（西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安 710025）

0 引言

航天企業(yè)有著小批量、多品種、多工序，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)。因此生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程透明化且具有一定的預(yù)測(cè)調(diào)控功能，即實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)勢(shì)在必行。

隨著傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)線已經(jīng)基本可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化管理，生產(chǎn)線的信息化管理可以帶來(lái)生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)的形成正好為智能化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，所以實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)不是一紙空談。但是，怎樣規(guī)劃好Control層系統(tǒng)才能有利于將來(lái)智能化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)值得探討。

1 智能化生產(chǎn)的預(yù)備階段—數(shù)字化企業(yè)與大數(shù)據(jù)

在推進(jìn)智能化生產(chǎn)之前，首先需要對(duì)設(shè)備、車間、工廠進(jìn)行全面的數(shù)字化改造，即要形成一個(gè)數(shù)字化企業(yè)。數(shù)字化企業(yè)可以分為三個(gè)層次：ERP企業(yè)資源規(guī)劃管理層、MES制造執(zhí)行系統(tǒng)管理層、Control設(shè)備控制層，各層之間保持實(shí)時(shí)通信。

在數(shù)字化企業(yè)中，Control層的數(shù)字化和自動(dòng)化可以將各種傳感器、執(zhí)行器和設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和其他生產(chǎn)信息通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上傳給MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)則可以將生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)集成起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以圖表形式加以可視化，并可上傳給ERP系統(tǒng)，各級(jí)管理層人員就可以實(shí)時(shí)感知到遠(yuǎn)程設(shè)備的異動(dòng)及人機(jī)料法環(huán)等諸要素的實(shí)時(shí)真實(shí)狀態(tài)，直觀了解到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的全部信息，如設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)、在制任務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、生產(chǎn)環(huán)境、故障異常等信息。在這些信息基礎(chǔ)上，工藝人員可以開展質(zhì)量跟蹤和工藝改進(jìn)工作，設(shè)備管理人員可以做出合理的維修計(jì)劃，生產(chǎn)管理人員可以統(tǒng)計(jì)當(dāng)日的設(shè)備狀況、產(chǎn)品合格率、生產(chǎn)負(fù)荷等數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，管理人員可以及時(shí)采取相應(yīng)措施，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。

數(shù)字化企業(yè)不但可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理透明化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、上報(bào)問(wèn)題和處理問(wèn)題，還可以將生產(chǎn)過(guò)程中ERP/MES/Control層產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)累積起來(lái)形成工業(yè)大數(shù)據(jù)。企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)大數(shù)據(jù)包括人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品評(píng)論等，機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如由傳感器、儀器儀表和智能終端等采集到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是生產(chǎn)過(guò)程智能化研究必不可少的資源。

2 數(shù)字化向智能化邁進(jìn)的工具—大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)將促進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，可能會(huì)改變數(shù)據(jù)世界里的很多算法和基礎(chǔ)理論，如近年來(lái)的人工智能算法突飛猛進(jìn)，典型的案例有“阿爾法狗”、無(wú)人駕駛。

傳統(tǒng)的決策思維都是基于對(duì)場(chǎng)景的精準(zhǔn)建模和精妙算法，所以對(duì)那些復(fù)雜的、不確定性的問(wèn)題束手無(wú)策；而數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)可以不用費(fèi)盡心思地根據(jù)機(jī)理去建模，而可以在不完全了解具體因果關(guān)系的情況下分析出接近事實(shí)的問(wèn)題結(jié)論。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以建立指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，通過(guò)易測(cè)的過(guò)程量去推斷難測(cè)的過(guò)程量，從而解決制造過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性等問(wèn)題，盡量克服人工決策的缺點(diǎn)，提升產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的可控性，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。譬如基于布帶浸膠生產(chǎn)過(guò)程歷史大數(shù)據(jù)，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的“關(guān)聯(lián)”分析，發(fā)現(xiàn)隱藏其間的關(guān)系，挖掘膠帶性能監(jiān)測(cè)儀與人工分析數(shù)據(jù)之間的影響規(guī)律，建立“膠帶性能指標(biāo)預(yù)測(cè)模型”，然后用“膠帶性能指標(biāo)預(yù)測(cè)模型”去預(yù)測(cè)當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中的膠帶性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)膠帶性能指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)功能；在實(shí)現(xiàn)膠帶性能指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)功能的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘分析工作，還將有望細(xì)化浸膠過(guò)程工藝參數(shù)并加以“調(diào)控”，從而實(shí)現(xiàn)膠帶性能指標(biāo)的智能控制。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還有一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是很早就能有一定的預(yù)見(jiàn)性，這樣就可以將可能發(fā)生的問(wèn)題杜絕在源頭上。因此，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還可應(yīng)用于質(zhì)量控制、設(shè)備故障預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的大數(shù)據(jù)分析，可以研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的趨勢(shì)管理，在沒(méi)有發(fā)生問(wèn)題時(shí)就能夠提前預(yù)警和糾偏，盡量避免不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)；通過(guò)對(duì)設(shè)備全生命周期的數(shù)據(jù)及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等信息的分析，可以預(yù)測(cè)關(guān)鍵部件的壽命，進(jìn)而可以對(duì)備品備件庫(kù)存進(jìn)行智能調(diào)整，盡量達(dá)到零庫(kù)存的目標(biāo)，但也不影響正常生產(chǎn)。

