、裝備智能化升級(jí)、工藝流程優(yōu)化、精益生產(chǎn)與管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享、可視化管理、智能物流和遠(yuǎn)程診斷維護(hù)等升級(jí)改造工作，推動(dòng)企業(yè)全業(yè)務(wù)流的智能化整合與改造升級(jí)[11]。

智能工廠建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智能儀器及測試技術(shù)作為智能工廠建設(shè)中一個(gè)重要方面，需要集成智能制造其他相關(guān)方的技術(shù)、產(chǎn)品及解決方案，構(gòu)建完整的智能制造體系[12]。測控公司依托現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，將繼續(xù)深入研究智能制造關(guān)鍵技術(shù)，一方面進(jìn)行智能工廠、智能生產(chǎn)線、智能制造單元的規(guī)劃、建設(shè)與改造；另一方面以智能檢測設(shè)備、控制系統(tǒng)、PHM、試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)管理、定制化中國企業(yè)MES等為突破口，研制智能生產(chǎn)線需要的智能檢測設(shè)備和數(shù)字化管理系統(tǒng)，參與高速鐵路機(jī)車、民用大飛機(jī)、機(jī)床等重點(diǎn)制造行業(yè)的智能制造示范工程建設(shè)，積累經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造業(yè)績，為智能制造產(chǎn)業(yè)的拓展做出貢獻(xiàn)。

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Exploration and Application of Intelligent Inspection Technology Served for Intelligent Manufacturing System

Shi Hongwei, Shi Hui, Sun Jie, Bai Weiguang

(Beijing Aerospace measurement & control CORP, Beijing 100041,China)

In order to promote the implementation of the Industrial 4.0 and the “Chinese manufacture 2025” in the field of manufacturing, and establish the effective level of control and equipment in the intelligent manufacturing system. It also promotes the combination of workshop status data and the intelligent manufacturing technology flow. This article presents a method of workshop status detection and technology flow control based on intelligent instruments and intelligent inspection technology. This article also made discussion about the new application mode in the intelligent manufacturing system of intelligent instruments and intelligent inspection technology, the innovative practice has made with the actual project of digital production line transformation，and pointed out the development direction of intelligent instrument and intelligent inspection technology which can satisfy the requirement of intelligent manufacturing system. It has been verified by the actual projects that the use of intelligent instruments and intelligent inspection technology can effectively improve the process of data acquisition and intelligent status perception, it can provide the data resource for intelligent decision making in the technology process, intelligent instruments and intelligent inspection technology will be the key foundation of the intelligent manufacturing system.

intelligent manufacturing; intelligent inspection; intelligent instrument

2016-12-13；

2016-12-20。

史紅衛(wèi)(1966-)，男，研究員，主要從事通用測試與故障診斷、智能儀器與智能檢測技術(shù)、PHM、智能制造等方向的研究。

1671-4598(2017)01-0001-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.001

TP3

A