基于智能終端的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

張曉利 蘇世杰

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

目前，隨著企業(yè)不斷發(fā)展、業(yè)務(wù)不斷增加，若沒(méi)有一個(gè)良好的信息管理系統(tǒng)，勢(shì)必造成企業(yè)內(nèi)部各部門(mén)信息異構(gòu)，使生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度與控制出現(xiàn)“斷層”，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)大量的數(shù)據(jù)資源不能產(chǎn)生應(yīng)有的價(jià)值。因此，建立智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)“計(jì)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(xué)為貫徹實(shí)施國(guó)家智能制造“十三五”規(guī)劃[5]，開(kāi)始著手研究建設(shè)“智能制造實(shí)驗(yàn)室”，建設(shè)智能制造實(shí)訓(xùn)基地，以培養(yǎng)國(guó)家智能制造人才；在此基礎(chǔ)上，江蘇科技大學(xué)智能制造試驗(yàn)室與江蘇海獅機(jī)械集團(tuán)有限公司合作，以海獅集團(tuán)“洗滌籠制造車間”為研究對(duì)象，以中小企業(yè)智能化改造為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)面向中小企業(yè)的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)，引導(dǎo)中小企業(yè)推進(jìn)自動(dòng)化改造。

1 智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu)

構(gòu)建參考架構(gòu)是發(fā)展智能制造的基礎(chǔ)。目前尚未形成全球公認(rèn)的參考架構(gòu)，就建設(shè)情況來(lái)看，美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國(guó)工業(yè)4.0較為領(lǐng)先，而科技型中小企業(yè)是德美推進(jìn)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(luò)技術(shù)將各層級(jí)有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)；同時(shí)，工業(yè)4.0也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的重要理論依據(jù)[7-8]。

為制定我國(guó)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(luò)層(cyber)、認(rèn)知層(cognition)和配置執(zhí)行層(configura-tion)；IEC62264《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》標(biāo)準(zhǔn)[12]中也指出，參考架構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)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(chǔ)自動(dòng)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(jì)算與數(shù)據(jù)中心層、制造網(wǎng)絡(luò)層[13-14]。

2 面向中小企業(yè)的智能車間系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能制造系統(tǒng)其特征主要表現(xiàn)為：實(shí)時(shí)感知、優(yōu)化決策、動(dòng)態(tài)執(zhí)行以及網(wǎng)絡(luò)集成和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同[15]。針對(duì)我國(guó)中小企業(yè)自動(dòng)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(shè)計(jì)了具有基礎(chǔ)生產(chǎn)層、智能終端層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)層4個(gè)層級(jí)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)。

2.1 基礎(chǔ)生產(chǎn)層

基礎(chǔ)生產(chǎn)層支持車間完成基本的生產(chǎn)活動(dòng)，也是智能車間管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源層。

對(duì)于中小企業(yè)，生產(chǎn)設(shè)備的全面換新成本較高。因此，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，安裝相應(yīng)傳感器、PLC控制器等，對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行智能化改造，提高對(duì)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(jué)，造成產(chǎn)品生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，影響交付。例如，對(duì)合作企業(yè)海獅集團(tuán)車間的改造，在自動(dòng)焊接機(jī)器人上通過(guò)安裝激光位移傳感器，以感知兩個(gè)內(nèi)膽焊接時(shí)中心軸是否對(duì)齊，以確保精確對(duì)準(zhǔn)焊接。另外，隨著未來(lái)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(shè)備不斷更新?lián)Q代，從而淘汰傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，全面提高基礎(chǔ)生產(chǎn)層智能化設(shè)備覆蓋率，增強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的可控與感知。