大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)可應(yīng)用于企業(yè)的各個(gè)部門、各個(gè)領(lǐng)域。

3 智能化生產(chǎn)的無(wú)障礙運(yùn)行條件——設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)

智能化生產(chǎn)過(guò)程很大程度上需要設(shè)備無(wú)障礙運(yùn)行，以達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程高效化，產(chǎn)品性能優(yōu)質(zhì)化的目標(biāo)。而傳統(tǒng)的定期檢修易造成 “過(guò)度維修”與“維修不及時(shí)”的現(xiàn)象，事后維修不但會(huì)延誤生產(chǎn)計(jì)劃，而且一旦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生設(shè)備故障，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性也會(huì)受到一定影響，所以傳統(tǒng)的定期檢修和事后維修不適合智能化生產(chǎn)的要求。

當(dāng)今的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)已經(jīng)完全有能力隨時(shí)掌握設(shè)備的健康狀況，人們可以根據(jù)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、環(huán)境溫濕度及電網(wǎng)參數(shù)等信息，以及過(guò)往的設(shè)備使用記錄、故障信息、維修記錄、零部件供應(yīng)商、設(shè)備廠家、設(shè)備關(guān)鍵部件加工工藝等信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)設(shè)備全生命周期的統(tǒng)計(jì)分析，建立關(guān)鍵部件故障預(yù)警模型，采用性能衰退分析和預(yù)測(cè)分析方法，針對(duì)當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)及后果，提出相應(yīng)的處理措施，使設(shè)備達(dá)到近乎零故障的目標(biāo)，最大限度地避免非計(jì)劃性停機(jī)。

4 生產(chǎn)大數(shù)據(jù)形成的樞紐——MES系統(tǒng)功能研究

MES系統(tǒng)介于ERP層和Control層之間，是生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)形成的樞紐，是集工藝技術(shù)、生產(chǎn)班組、物料管理、設(shè)備管理、工序檢驗(yàn)、質(zhì)量管理、綜合統(tǒng)計(jì)等生產(chǎn)管理于一體的統(tǒng)一平臺(tái)。

MES系統(tǒng)可以消除數(shù)據(jù)的重復(fù)性錄入環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享；同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令的下達(dá)、生產(chǎn)過(guò)程信息采集、生產(chǎn)過(guò)程狀況的匯總和上報(bào)，這些信息可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與車間Control層、車間各部門、所（廠）級(jí)ERP層進(jìn)行通信。MES系統(tǒng)可包括以下功能模塊：

1）系統(tǒng)管理：具有帳戶與權(quán)限管理、系統(tǒng)測(cè)試、參數(shù)配置等功能。

2）制造資源管理：建立人員臺(tái)賬、人員工時(shí)（績(jī)效）臺(tái)賬、原材料信息臺(tái)帳、產(chǎn)品信息臺(tái)帳、工裝模具臺(tái)帳、夾具臺(tái)賬、設(shè)備臺(tái)帳、儀器儀表臺(tái)賬等。制造資源管理模塊可以實(shí)現(xiàn)生命周期監(jiān)控，盡量達(dá)到制造資源零庫(kù)存的目標(biāo)，以提高單位資金流的運(yùn)轉(zhuǎn)。本模塊主要具有以下功能：

