基于物聯(lián)網(wǎng)智能車間的信息化研究*

袁明鋒 田躍軍 楊 磊 李 通 孫先海 孫宏鵬

(河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 451191)

工業(yè)智能化和工業(yè)信息化是制造業(yè)發(fā)展的前沿趨勢，制造業(yè)發(fā)展程度是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)[1]，5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的落地將進(jìn)一步推動(dòng)智能化和信息化的融合，智能工廠建設(shè)也必將成為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的目標(biāo)?；谖锫?lián)網(wǎng)智能車間的信息化系統(tǒng)將在智能工廠建設(shè)中起到承上啟下的作用，對上承接企業(yè)的ERP(企業(yè)資源管理系統(tǒng))、MES(生產(chǎn)在線執(zhí)行系統(tǒng))、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))等，對下對接PLC協(xié)議實(shí)時(shí)獲取設(shè)備信息、生產(chǎn)信息、物料庫存信息以及設(shè)備運(yùn)行軌跡。本文通過綜合以上信息對車間生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行最優(yōu)化管控以提高企業(yè)的設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化改造

通過智能化改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互通，實(shí)現(xiàn)制造加工全過程的數(shù)據(jù)跟蹤，可以提高零部件質(zhì)量穩(wěn)定性，降低人為質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。隨著數(shù)控化機(jī)械加工設(shè)備的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)通過工藝文件固化來保證加工方法的一致性不足以滿足關(guān)鍵零部件質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性要求。零部件加工過程通過結(jié)構(gòu)化工藝描述、三維過程工藝進(jìn)行表述，具體加工過程將使用與設(shè)備、輔助資源緊密相關(guān)的程序代碼予以完成。按照數(shù)字化生產(chǎn)線進(jìn)行加工制造的零部件將由高度精細(xì)化的程序代碼執(zhí)行來完成所有加工、檢測過程，加工與檢測過程將不需要人為干預(yù)，能嚴(yán)格地保證加工過程的質(zhì)量一致性，是智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。本文描述的生產(chǎn)線智能化改造以傳統(tǒng)12臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)4組12臺(tái)數(shù)控加工中心上下料、機(jī)外預(yù)裝預(yù)調(diào)、AGV小車輔助物料運(yùn)輸?shù)倪^程。改造前、后設(shè)備放置及操作方式分別如圖1和圖2所示。

圖1 改造前設(shè)備放置及操作方式圖

圖2 改造后設(shè)備放置及操作方式圖

當(dāng)周邊的機(jī)床設(shè)備、安全圍欄、AGV小車都已啟動(dòng)并處于自動(dòng)狀態(tài)后，在機(jī)器人總控制柜上的各周邊設(shè)備的指示燈都為綠色時(shí)，操作人員在系統(tǒng)控制柜上按下系統(tǒng)運(yùn)行按鈕，整個(gè)系統(tǒng)就處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

第1階段：人工在預(yù)裝預(yù)調(diào)臺(tái)裝卡零部件，并通過測量工具校驗(yàn)裝卡到位情況，保證加工原點(diǎn)，將裝調(diào)后的零部件連同專用工裝放置在對應(yīng)的托盤及空位上(每個(gè)托盤空位對應(yīng)1臺(tái)數(shù)控機(jī)床)。

第2階段：加工者掃描待加工的托盤、托盤空位二維碼，并在現(xiàn)場終端確定，AGV小車根據(jù)確定信號將托盤運(yùn)送到指定的加工單元組。

第3階段：工業(yè)機(jī)器人將運(yùn)送托盤內(nèi)的零部件放置在數(shù)控機(jī)床內(nèi)，自動(dòng)開始加工。

第4階段：零部件加工完成后，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)取件，放置在運(yùn)送托盤內(nèi)，并通知AGV小車將加工完成的零部件運(yùn)送至預(yù)調(diào)區(qū)，由人工進(jìn)行零件換裝，并開始進(jìn)行第1階段循環(huán)加工執(zhí)行。

改造完成后，可由原有的單人單臺(tái)數(shù)控機(jī)床的操作方式變更為改造后2人操控12臺(tái)數(shù)控機(jī)床，操作人員在調(diào)整好加工程序后，由系統(tǒng)直接下發(fā)到數(shù)控車床，隨后只需在預(yù)裝調(diào)臺(tái)將需要加工的工件放置在固定的托盤上和云端的程序下發(fā)即可，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場車床的加工狀況完成智能化排產(chǎn)。

