梁奕清 羅銘強 梁鵬 郝剛 吳玉婷

（1.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司 廣東省佛山市 528061 2.廣東技術(shù)師范大學計算機科學學院 廣東省廣州市 510665）

1 引言

中國現(xiàn)有工業(yè)用鋁型材的生產(chǎn)企業(yè)，多為加工型企業(yè)，研發(fā)能力較弱，工業(yè)鋁型材處于高速發(fā)展階段，正在經(jīng)歷著從加工到研發(fā)的重要轉(zhuǎn)變，在重大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和新產(chǎn)品項目取得突破，行業(yè)技術(shù)裝備水平也大幅提升，但與世界鋁工業(yè)先進水平相比還有差距。尤其缺乏大截面、復雜結(jié)構(gòu)工業(yè)鋁型材的制備加工工藝及設備。復雜結(jié)構(gòu)工業(yè)鋁型材因其外形結(jié)構(gòu)、性能及寬幅超長型材的特殊需求，需采用大型復雜中空加強型擠壓以及攪拌摩擦焊接等工藝，產(chǎn)品設計復雜，要求生產(chǎn)過程標準化、生產(chǎn)設備數(shù)字化、生產(chǎn)工藝智能化，因此，我國鋁型材行業(yè)需要加大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)投入，使用信息化和數(shù)字化促進工業(yè)鋁型材的快速發(fā)展[1]。

制約鋁型材企業(yè)產(chǎn)能快速增長、實現(xiàn)智能制造的主要原因是鋁型材生產(chǎn)工藝復雜、影響因素眾多，涉及到需要很多設施設備，包括加熱爐、擠壓機、保溫爐、鼓風機等。鋁型材生產(chǎn)過程的海量數(shù)據(jù)采集、設備上云是實現(xiàn)鋁型材行業(yè)智能制造的關(guān)鍵[2]。然而目前國內(nèi)大型鋁材企業(yè)擠壓設備缺少數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測手段，導致設備管理不及時、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)排產(chǎn)周期長、動態(tài)調(diào)整能力差等問題，主要體現(xiàn)在：

（1）數(shù)據(jù)采集端的節(jié)點不夠多，不足以真正構(gòu)建機型模型、以及設備預防性維護。目前國內(nèi)企業(yè)對生產(chǎn)中的各類能耗數(shù)據(jù)和部分設備運行數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)采集，但是對生產(chǎn)設備尤其是關(guān)鍵工藝的核心設備運行參數(shù)還沒有實現(xiàn)全部自動采集，而設備模型和運行模型需要海量參數(shù)和運行數(shù)據(jù)，導致現(xiàn)有系統(tǒng)建模無法準確完成[3]；

（2）鋁型材的熔鑄、擠壓和表面處理等各個工序通常存在加工能力不同、能耗效率各異的多臺并行設備。目前絕大多數(shù)的鋁型材企業(yè)都以生產(chǎn)車間自行安排的傳統(tǒng)方式進行手工生產(chǎn)排產(chǎn)。面對復雜的訂單需求、多樣化設備組合以及互相制約的加工工藝要求，手工排產(chǎn)僅僅能對生產(chǎn)時間等單一目標進行考慮，無法全面考慮不同生產(chǎn)調(diào)度結(jié)果中因模具更換，設備空轉(zhuǎn)等情況對總體生產(chǎn)能耗帶來的嚴重影響[4]；

（3）下層采集端與上層應用層沒有完全打通，數(shù)據(jù)缺乏可分析性。應用層系統(tǒng)眾多，包括了ERP、CRM、PLM、EMS 等應用系統(tǒng)，多個應用系統(tǒng)匯總在同一的云基礎(chǔ)設施IaaS 層上，但是缺少中間層PaaS 層，需要將工業(yè)技術(shù)、知識、經(jīng)驗、模型等工業(yè)原理封裝成功能模塊，供應用層開發(fā)者調(diào)用[5-6]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為此，在A 鋁型材企業(yè)設計了鋁型材工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，該平臺在IT 層面的各個單個業(yè)務系統(tǒng)（CAPP、PLM、MES、ERP、SRM 等）進行互聯(lián)互通，在OT 層面通過工業(yè)自動化系統(tǒng)（SCADA、DCS 等）與設備智能互聯(lián)，管理系統(tǒng)將現(xiàn)場產(chǎn)線、設備、機床、傳感器等進行互聯(lián)，實現(xiàn)IT 與OT 相互融合。

平臺通過對鋁型材生產(chǎn)過程中的供電、天然氣、壓縮空氣、水、熱回收、水回收等能源動力介質(zhì)進行集中采集和監(jiān)控，與已有ERP、MES、OA 等系統(tǒng)進行有機集成，采用大數(shù)據(jù)與機器學習技術(shù)，包括：線性回歸和機理分析相結(jié)合的方法實現(xiàn)單產(chǎn)能耗的準確統(tǒng)計；統(tǒng)計學習和機理分析相結(jié)合的方法，推導出擠壓成材率的關(guān)鍵影響因素，提升擠壓成材率，實現(xiàn)設備生產(chǎn)節(jié)能；智能遺傳算法實現(xiàn)面向能效優(yōu)化的鋁型材排產(chǎn)；并最終實現(xiàn)能耗運行監(jiān)控、能源平衡分析、能源優(yōu)化配置、節(jié)能決策支持、設備節(jié)能管理、質(zhì)量管理等功能。