（1）庫(kù)存物質(zhì)的檢索，可查詢當(dāng)前庫(kù)存情況及歷史記錄；

（2）提供庫(kù)房零部件的出入庫(kù)操作；

（3）原材料、刀具和工裝等庫(kù)存量不足時(shí)，MES系統(tǒng)能夠自動(dòng)預(yù)警；

（4）工裝模具、儀器儀表等需要周檢時(shí)，MES系統(tǒng)能夠自動(dòng)預(yù)警。

本模塊中儀器儀表的周檢信息可來(lái)源于Control層。

當(dāng)系統(tǒng)累積到一定數(shù)據(jù)量后，可以根據(jù)任務(wù)計(jì)劃、在制狀況、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用記錄、產(chǎn)品使用的原材料、產(chǎn)品使用的工裝模具等歷史信息建模，然后結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況實(shí)現(xiàn)庫(kù)存的智能化預(yù)警。

3）設(shè)備管理：具有設(shè)備周檢、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備維修動(dòng)態(tài)反映、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（設(shè)備專業(yè)點(diǎn)檢）、儀表運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)（包括環(huán)境溫濕度、儀器儀表周檢信息及電網(wǎng)參數(shù)）等功能，還具有過(guò)往故障、維修記錄、設(shè)備廠家、零部件供應(yīng)商、關(guān)鍵部件加工工藝等設(shè)備全生命周期的信息查詢功能。本模塊還具有設(shè)備維修備品備件臺(tái)賬的管理功能。

本模塊中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境等監(jiān)測(cè)信息來(lái)源于Control層，可以為設(shè)備管理人員開展預(yù)知性維修工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)累積到一定數(shù)據(jù)量后，可以開展設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)工作。

4）工藝文檔管理：可自由定義工藝模板，形成規(guī)范和非規(guī)范工藝庫(kù)，自動(dòng)生成工藝卡片，并可下發(fā)給生產(chǎn)班組。本模塊具有歸檔功能，歸檔后的工藝文件不可更改。

5）計(jì)劃調(diào)度管理：可根據(jù)工藝文件狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、原材料庫(kù)存狀態(tài)、工裝模具狀況、在制任務(wù)等狀況及ERP周計(jì)劃，自動(dòng)生成生產(chǎn)任務(wù)單并下發(fā)給各生產(chǎn)班組，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備使用、派工狀態(tài)、完工信息等管理。

6）生產(chǎn)班組作業(yè)：可確認(rèn)生產(chǎn)任務(wù)單，產(chǎn)品完工后可確認(rèn)生產(chǎn)任務(wù)完工狀況，并可自動(dòng)匯總或補(bǔ)錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

7）生產(chǎn)監(jiān)控管理：實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度、物料管理、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等多維度生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間報(bào)警信息的管理，包括設(shè)備報(bào)警（如通訊中斷、設(shè)備超差等）、生產(chǎn)過(guò)程報(bào)警（如工藝超溫、工藝超壓等）、庫(kù)存預(yù)警、計(jì)量預(yù)警、人員缺勤、質(zhì)量及其他原因的報(bào)警信息，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、匯報(bào)問(wèn)題并處理問(wèn)題的目標(biāo)。生產(chǎn)監(jiān)控管理可通過(guò)看板實(shí)時(shí)顯示。

本模塊中的設(shè)備報(bào)警、生產(chǎn)過(guò)程報(bào)警信息來(lái)源于Control層。

8）質(zhì)量過(guò)程管控：具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)過(guò)程中使用的原材料信息及工裝模具信息、生產(chǎn)環(huán)境信息（包括環(huán)境溫濕度、電網(wǎng)參數(shù)、儀器儀表周檢等）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、工序檢驗(yàn)信息、產(chǎn)品出廠信息、產(chǎn)品使用過(guò)程信息等在內(nèi)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)查詢功能，能夠統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品的合格率和不合格率。本模塊具有質(zhì)量數(shù)據(jù)歸檔功能，歸檔后的數(shù)據(jù)不可更改。

（1）本模塊可以根據(jù)原材料信息、工裝模具信息、產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程工藝數(shù)據(jù)、工序狀況等信息，對(duì)出廠產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量性能預(yù)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)。