2.2 智能終端層

智能終端層是本系統(tǒng)架構(gòu)中特有的層，位于基礎(chǔ)生產(chǎn)層與系統(tǒng)層之間，主要集成基礎(chǔ)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(jī)、人機(jī)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(jī)、掃碼機(jī)以及各種數(shù)據(jù)集成接口。其中，智能終端與機(jī)床相連，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集機(jī)床信息，并將信息上傳至中央管控系統(tǒng)，同時(shí)接收來(lái)自中央管控系統(tǒng)的決策指令，實(shí)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(duì)車間工件進(jìn)行統(tǒng)一編碼，通過(guò)打碼機(jī)對(duì)每道工序工件進(jìn)行編碼，掃碼機(jī)采集工件的加工進(jìn)程等信息；通過(guò)智能終端中RFID應(yīng)答器采集物料物流信息，追蹤定位，以降低物料流動(dòng)隨意性。同時(shí)，可通過(guò)人機(jī)交互界面手動(dòng)輸入信息至中央管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且隨時(shí)查看系統(tǒng)推送信息，實(shí)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)累積以及對(duì)底層異構(gòu)制造資源的統(tǒng)一，針對(duì)性地解決了系統(tǒng)層與生產(chǎn)層間信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主交互的問(wèn)題。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)層與系統(tǒng)層信息雙向傳輸?shù)闹匾ǖ?，?shí)現(xiàn)物物相連，形成一套完整的實(shí)時(shí)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線解決底層控制器、設(shè)備以及系統(tǒng)層之間的互聯(lián)問(wèn)題；智能終端與系統(tǒng)層間連接采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，許多制造供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進(jìn)行通信，開(kāi)放性最好。

另外，ZigBee技術(shù)被普遍應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[18-19]，本設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)層也可以采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥鳛榈讓泳W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)ZegBee網(wǎng)絡(luò)，然后將配備多種傳感器和CC2420通信模塊的智能終端設(shè)備作為其子設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各智能終端節(jié)點(diǎn)的信息，并通過(guò)RS232接口把數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)層；同樣，智能終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)也能接受來(lái)自ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)和指令。基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)層

系統(tǒng)層，也稱為中央管控系統(tǒng)，自主開(kāi)發(fā)管控模塊與軟件是提升制造過(guò)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(shí)時(shí)感知是指對(duì)車間訂單信息、生產(chǎn)資源信息以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果等生產(chǎn)信息的感知；決策優(yōu)化是指根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)變化的自主規(guī)劃、調(diào)控和決策能力，實(shí)現(xiàn)車間資源動(dòng)態(tài)調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析等功能；動(dòng)態(tài)執(zhí)行是將決策優(yōu)化指令反饋至生產(chǎn)層，對(duì)故障自診斷修復(fù)；并且圖像化即時(shí)顯示車間執(zhí)行狀況，及時(shí)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(jí)分析；訂單分解重組，形成制造單元；利用CAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出設(shè)備、刀具、夾具等明細(xì)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(shí)時(shí)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(jī)床自動(dòng)檢測(cè)信息、人工檢測(cè)信息以及對(duì)成品的調(diào)試結(jié)果，可作為實(shí)際生產(chǎn)的重要參數(shù)。

④車間動(dòng)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(duì)車間資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，滿足某些約束條件，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

⑤產(chǎn)品質(zhì)量管理模塊，對(duì)質(zhì)檢信息進(jìn)行SPC統(tǒng)計(jì)、分析，掌握質(zhì)量缺陷分布，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

⑥圖表即時(shí)顯示模塊，即時(shí)顯示生產(chǎn)加工訂單進(jìn)程信息、調(diào)度結(jié)果、設(shè)備使用情況、配送單等報(bào)表。

⑦信息推送模塊，通過(guò)智能終端人機(jī)交互界面及時(shí)推送重要信息，便于管理層和操作人員查看。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)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(wèn)題。對(duì)基礎(chǔ)生產(chǎn)層進(jìn)行智能化改造，通過(guò)智能終端將傳感測(cè)量信息、人工存儲(chǔ)信息等經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層上傳至系統(tǒng)層；同時(shí)，中央管控系統(tǒng)功能模塊對(duì)車間計(jì)劃制定、執(zhí)行、質(zhì)檢、物料追蹤、信息反饋以及資源動(dòng)態(tài)調(diào)度等進(jìn)行全面管控，構(gòu)建一個(gè)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(gè)模板，單純的運(yùn)用不能解決車間的根源問(wèn)題。智能車間方案設(shè)計(jì)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(jì)效益等綜合情況，針對(duì)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(huì)在產(chǎn)品質(zhì)量、工作效率、組織管理等方面帶來(lái)一系列的成果與創(chuàng)新。

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