2 智能管控系統(tǒng)的信息化

智能管控系統(tǒng)的目的是滿足車間對原有產(chǎn)線的智能化管控以達(dá)到自動(dòng)加工的目的，加強(qiáng)工業(yè)大數(shù)據(jù)的利用，工業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)與智能制造的交叉點(diǎn)[2]，智能管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含物料類別、物料維護(hù)、系統(tǒng)權(quán)限管理、傳感器信息管理、機(jī)床管理、預(yù)裝臺(tái)管理、貨位管理、AGV小車上下料位管理。智能管控系統(tǒng)主要功能模塊包含工件管理、傳感器信息管理、數(shù)控機(jī)床管理、預(yù)裝臺(tái)管理、貨位管理、AGV小車管理、工業(yè)機(jī)器人管理、流程控制和綜合管理，同時(shí)對接上層系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

控制系統(tǒng)中有2個(gè)基本流程，在入庫、上料、出庫等過程中都會(huì)用到這2個(gè)流程：智能機(jī)器人取件流程和智能機(jī)器人放件流程(見圖3)。

圖3 控制流程

3 設(shè)備及車間環(huán)境管控信息化

3.1 設(shè)備管控信息化

針對上述12臺(tái)數(shù)控機(jī)床改造的智能化生產(chǎn)線建立完善的智能管控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的信息化管控，通過5G技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在云端對設(shè)備和機(jī)器人的管控以及現(xiàn)場環(huán)境、產(chǎn)線運(yùn)行情況進(jìn)行查看(見圖4)。為了解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信問題，解決多個(gè)獨(dú)立程序之間的數(shù)據(jù)通信，甚至是不同的操作系統(tǒng)、平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信問題，在B/S架構(gòu)中通過采用HslCommunication通信插件，對工業(yè)現(xiàn)場大部分設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、寫入，以達(dá)到對設(shè)備數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制的目的。

圖4 設(shè)備信息查看

使用通信插件實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)的服務(wù)端與PLC通信，可以直接實(shí)現(xiàn)modbus、機(jī)器人、三菱PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC等各種協(xié)議讀寫，通過通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)端對寄存器的讀寫進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的目的。通過采集可以獲取數(shù)控機(jī)床的設(shè)備狀態(tài)和加工狀態(tài)，主要包含開關(guān)機(jī)狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、電壓、電流等機(jī)床狀態(tài)以及等待工件、加工中、閑置等加工狀態(tài)，通過加工狀態(tài)和機(jī)床狀態(tài)分析，結(jié)合預(yù)裝調(diào)臺(tái)的待加工工件類型進(jìn)行智能化排產(chǎn)并下達(dá)命令至AGV、工業(yè)機(jī)器人以及數(shù)控機(jī)床聯(lián)合完成工件上料和加工過程。

3.2 車間環(huán)境管控信息化

車間環(huán)境信息是保障智能化設(shè)備、智能傳感器、數(shù)控機(jī)床等正常運(yùn)行的必要條件，因此是必需的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。車間環(huán)境信息信息化主要包含車間的溫度、濕度、氣壓、電壓等參數(shù)的監(jiān)控，通過各類傳感器完成數(shù)據(jù)的獲取，然后通過智能管控系統(tǒng)與Smart IOT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信獲取各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)并在系統(tǒng)頁面進(jìn)行展示。

4 信息化系統(tǒng)與現(xiàn)場智能管控系統(tǒng)的集成

4.1 MES系統(tǒng)集成

MES系統(tǒng)是以生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、調(diào)度、跟蹤與管理為中心的車間制造過程管理信息系統(tǒng)[3]。MES系統(tǒng)錄入了從生產(chǎn)訂單投產(chǎn)到產(chǎn)品完成的所有生產(chǎn)信息，包含排產(chǎn)信息、調(diào)度信息、任務(wù)分派信息、生產(chǎn)過程質(zhì)量信息、工序任務(wù)、工時(shí)定額等數(shù)據(jù)資源。MES系統(tǒng)直接匯聚了生產(chǎn)車間的各種質(zhì)量信息，能夠?yàn)橘|(zhì)量分析提供最為實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)[4]。