（2）本模塊具有不良產(chǎn)品的追溯管理功能：

①可以及時(shí)處理不良產(chǎn)品的維修和改進(jìn)，并為質(zhì)量改進(jìn)提供量化指標(biāo)，以減少不良產(chǎn)品率；

②可以準(zhǔn)確召回不良批次的產(chǎn)品，提高服務(wù)質(zhì)量，以減少召回成本；

③可以準(zhǔn)確追溯不合格品的供應(yīng)商，以減少不必要的損失。

本模塊中的實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等均來(lái)源于Control層，產(chǎn)品使用的原材料信息和工裝模具信息等也可以來(lái)源于Control層。

當(dāng)系統(tǒng)累積到一定數(shù)據(jù)量后，可以研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在制品流轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量性能的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，提升在線質(zhì)量檢測(cè)能力，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并盡早預(yù)警和糾偏，以穩(wěn)定并提升產(chǎn)品合格率。

9）綜合查詢：可按月查詢周計(jì)劃信息、生產(chǎn)任務(wù)單信息、產(chǎn)品信息、設(shè)備狀態(tài)信息、工藝流程信息、工藝卡片信息、實(shí)際生產(chǎn)工藝信息、耗能信息、生產(chǎn)環(huán)境信息等。

本模塊中的實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、耗能信息、生產(chǎn)環(huán)境信息等均來(lái)源于Control層，部分產(chǎn)品信息也可以來(lái)源于Control層。

10）統(tǒng)計(jì)報(bào)表：可按月自動(dòng)統(tǒng)計(jì)設(shè)備狀態(tài)信息、產(chǎn)品臺(tái)帳、產(chǎn)品質(zhì)量、車間產(chǎn)量、車間耗能、產(chǎn)品合格率、設(shè)備利用率、日產(chǎn)出量、生產(chǎn)周期等月報(bào)。

本模塊中耗能信息來(lái)源于Control層。

當(dāng)系統(tǒng)累積到一定數(shù)據(jù)量后，基于產(chǎn)量和電耗大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，然后預(yù)先設(shè)定理想電耗曲線，就可以合理安排每天的生產(chǎn)負(fù)荷，達(dá)到節(jié)電的目的。

5 面向智能化生產(chǎn)的Control層規(guī)劃研究

5.1 Control層控制系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介

5.1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的控制器，通常不與網(wǎng)絡(luò)連接，操作者在控制面板上操作。

智能數(shù)控系統(tǒng)不僅可用于控制運(yùn)動(dòng)軌跡，還可作為工廠網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與MES、CAD/CAM等系統(tǒng)連接，操作者可通過(guò)人機(jī)界面終端對(duì)機(jī)床進(jìn)行操作。智能數(shù)控系統(tǒng)多內(nèi)置MTConnect機(jī)床通信協(xié)議，MTConnect協(xié)議與OPC UA協(xié)議兼容。智能數(shù)控系統(tǒng)的代表有德馬吉推出的CELOS、馬扎克推出的Smooth X、沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)推出的i5。

百度搜索“CELOS”，可以了解到CELOS是新型高科技機(jī)床的統(tǒng)一用戶界面，通過(guò)CELOS應(yīng)用程序菜單，操作人員就象使用智能手機(jī)一樣直接訪問(wèn)應(yīng)用程序，還能簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化機(jī)床的操作。CELOS目前具有的主要功能介紹如下：

1）服務(wù)代理：通過(guò)智能化的機(jī)床維護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)床的可用性。