基于SOA 體系架構(gòu)的鋁型材工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺總體架構(gòu)如圖1所示，是通過集成企業(yè)的各個業(yè)務應用系統(tǒng)以及覆蓋整個價值鏈上的關(guān)鍵業(yè)務流程，解決用戶管理、數(shù)據(jù)集成、流程集成的問題；同時構(gòu)建一個開發(fā)的跨系統(tǒng)、跨地域的集成協(xié)作平臺，一個可配置的系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)，促進業(yè)務數(shù)據(jù)的共享與重用，支持系統(tǒng)整合和流程改進，減少資源消耗和錯誤發(fā)生概率。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺總體架構(gòu)是一個基于SOA 架構(gòu)的靈活、穩(wěn)定、開發(fā)的集成框架結(jié)構(gòu)，既能滿足當前業(yè)務應用系統(tǒng)集成的要求，又能適應未來不斷增長和動態(tài)變化的企業(yè)信息化的需求。

圖1：鋁型材工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺示意圖

圖2：關(guān)鍵設備信息采集

在設備監(jiān)控方面，采用設備協(xié)議接口、智能儀表對鋁型材的關(guān)鍵設備，如熔鑄爐、擠壓機、加熱爐、噴槍等，用集合形式化表達網(wǎng)絡各節(jié)點的描述性信息（見圖2），包括節(jié)點名稱、額定功率/電流/電壓、故障信息、當前狀態(tài)等，并將這些描述性信息存儲到數(shù)據(jù)庫，將這些描述信息與知識庫信息進行集成與分析，實現(xiàn)對每個節(jié)點設備信息的跟蹤、歸檔，為數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實施提供數(shù)據(jù)源。同時設備性能為研究對象，根據(jù)設備運行的指標變化情況，將設備的性能與運行參數(shù)、維護計劃、生產(chǎn)環(huán)境等影響因素集成關(guān)聯(lián)，建立設備性能管理優(yōu)化模型及其求解方法。建立設備維修管理模型，研究多種修理類型下的周期結(jié)構(gòu)及修理復雜系數(shù)，建立快速響應的維修管理體系，建立PDCA 管理循環(huán)，優(yōu)化人員配置方式。

在擠壓優(yōu)化方面，通過生產(chǎn)過程中采集到的制造大數(shù)據(jù)，改善金屬流動均勻性的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與制造技術(shù)：根據(jù)模具三維立體模型，利用有限元模擬分析模具設計、擠壓工藝參數(shù)(擠壓速度、擠壓筒溫度、毛坯溫度和擠壓比等)對產(chǎn)品形狀、表面質(zhì)量的影響，從而對模具的分流孔、焊合室、?？住⒛？坠ぷ鲙чL度等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡等大數(shù)據(jù)技術(shù)研究模具結(jié)構(gòu)（分流孔的形狀/大小/位置；焊合室的深度/形狀；工作帶長度）和擠壓工藝參數(shù)（擠壓溫度、速度、摩擦條件等）對型材流速、模具強度、擠壓力的影響規(guī)律。并根據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果，指導開發(fā)新型高強高韌模具鋼及其冶煉、鍛造加工和熱處理工藝，提高模具強度、硬度、抗疲勞、耐磨損性能。

在工藝參數(shù)管理方面，研究多品種產(chǎn)品生產(chǎn)的自適應設備參數(shù)配置，根據(jù)生產(chǎn)管理經(jīng)驗數(shù)據(jù)、工藝標準配置需要，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取設備參數(shù)與產(chǎn)品的函數(shù)關(guān)系及其求解方法，依據(jù)產(chǎn)品類型的不同，建立設備參數(shù)標準配置模型。

在生產(chǎn)管控方面，所采集的數(shù)據(jù)可用于構(gòu)建分析模具，具體以工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)為研究對象，根據(jù)生產(chǎn)過程中的輸入與輸出關(guān)系，將產(chǎn)品質(zhì)量與設備運行參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等可控因素集成關(guān)聯(lián)，并進行非線性數(shù)據(jù)分析，建立生產(chǎn)管理模型。

3 結(jié)論及未來工作

本文圍繞“集成平臺”的建設，形成“功能中心”和“數(shù)據(jù)中心”，在“人-機”互動，“機-機”互動，物聯(lián)網(wǎng)模式等方面形成成效，長期目標圍繞“智能工廠”建設，實現(xiàn)OT（操作技術(shù)）和IT（信息技術(shù)）兩個層面的融合架構(gòu)，構(gòu)造了企業(yè)級泛化連接和異構(gòu)集成的架構(gòu)體系，形成具有示范效應的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。