數(shù)據(jù)資源涵蓋上層計(jì)劃管理，通過與MES集成可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以及生產(chǎn)任務(wù)直接下達(dá)到生產(chǎn)線直至數(shù)控機(jī)床，通過排產(chǎn)算法優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)、智能排產(chǎn)[5]。

4.2 PDM系統(tǒng)集成

PDM是企業(yè)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用于物料編碼的申請、創(chuàng)建、維護(hù)、存儲(chǔ)和管理，研發(fā)任務(wù)的分派、技術(shù)文檔的編輯、審批、存儲(chǔ)及管理等。智能管控系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成可以將最新版的技術(shù)文件和程序文件實(shí)時(shí)同步到車間智能終端，提醒加工人員技術(shù)文件或程序文件變更，智能產(chǎn)線操作員可在現(xiàn)場智能終端查看技術(shù)文件和程序文件。

技術(shù)文件主要包含工藝規(guī)程、技術(shù)通知單、工藝變更通知單、工序和工步具體內(nèi)容、單件定額消耗表等。當(dāng)技術(shù)文件需要更新版本或者更改時(shí)，技術(shù)人員在PDM系統(tǒng)中完成技術(shù)文件變更流程后，變更通知單或者新版技術(shù)文件將直接推送到現(xiàn)場，并發(fā)出通知提醒現(xiàn)場操作人員查看。

程序文件主要為車床編程的NC程序文件，由編程人員編程結(jié)束后通過發(fā)布流程發(fā)布，發(fā)布結(jié)束后，將自動(dòng)傳遞到現(xiàn)場智能終端，并提醒現(xiàn)場操作人員查看。

4.3 ERP系統(tǒng)集成

ERP系統(tǒng)中以SAP為例，SAP系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和流程集中到單個(gè)系統(tǒng)，以銷售為驅(qū)動(dòng)，以市場為導(dǎo)向，涉及生產(chǎn)、采購、物資、財(cái)務(wù)等業(yè)務(wù)流程，涵蓋從訂單合同到銷售發(fā)貨整個(gè)閉環(huán)業(yè)務(wù)流程。

現(xiàn)場智能化系統(tǒng)通過與ERP系統(tǒng)的集成可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的逆向追溯，如當(dāng)前任務(wù)的生產(chǎn)任務(wù)信息、銷售任務(wù)信息、合同信息，同時(shí)可以共享庫存信息，現(xiàn)場操作者及現(xiàn)場智能管控系統(tǒng)可在現(xiàn)場接收任務(wù)時(shí)調(diào)取所需材料的庫存信息。

5 智能車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化可供車間顯示屏查看當(dāng)前在制任務(wù)情況、車間環(huán)境情況、車床運(yùn)行情況、有效切削率情況以及生產(chǎn)過程質(zhì)量信息等。數(shù)據(jù)可視化依賴于生產(chǎn)過程管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，如質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化的有效實(shí)施依靠于系統(tǒng)內(nèi)部高效的數(shù)據(jù)組織、管理、存儲(chǔ)和處理能力[6]

系統(tǒng)可采用現(xiàn)有的B/S架構(gòu)、MVC框架，有Spring、Struts2、Ibatis等常用web框架(見圖5)。

6 結(jié)語

智能制造是傳統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型過程中的必經(jīng)之路，在物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)以及社會(huì)勞動(dòng)力逐年下降趨勢的推動(dòng)下，智能制造將進(jìn)入快速發(fā)展階段。信息化是傳統(tǒng)制造業(yè)多年的能力建設(shè)，已經(jīng)逐步成為制造業(yè)的核心能力，因此基于物聯(lián)網(wǎng)智能車間的信息化研究極為重要。

本文以某研究所打造的智能化車間為基礎(chǔ)進(jìn)行了研究，提出了切實(shí)可行的系統(tǒng)架構(gòu)和建設(shè)邏輯，為智能化改造中相關(guān)信息化建設(shè)提供了基礎(chǔ)方案，對類似智能化車間改造中的信息化建設(shè)具有借鑒意義。

圖5 可視化web框架