（1）簡(jiǎn)要顯示機(jī)床的所有維護(hù)任務(wù)；

（2）預(yù)報(bào)需進(jìn)行的所有維護(hù)和維修任務(wù)；

（3）顯示所有必要的備件和設(shè)備；

（4）為維修工作提供支持。

2）刀具管理：為下個(gè)加工任務(wù)比較刀庫(kù)中刀具的目標(biāo)值與實(shí)際值，縮短刀具準(zhǔn)備時(shí)間。

（1）直觀和簡(jiǎn)要顯示數(shù)控系統(tǒng)中保存的所有刀具；

（2）顯示加工任務(wù)所需的全部刀具，能自動(dòng)生成裝刀列表；

（3）自動(dòng)檢測(cè)后續(xù)任務(wù)中不需要的刀具，能自動(dòng)生成卸刀列表。

3）任務(wù)規(guī)劃器：安排所有機(jī)床的生產(chǎn)計(jì)劃。

（1）記錄、管理和安排生產(chǎn)中的每一項(xiàng)任務(wù)；

（2）為機(jī)床分配和傳輸任務(wù)；

（3）簡(jiǎn)要顯示全部機(jī)床完整的任務(wù)單狀態(tài)。

4）在線顯示系統(tǒng)：能夠隨時(shí)了解生產(chǎn)狀態(tài)。

（1）顯示所有聯(lián)網(wǎng)機(jī)床的實(shí)時(shí)狀態(tài)；

（2）詳細(xì)顯示每臺(tái)機(jī)床信息，包括機(jī)床歷史信息；

（3）評(píng)估機(jī)床工作時(shí)間、停機(jī)時(shí)間與故障時(shí)間。

百度“沈陽(yáng)機(jī)床i5”可以了解到i5系統(tǒng)可根據(jù)圖紙實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程、自動(dòng)選擇刀具、自動(dòng)選擇工藝、自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品。并可用手機(jī)和平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控車間各臺(tái)機(jī)床的生產(chǎn)情況，從而對(duì)該數(shù)控機(jī)床會(huì)出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行分析、診斷和實(shí)時(shí)掌控。

智能數(shù)控系統(tǒng)是適應(yīng)智能制造發(fā)展要求的產(chǎn)物，普通的數(shù)控系統(tǒng)可以參照智能數(shù)控系統(tǒng)的功能，按需自行開發(fā)帶有OPC UA接口的機(jī)床監(jiān)控管理系統(tǒng)，以適應(yīng)智能化生產(chǎn)的要求。

5.1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)多采用PID控制，可以通過(guò)儀表、PLC、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，新的控制理論和控制方法層出不窮，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。以大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化能夠把海量的工業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息、信息轉(zhuǎn)化為知識(shí)、知識(shí)轉(zhuǎn)化為科學(xué)決策，并能夠在正確的時(shí)間把正確的數(shù)據(jù)以正確的方式傳遞給正確的人和機(jī)器，從而解決那些不確定的復(fù)雜問(wèn)題，而不再糾結(jié)于復(fù)雜的、無(wú)望的“基于機(jī)理的精準(zhǔn)建?！?。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以應(yīng)用于各行各業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)然也可應(yīng)用于設(shè)備層的過(guò)程控制系統(tǒng)，以解決那些PID控制器無(wú)法解決的控制問(wèn)題。

5.2 Control層規(guī)劃研究

基于本文介紹的數(shù)字化企業(yè)、大數(shù)據(jù)、智能化生產(chǎn)、設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展背景及對(duì)MES系統(tǒng)功能的研究，Control層規(guī)劃方案時(shí)應(yīng)該考慮以下兩個(gè)要素：

1）Control層的規(guī)劃方案應(yīng)該考慮MES系統(tǒng)對(duì)Control層的需求，以利于將來(lái)Control層能夠直接與MES層實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。譬如Control層應(yīng)該考慮MES層需要的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、耗能、部分生產(chǎn)管理信息（如原材料信息、產(chǎn)品信息、工裝模具信息、儀器儀表計(jì)量信息）等；Control層應(yīng)具有與MES層對(duì)接的通信接口，如OPC UA、MTConnect接口等。

2）Control層的規(guī)劃方案還應(yīng)該考慮生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)的建設(shè)，以利于日后工藝優(yōu)化、設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)、質(zhì)量管控、生產(chǎn)管理優(yōu)化等研發(fā)工作的開展，為智能化生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。譬如Control層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該采集除當(dāng)前工藝參數(shù)以外的所有可能影響產(chǎn)品質(zhì)量的其他參數(shù)；應(yīng)該采集如電網(wǎng)電壓變化、電網(wǎng)頻率變化等與設(shè)備故障有關(guān)的相關(guān)參數(shù)；應(yīng)該采集耗電量等與生產(chǎn)管理相關(guān)的參數(shù)。

