基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)的研究

劉俊達， 周保平

（晉能控股煤業(yè)挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著機械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以連續(xù)、不間斷模式生產(chǎn)的機械自動化技術(shù)已經(jīng)成為機械制造的趨勢，在連續(xù)自動化生產(chǎn)過程中，從物料上料、定位、檢驗、下線均通過機械手、料道及檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)。特別是制造過程檢測系統(tǒng)，是整個機械制造流程的“眼睛”，其工作的可靠性直接決定了機械制造過程的效率和安全性。但目前的自動化生產(chǎn)流程監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯復(fù)雜、監(jiān)測連續(xù)性差，嚴重影響了機械自動化生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟性。因此本文提出了一種新的基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)，以多目標體系監(jiān)控為基礎(chǔ)實現(xiàn)自動化制造過程中的全面監(jiān)測和控制，對提升機械制造過程中的多目標監(jiān)控效率，提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成性具有十分重大的意義。

1 多目標監(jiān)控體系需求

基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)的核心需求是在確保制造連續(xù)性的基礎(chǔ)上優(yōu)化運行方式，提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低系統(tǒng)故障率。因此需要根據(jù)生產(chǎn)線的實際情況來確定該監(jiān)控體系的監(jiān)控目標，基于目前機械制造快速發(fā)展的需求，本文提出了以時間、質(zhì)量、成本、效率、服務(wù)為代表的監(jiān)控體系目標[1]。

時間：是指系統(tǒng)要監(jiān)控制造體系內(nèi)總裝及各零部件的加工周期和效率，滿足產(chǎn)品的交期目標；

質(zhì)量：是指系統(tǒng)對整個制造過程中成品和零部件的加工一致性、加工合格率進行全流程監(jiān)控，確保各個零部件的生產(chǎn)滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標；

成本：是指系統(tǒng)對整個制造過程中的材料、加工、物流、人工等成本進行監(jiān)控，確保制造過程中的費用滿足成本指標；

效率：是指系統(tǒng)對產(chǎn)品制造加工過程中的效率進行全面監(jiān)控，及時對瓶頸工序進行報警，支持系統(tǒng)不斷進行效率優(yōu)化，降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期；

服務(wù)：是指系統(tǒng)要對不同層級的管理人員提供全面、簡練、完整的數(shù)據(jù)信息需求，不斷提升機械制造過程的效率和經(jīng)濟性。

因此，在進行多目標監(jiān)控體系設(shè)計時，需要根據(jù)以上5 種類別的需求，獲取機械自動化生產(chǎn)中的各種目標信息，然后對目標信息進行分類解讀，轉(zhuǎn)化為不同的輸出信息，進而滿足多目標監(jiān)控體系監(jiān)測全面性的需求。

2 多目標監(jiān)控要素關(guān)聯(lián)性分析

由于自動化機械制造過程中的數(shù)據(jù)信息量十分巨大，若為每一個層級提供不同的信息需求時都單獨從監(jiān)測終端獲取數(shù)據(jù)信息，那么不僅對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和信號傳輸系統(tǒng)帶來巨大的壓力，而且還會嚴重拖慢系統(tǒng)的運算速度，降低系統(tǒng)快速反應(yīng)的能力，因此本文在構(gòu)建多目標監(jiān)控系統(tǒng)時，提出了多目標監(jiān)控要素關(guān)聯(lián)性的概念，也就是一個監(jiān)控信息可以從多個目標內(nèi)獲取或者與其他信息關(guān)聯(lián)，在實際生產(chǎn)中系統(tǒng)能夠從不同的目標處獲取所需要的信息，這樣就可以做到系統(tǒng)直接調(diào)用最近的數(shù)據(jù)，不需要再發(fā)出需求指令要求監(jiān)控單元重新提供，不僅能有效提高數(shù)據(jù)運算速度，而且能夠降低系統(tǒng)工作時的能量消耗，提高系統(tǒng)運行效率和經(jīng)濟性。

以機械切削自動化加工為例，其多目標監(jiān)控要素關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示[2]。系統(tǒng)通過監(jiān)測底層生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)，然后利用多目標關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，由各階層獲取所需要的信息，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)監(jiān)控，實現(xiàn)對機械自動化制造過程的全面監(jiān)控，達到提高監(jiān)控效率、降低系統(tǒng)故障率的目的。

3 多目標監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)機械制造自動化需求和數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，本文提出的基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖1 多目標數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)主要包括了物理層、支撐層、業(yè)務(wù)層、功能層和目標層5 個部分，其中目標層用于設(shè)定監(jiān)控系統(tǒng)的運行目標，是整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心，為建立其他層級提供基礎(chǔ)的目標需求。功能層主要用于獲取監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，為不同層級的監(jiān)控人員提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，確保對整個自動化系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控和調(diào)整。業(yè)務(wù)層采用了組件化和模塊化技術(shù)，通過標準化的數(shù)據(jù)通信接口和控制協(xié)議，實現(xiàn)對功能層指令的執(zhí)行和反饋。支撐層主要是各類型的通信網(wǎng)絡(luò)和接口，用于保證整個系統(tǒng)運行過程中數(shù)據(jù)信息傳遞的精確性和效率，系統(tǒng)采用了標準化接口，便于后續(xù)的拓展和升級。物理層主要是指設(shè)置在各類機械設(shè)備上的監(jiān)控單元，用于對整個自動化制造體系內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并將監(jiān)測信息通過支撐層進行傳遞，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控[4]。

該系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用在多種類型的機械自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)中，以齒輪自動化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)為例，該自動化系統(tǒng)能夠?qū)⒅圃爝^程中的不合格率由3.4%降低到目前的0.27%，降幅達到了92%，整個生產(chǎn)現(xiàn)場的人員由45 人降低到31 人，減少了31%，整個產(chǎn)品制造過程中的成本由43 元/件，降低到38.8元/件，成本降幅達到了9.7%，顯著提升了機械加工企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟性和效率。

圖2 機械制造自動化系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)的目標是時間、質(zhì)量、成本、效率、服務(wù)的全面優(yōu)化；

2）多目標監(jiān)控要素關(guān)聯(lián)性，就是一個監(jiān)控信息可以從多個目標內(nèi)進行獲取或者與其他信息關(guān)聯(lián)，可以做到系統(tǒng)直接調(diào)用最近的數(shù)據(jù)，能有效提高數(shù)據(jù)運算速度，降低能量消耗。

3）基于多目標監(jiān)控的機械制造自動化系統(tǒng)包括物理層、支撐層、業(yè)務(wù)層、功能層和目標層五部分。

4）該自動化系統(tǒng)能夠?qū)⒅圃爝^程中的不合格率降低92%，將制造成本降低9.7%，將生產(chǎn)人員數(shù)量降低30%，為實現(xiàn)無人化智能制造奠定了基礎(chǔ)。