張曉利 蘇世杰
(江蘇科技大學機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
目前,隨著企業(yè)不斷發(fā)展、業(yè)務不斷增加,若沒有一個良好的信息管理系統(tǒng),勢必造成企業(yè)內(nèi)部各部門信息異構(gòu),使生產(chǎn)計劃、調(diào)度與控制出現(xiàn)“斷層”,導致現(xiàn)場大量的數(shù)據(jù)資源不能產(chǎn)生應有的價值。因此,建立智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu),構(gòu)建一個“計劃”和“生產(chǎn)”密切配合的智能化車間尤為重要[1-4]。
目前,江蘇科技大學為貫徹實施國家智能制造“十三五”規(guī)劃[5],開始著手研究建設“智能制造實驗室”,建設智能制造實訓基地,以培養(yǎng)國家智能制造人才;在此基礎上,江蘇科技大學智能制造試驗室與江蘇海獅機械集團有限公司合作,以海獅集團“洗滌籠制造車間”為研究對象,以中小企業(yè)智能化改造為出發(fā)點,設計面向中小企業(yè)的智能車間系統(tǒng)架構(gòu),引導中小企業(yè)推進自動化改造。
構(gòu)建參考架構(gòu)是發(fā)展智能制造的基礎。目前尚未形成全球公認的參考架構(gòu),就建設情況來看,美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國工業(yè)4.0較為領(lǐng)先,而科技型中小企業(yè)是德美推進智能制造的重要微觀主體[6]。另一方面,工業(yè)4.0提出了分層概念,采用分布式網(wǎng)絡技術(shù)將各層級有機整合,實現(xiàn)智能生產(chǎn);同時,工業(yè)4.0也是我國實現(xiàn)“中國制造2025”的重要理論依據(jù)[7-8]。
為制定我國智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu),一些研究人員提出了基于CPS的5C技術(shù)體系架構(gòu)[9-11],包括智能感知層(conneotion)、信息挖掘?qū)?converaion)、網(wǎng)絡層(cyber)、認知層(cognition)和配置執(zhí)行層(configura-tion);IEC62264《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》標準[12]中也指出,參考架構(gòu)的設計應充分體現(xiàn)制造企業(yè)的層次功能,將智能制造系統(tǒng)分為六層:生產(chǎn)基礎自動化層、生產(chǎn)執(zhí)行層、產(chǎn)品全生命周期管理層、企業(yè)管控與支撐層、企業(yè)計算與數(shù)據(jù)中心層、制造網(wǎng)絡層[13-14]。
智能制造系統(tǒng)其特征主要表現(xiàn)為:實時感知、優(yōu)化決策、動態(tài)執(zhí)行以及網(wǎng)絡集成和網(wǎng)絡協(xié)同[15]。針對我國中小企業(yè)自動化程度不高、技術(shù)不成熟,但人員充足的現(xiàn)狀,利用“智能終端”集成車間生產(chǎn)信息,設計了具有基礎生產(chǎn)層、智能終端層、網(wǎng)絡層和系統(tǒng)層4個層級的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示為面向中小企業(yè)的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)。
基礎生產(chǎn)層支持車間完成基本的生產(chǎn)活動,也是智能車間管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源層。
對于中小企業(yè),生產(chǎn)設備的全面換新成本較高。因此,根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝要求,安裝相應傳感器、PLC控制器等,對傳統(tǒng)生產(chǎn)設備進行智能化改造,提高對底層生產(chǎn)的感知與控制,從源頭控制關(guān)鍵工序的加工質(zhì)量,獲取工序加工情況。避免后知后覺,造成產(chǎn)品生產(chǎn)周期延長,影響交付。例如,對合作企業(yè)海獅集團車間的改造,在自動焊接機器人上通過安裝激光位移傳感器,以感知兩個內(nèi)膽焊接時中心軸是否對齊,以確保精確對準焊接。另外,隨著未來技術(shù)的不斷發(fā)展與企業(yè)規(guī)模的不斷壯大,車間內(nèi)智能設備不斷更新?lián)Q代,從而淘汰傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備,全面提高基礎生產(chǎn)層智能化設備覆蓋率,增強對生產(chǎn)過程的可控與感知。
智能終端層是本系統(tǒng)架構(gòu)中特有的層,位于基礎生產(chǎn)層與系統(tǒng)層之間,主要集成基礎生產(chǎn)層信息,雙向傳遞數(shù)據(jù)信息。智能終端層主要包括智能終端(由嵌入式工控機、人機交互界面、數(shù)據(jù)采集模塊等組成)、條碼系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、打碼機、掃碼機以及各種數(shù)據(jù)集成接口。其中,智能終端與機床相連,通過數(shù)據(jù)采集模塊采集機床信息,并將信息上傳至中央管控系統(tǒng),同時接收來自中央管控系統(tǒng)的決策指令,實現(xiàn)信息雙向傳遞[16]。智能終端輸入輸出信息示意圖如圖2所示。
本系統(tǒng)采用條碼系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)并存管理車間信息[17]。條碼系統(tǒng)對車間工件進行統(tǒng)一編碼,通過打碼機對每道工序工件進行編碼,掃碼機采集工件的加工進程等信息;通過智能終端中RFID應答器采集物料物流信息,追蹤定位,以降低物料流動隨意性。同時,可通過人機交互界面手動輸入信息至中央管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,并且隨時查看系統(tǒng)推送信息,實現(xiàn)了信息內(nèi)部形式與人類可接受形式間的轉(zhuǎn)換。