5.2.1 Control層硬件結(jié)構(gòu)方案研究

Control層在選用軟硬件時(shí)，均要考慮將來(lái)（廠）所局域網(wǎng)的架構(gòu)，以便日后能順利地將Control層融入MES系統(tǒng)中。所局域網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 所級(jí)局域網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)圖

MES層與Control層之間的信息必須能夠自由流動(dòng)，因此需要在它們之間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，如MES層與Control層之間可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換信息，監(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層之間可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線交換信息。

過(guò)程控制設(shè)備群與數(shù)控機(jī)床設(shè)備群的上位機(jī)最好分開，運(yùn)行不同的監(jiān)控管理軟件。每個(gè)設(shè)備群上位機(jī)可配置成2臺(tái)工控級(jí)服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器均可獨(dú)立運(yùn)行設(shè)備群監(jiān)控管理軟件，可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)服務(wù)器同時(shí)監(jiān)控，也可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)服務(wù)器監(jiān)控，但當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，另一臺(tái)服務(wù)器可自行切換過(guò)來(lái)運(yùn)行，這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙備份，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Control層可由儀表或PLC采集生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、真空度、耗能、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等工藝參數(shù)以及振動(dòng)等設(shè)備點(diǎn)檢參數(shù)和生產(chǎn)環(huán)境等信息。

對(duì)于一個(gè)車間來(lái)說(shuō)，Control層可以考慮以下內(nèi)容及功能：

1）統(tǒng)一配置車間設(shè)備儀表型號(hào)，儀表均配備485或以太網(wǎng)通訊接口，以利于Control層的穩(wěn)定性和后期的儀表維修維護(hù)工作。

2）上位機(jī)監(jiān)測(cè)每臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)耗能信息，為日后MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)和生產(chǎn)管理優(yōu)化提供能耗數(shù)據(jù)源。

3）上位機(jī)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度信息，以利于MES層的產(chǎn)品質(zhì)量分析和日后工藝優(yōu)化、設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)研究工作的開展。

4）上位機(jī)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓、頻率、功率等參數(shù)（電網(wǎng)參數(shù)可來(lái)源于配電系統(tǒng)），且設(shè)備啟停機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率要高，以利于日后設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化工作的開展。

5）上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)、位移、噪聲、溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、電流和電壓等數(shù)據(jù)，且設(shè)備啟停機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率要高，以實(shí)現(xiàn)MES層遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的功能，以利于設(shè)備管理人員開展預(yù)知性維修工作，盡量將設(shè)備故障抑制在萌芽狀態(tài)。設(shè)備點(diǎn)檢項(xiàng)項(xiàng)目應(yīng)完整，以利于日后設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)研發(fā)工作的開展。

6）在智能儀表的選用上，選用某些特殊寄存器具有可讀功能的儀表，如儀表的“運(yùn)行”、“暫?！薄ⅰ巴Ｖ埂?、“自動(dòng)工作方式”、“手動(dòng)工作方式”、“輸出百分比”、“設(shè)定值”、“P”、“I”、“D”、“輸出功率限幅值”等寄存器必須可讀，以便于MES系統(tǒng)能夠掌握現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作狀態(tài)，從而間接地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是否存在人工干擾因素和人工干擾內(nèi)容。

7）在智能儀表的選用上，選用某些特殊寄存器在運(yùn)行狀態(tài)下具有可寫功能的儀表，如在運(yùn)行狀態(tài)下，未執(zhí)行的程序段可臨時(shí)修改或?qū)懭胄碌臄?shù)據(jù)，以便在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題時(shí)可臨時(shí)修改或?qū)懭胄碌目刂瞥绦颍缦鹉z封頭生產(chǎn)時(shí)合模時(shí)間不定，一旦需要延長(zhǎng)合模時(shí)間時(shí)就可以臨時(shí)修改儀表控制程序。

8）過(guò)程控制系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)運(yùn)行在上位機(jī)上的監(jiān)控軟件對(duì)過(guò)程設(shè)備群進(jìn)行工藝程序下傳、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境溫濕度信息采集、耗能量的采集，并隨時(shí)監(jiān)控控制儀表的工作狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；另外部分生產(chǎn)管理信息可人工輸入。

9）機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可采用智能數(shù)控系統(tǒng)，或自行開發(fā)帶有OPC UA通信接口的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控設(shè)備群加工程序的上傳下傳功能、加工運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)顯示、加工狀況顯示、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)控系統(tǒng)故障診斷、加工過(guò)程仿真等功能。

5.2.2 Control層上位機(jī)監(jiān)控軟件功能方案研究

Control層上位機(jī)監(jiān)控軟件的通信接口應(yīng)能與將來(lái)的MES系統(tǒng)有效結(jié)合（如應(yīng)具有OPC UA接口），而MES系統(tǒng)又必須能夠支持所級(jí)ERP系統(tǒng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)所內(nèi)同時(shí)有多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享Control層的生產(chǎn)過(guò)程信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)督和生產(chǎn)信息的查詢統(tǒng)計(jì)。（廠）所級(jí)局域網(wǎng)軟件功能如圖2所示。

圖2 所級(jí)局域網(wǎng)軟件功能圖

5.2.3 過(guò)程控制設(shè)備群上位機(jī)監(jiān)控軟件功能方案

Control層過(guò)程控制設(shè)備群監(jiān)控軟件可包括以下七個(gè)功能模塊：

1）系統(tǒng)管理：提供系統(tǒng)操作日志、系統(tǒng)通訊測(cè)試、帳戶及權(quán)限管理等功能。

2）生產(chǎn)工藝管理：根據(jù)需要分為常規(guī)工藝庫(kù)和非常規(guī)工藝庫(kù)，工藝文件按日期排序，方便用戶查詢。本模塊可以在上位機(jī)上設(shè)置工藝數(shù)據(jù)（如目標(biāo)溫度、升降溫速率、保溫時(shí)間等）及控制參數(shù)（如控制調(diào)節(jié)參數(shù)、報(bào)警設(shè)置、輸出功率限輻等），并可以對(duì)工藝數(shù)據(jù)和控制參數(shù)進(jìn)行編輯保存；編輯保存后，計(jì)算機(jī)可以顯示工藝設(shè)定曲線，還可以將編制好的工藝數(shù)據(jù)及控制參數(shù)下傳到指定設(shè)備的指定儀表中。

3）系統(tǒng)總覽：在同一個(gè)界面中直觀地反映系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的主要生產(chǎn)狀態(tài)信息，如當(dāng)前各區(qū)控制溫度、壓力、工藝運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警等信息。

4）生產(chǎn)執(zhí)行組態(tài)：針對(duì)某一指定的單臺(tái)設(shè)備，集中顯示生產(chǎn)過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控的參數(shù)和圖表，如能夠顯示生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表運(yùn)行狀態(tài)和耗能等信息。

5）生產(chǎn)信息管理：針對(duì)某一指定的單臺(tái)設(shè)備，可以隨時(shí)查詢或打印歷史工藝數(shù)據(jù)和曲線，還可以查看部分生產(chǎn)信息，如產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品數(shù)量、原材料信息、工裝模具信息、生產(chǎn)起始與結(jié)束時(shí)間、操作人員信息等。

6）報(bào)警顯示管理：針對(duì)某一指定的單臺(tái)設(shè)備，具有通訊中斷、設(shè)備超溫、設(shè)備超壓、工藝超溫、工藝超壓等報(bào)警信息。報(bào)警信息可以文字、模擬指示燈、語(yǔ)音等形式示警。報(bào)警信息可隨時(shí)保存，還可以上傳給MES層以滿足生產(chǎn)監(jiān)控管理模塊的需求。

7）生產(chǎn)過(guò)程管控：針對(duì)某一指定的單臺(tái)設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的同時(shí)，還可提供以下生產(chǎn)過(guò)程信息：

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)：此部分通過(guò)采集PLC或儀表信號(hào)，顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境等信息，如工作臺(tái)是否運(yùn)行到位、爐門是否關(guān)好以及旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)信號(hào)、電機(jī)工作電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、加熱體工作電流、電網(wǎng)頻率值、電網(wǎng)電壓值等信息。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息可按需上傳給MES層以滿足設(shè)備管理、質(zhì)量過(guò)程管控等模塊的需求。

（2）生產(chǎn)工藝調(diào)用：在此可輸入工件名稱、工件圖號(hào)、生產(chǎn)編號(hào)等；可輸入日期、班次、操作者、工藝編號(hào)、原材料編號(hào)、工藝溫度、工藝壓力、工藝時(shí)間及控制調(diào)節(jié)參數(shù)等。生產(chǎn)工藝調(diào)用信息可按需上傳給MES層以滿足制造資源管理模塊、質(zhì)量過(guò)程管控模塊的需求。