智能終端的使用降低了組網(wǎng)難度,使單位工作空間里布線更加清晰、方便;另一方面,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)累積以及對底層異構(gòu)制造資源的統(tǒng)一,針對性地解決了系統(tǒng)層與生產(chǎn)層間信息無法實現(xiàn)自主交互的問題。
網(wǎng)絡層是實現(xiàn)生產(chǎn)層與系統(tǒng)層信息雙向傳輸?shù)闹匾ǖ?,實現(xiàn)物物相連,形成一套完整的實時信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線解決底層控制器、設備以及系統(tǒng)層之間的互聯(lián)問題;智能終端與系統(tǒng)層間連接采用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn),許多制造供應商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進行通信,開放性最好。
另外,ZigBee技術(shù)被普遍應用于物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸[18-19],本設計中網(wǎng)絡層也可以采用ZigBee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)。采用星型網(wǎng)絡拓撲作為底層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),由一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建一個ZegBee網(wǎng)絡,然后將配備多種傳感器和CC2420通信模塊的智能終端設備作為其子設備加入該網(wǎng)絡。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點存儲ZigBee網(wǎng)絡中各智能終端節(jié)點的信息,并通過RS232接口把數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)層;同樣,智能終端設備節(jié)點也能接受來自ZigBee網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)和指令?;赯igBee技術(shù)的網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)層,也稱為中央管控系統(tǒng),自主開發(fā)管控模塊與軟件是提升制造過程智能化的關(guān)鍵。
根據(jù)智能制造系統(tǒng)基本特征分析管控系統(tǒng)的功能模塊。實時感知是指對車間訂單信息、生產(chǎn)資源信息以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果等生產(chǎn)信息的感知;決策優(yōu)化是指根據(jù)運行狀態(tài)變化的自主規(guī)劃、調(diào)控和決策能力,實現(xiàn)車間資源動態(tài)調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析等功能;動態(tài)執(zhí)行是將決策優(yōu)化指令反饋至生產(chǎn)層,對故障自診斷修復;并且圖像化即時顯示車間執(zhí)行狀況,及時推送重要信息給管理人員。圖4為中央管控系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成分析圖。
由此可得,中央管控系統(tǒng)功能模塊主要包括:
①訂單管理模塊,包括新訂單和正加工訂單的優(yōu)先級分析;訂單分解重組,形成制造單元;利用CAD進行結(jié)構(gòu)設計,給出設備、刀具、夾具等明細表;利用CAPP子系統(tǒng)規(guī)劃工件的工藝路線。
②資源管理模塊,實時感知各單元所需原料、刀具、夾具、工作站等生產(chǎn)資源是否可投入使用,并完成分配。
③質(zhì)檢信息管理模塊,包括機床自動檢測信息、人工檢測信息以及對成品的調(diào)試結(jié)果,可作為實際生產(chǎn)的重要參數(shù)。
④車間動態(tài)調(diào)度模塊,根據(jù)訂單管理模塊、資源管理模塊信息,對車間資源進行動態(tài)調(diào)度,滿足某些約束條件,使目標函數(shù)達到最優(yōu)。
⑤產(chǎn)品質(zhì)量管理模塊,對質(zhì)檢信息進行SPC統(tǒng)計、分析,掌握質(zhì)量缺陷分布,及時采取應對措施。
⑥圖表即時顯示模塊,即時顯示生產(chǎn)加工訂單進程信息、調(diào)度結(jié)果、設備使用情況、配送單等報表。
⑦信息推送模塊,通過智能終端人機交互界面及時推送重要信息,便于管理層和操作人員查看。
本設計提出了智能終端的概念,著重解決中小企業(yè)車間信息化管理的“斷層”問題。對基礎生產(chǎn)層進行智能化改造,通過智能終端將傳感測量信息、人工存儲信息等經(jīng)網(wǎng)絡層上傳至系統(tǒng)層;同時,中央管控系統(tǒng)功能模塊對車間計劃制定、執(zhí)行、質(zhì)檢、物料追蹤、信息反饋以及資源動態(tài)調(diào)度等進行全面管控,構(gòu)建一個完整的物聯(lián)網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng);另一方面,理想的智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu)只是一個模板,單純的運用不能解決車間的根源問題。智能車間方案設計要具體情況具體分析,根據(jù)車間的生產(chǎn)類型、發(fā)展現(xiàn)狀以及企業(yè)經(jīng)濟效益等綜合情況,針對性地提出適合企業(yè)自身情況的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)方案,將會在產(chǎn)品質(zhì)量、工作效率、組織管理等方面帶來一系列的成果與創(chuàng)新。
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