（3）工藝運(yùn)行參數(shù)顯示：顯示儀表是處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、手動(dòng)控制狀態(tài)、暫停狀態(tài)還是停止?fàn)顟B(tài)以及輸出百分比數(shù)據(jù)；顯示當(dāng)前運(yùn)行段號(hào)、升降溫速率、目標(biāo)溫度、保溫時(shí)間等；顯示初始設(shè)置的設(shè)定值、PID參數(shù)、輸出功率限幅值和當(dāng)前對(duì)應(yīng)的設(shè)定值、PID參數(shù)、輸出功率限幅值；顯示各區(qū)的設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、溫度偏差值、本段剩余時(shí)間、程序開始日期、程序開始時(shí)間、程序結(jié)束日期、程序結(jié)束時(shí)間等信息。工藝運(yùn)行參數(shù)可按需上傳給MES層以滿足質(zhì)量過(guò)程管控、綜合查詢、設(shè)備管理等模塊的需求。

（4）工藝過(guò)程控制：操作員可根據(jù)工藝要求進(jìn)行執(zhí)行、暫停、恢復(fù)、跳步、結(jié)束等操作，在運(yùn)行過(guò)程中，用戶可以通過(guò)授權(quán)修改還沒(méi)有走過(guò)的工藝參數(shù)。工藝控制信息可按需上傳給MES層以滿足質(zhì)量過(guò)程管控、設(shè)備管理等模塊的需求。

（5）生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)管理：盡可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可手工錄入生產(chǎn)數(shù)據(jù)。本模塊可用不同顏色顯示設(shè)定曲線、實(shí)時(shí)采集曲線，曲線具有放大、縮小、打印等功能，還可以顯示、打印實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)可上傳給MES層以滿足質(zhì)量過(guò)程管控、設(shè)備管理等模塊的需求。

（6）耗能及生產(chǎn)環(huán)境管理：顯示每次生產(chǎn)過(guò)程的耗能，如耗電量、耗水量、耗氣量等；顯示環(huán)境溫濕度、電網(wǎng)參數(shù)、儀器儀表周檢等生產(chǎn)環(huán)境信息。耗能及生產(chǎn)環(huán)境信息可按需上傳給MES層以滿足制造資源管理、設(shè)備管理、質(zhì)量過(guò)程管控、綜合查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等模塊的需求。

5.2.4 數(shù)控機(jī)床設(shè)備群上位機(jī)監(jiān)控軟件功能方案（不包括智能數(shù)控機(jī)床）

數(shù)控機(jī)床設(shè)備群可自行開發(fā)帶有OPC UA通信接口的監(jiān)控管理軟件，監(jiān)控軟件可以包括以下功能：

1）上位機(jī)能夠根據(jù)CAD圖紙自動(dòng)編制加工程序，并能夠仿真加工過(guò)程；

2）上位機(jī)能將加工程序下傳給數(shù)控系統(tǒng)，也可以將數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的加工程序上傳到上位機(jī)；3）可參考CELOS智能數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)刀具管理功能；4）可參考CELOS智能數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)在線顯示系統(tǒng)；

5）能夠在同一界面上實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)加工軌跡和實(shí)時(shí)加工軌跡；

6）可參考i5系統(tǒng)開發(fā)自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品功能；

7）能夠監(jiān)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境、耗能等信息，能夠管理儀器儀表周檢信息，并參考CELOS智能數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)備管理功能；

8）參考過(guò)程控制設(shè)備群上位機(jī)監(jiān)控軟件方案開發(fā)系統(tǒng)管理、生產(chǎn)工藝管理、生產(chǎn)信息管理、報(bào)警信息管理、生產(chǎn)過(guò)程管控等模塊。

6 結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)是一個(gè)曲折而漫長(zhǎng)的過(guò)程，生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的管理是一個(gè)枯燥乏味的過(guò)程，但這些過(guò)程可以為后人創(chuàng)造一個(gè)智能化的生產(chǎn)環(huán)境。

[1]王建民.工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用白皮書2.0[M].清華大學(xué),2017.