基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)探索*

周建桂，汪 紅

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

德國“工業(yè)4.0”是由德國政府在2013年漢諾威工業(yè)博覽會首次提出，是新時代科技創(chuàng)新向智能化發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，是繼工業(yè)1.0的蒸汽時代、工業(yè)2.0的電氣化時代和工業(yè)3.0的信息化時代之后的又一新的智能化時代。它是基于物聯(lián)信息系統(tǒng)(Cyber—Physical System簡稱CPS)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程供應(yīng)、制造和銷售信息的數(shù)據(jù)化和智能化，最終達(dá)到快速、高效、智能、個性化的產(chǎn)品供應(yīng)[1-2]。

“中國制造2025”是李克強(qiáng)總理在兩會報(bào)告中首次提出，是黨中央、國務(wù)院總攬國內(nèi)外發(fā)展形勢，站在提高我國的國際競爭力、增強(qiáng)綜合國力和保障國家安全的戰(zhàn)略高度上做出的重要的戰(zhàn)略部署，其核心是加快推進(jìn)中國制造創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國制造向中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)型。顯然，實(shí)施“中國制造2025”重大戰(zhàn)略勢必對人才提出了全新和更高的要求，亟需建立面向生產(chǎn)實(shí)際的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)境[3-5]。

高校是培養(yǎng)和儲備人才的搖籃，職業(yè)教育作為與制造企業(yè)聯(lián)系緊密的一種教育模式，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院準(zhǔn)確把握服務(wù)好“中國制造2025”，決定將基于德國工業(yè)4.0開發(fā)的智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺融入課堂教學(xué)，加快推進(jìn)高端崗位的智能制造創(chuàng)新應(yīng)用人才的培養(yǎng)[6-8]。

1 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)組成

為了服務(wù)“中國制造2025”和滿足智能制造高端產(chǎn)業(yè)對人才的需求，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院充分吸取了德國“工業(yè)4.0”的精華所在，搭建了能夠滿足集工業(yè)機(jī)器人和智能制造生產(chǎn)設(shè)備于一體的智能制造生產(chǎn)線實(shí)踐平臺。平臺的硬件系統(tǒng)是由一臺數(shù)控車床工作站、一臺數(shù)控加工中心工作站、三臺6軸搬運(yùn)機(jī)器人、一套翻轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)、一套智能倉儲單元、一臺AGV智能運(yùn)輸單元、一臺激光打標(biāo)機(jī)、一套上＼下料臺、一臺質(zhì)量抽檢臺及控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺的不同單元處理不同的工藝過程，其中，智能倉儲單元包括毛坯庫和成品庫，是存儲待加工毛坯工件和加工成品工件；上料單元主要完成的是對指定待加工工件（教學(xué)為不銹鋼工件或?qū)嶋H生產(chǎn)為不銹鋼工件）的供料；下料單元完成對加工完成工件的下料出廠；數(shù)控加工中心單元則是完成工件表面處理、鉆孔等；AGV運(yùn)輸單元主要完成物料在每個站點(diǎn)的配送與運(yùn)輸成品入庫，具備自動運(yùn)輸和工位定位功能；激光打標(biāo)機(jī)主要完成對成品工件的加工時間標(biāo)記，可進(jìn)行產(chǎn)品追溯；機(jī)器人配合其他單元完成搬運(yùn)工作。這幾個的單元相互配合，共同組成了集生產(chǎn)、管理與售后等多環(huán)節(jié)為一體的智能制造生產(chǎn)線。

圖1 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)組成圖

1.1 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺運(yùn)行架構(gòu)介紹

該智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)由柔性自動化系統(tǒng)、物聯(lián)及信息管理系統(tǒng)組成。柔性自動化系統(tǒng)通過將數(shù)控車工作站、加工中心工作站和智能立體庫通過工業(yè)機(jī)器人和AGV輸送系統(tǒng)建立起完整的智能生產(chǎn)線；設(shè)備物聯(lián)及信息管理系統(tǒng)是由生產(chǎn)制造信息管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES系統(tǒng)）、分布式數(shù)控（Distributed Numerical Control，簡稱DNC）系統(tǒng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及智能制造管控系統(tǒng)組成，信息管理系統(tǒng)可將待生產(chǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送至自動化生產(chǎn)現(xiàn)場，也可將生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息和設(shè)備狀態(tài)實(shí)時采集到信息管控系統(tǒng)中，并對加工現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)實(shí)時管控。在加工過程中，通過PLC控制技術(shù)與傳感器檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)線節(jié)工藝節(jié)拍控制以及加工數(shù)據(jù)實(shí)時采集、識別和監(jiān)控，使生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全智能化，同時整合了云平臺，加大了信息互聯(lián)技術(shù)在設(shè)備智能制造中的應(yīng)用。在整個互聯(lián)互通的生產(chǎn)系統(tǒng)中，也可進(jìn)行人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)管理的透明化和可視化。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 生產(chǎn)線平臺工藝技術(shù)說明

該智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺綜合應(yīng)用了現(xiàn)代實(shí)際生產(chǎn)中先進(jìn)的各種實(shí)用技術(shù)和知識點(diǎn)，以生產(chǎn)制造信息管理系統(tǒng)MES為核心，融合智能生產(chǎn)設(shè)備、激光器、工業(yè)機(jī)器人、AGV智能運(yùn)輸、智能立體倉庫、視覺識別等多種先進(jìn)智能設(shè)備，充分發(fā)揮工業(yè)4.0智能工廠生產(chǎn)管理調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)，緊貼企業(yè)應(yīng)用前沿，建設(shè)集教學(xué)、實(shí)際生產(chǎn)為一體的數(shù)字化智能制造生產(chǎn)車間。智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺涵蓋的技術(shù)框圖如圖3所示，工藝過程具體包括以下技術(shù)：智能制造管理系統(tǒng)、PLC編程技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電氣控制技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、氣動應(yīng)用技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、驅(qū)動控制技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)通訊、先進(jìn)的控制技術(shù)等。

圖3 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺涵蓋的技術(shù)框圖

1.3 智能制造生產(chǎn)線的信息模塊建設(shè)

系統(tǒng)接受訂單可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是本地輸入計(jì)劃清單，并下達(dá)任務(wù)清單，這種方式適用于現(xiàn)場操作人員，另一種是通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布任務(wù)清單，也就是采用B/S架構(gòu)，即客戶通過PC端的網(wǎng)頁編輯加工類型、發(fā)布人和發(fā)布時間等信息，并提交任務(wù)清單，接受任務(wù)清單計(jì)劃可在分控臺或者移動設(shè)備接受任務(wù)清單計(jì)劃。

2 智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

整條生產(chǎn)線的每個單元都依照現(xiàn)代工業(yè)智能制造過程特點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，不僅具有工業(yè)智能制造靈活定制、下單、批量化生產(chǎn)的特色，而且在教學(xué)上，這四個工作站單元中的每一個單元都具有自己獨(dú)特的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)。通過將這四個工作站根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行任意組合，既可能夠滿足初學(xué)者的教學(xué)需求，也可能夠滿足高級教育者和工程師的技能提升，是一款適用于面向很廣教學(xué)對象的實(shí)用型教學(xué)設(shè)備。

3 結(jié)束語

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺融合了工業(yè)智能制造的基本特征，以MES系統(tǒng)為核心的智能制造生產(chǎn)線可完成訂單管理、加工進(jìn)度管理、物料運(yùn)輸管理、數(shù)據(jù)采集、物料庫存信息管理、質(zhì)量檢測管理和設(shè)備利用率管理等任務(wù)，并采用工業(yè)自動化主流控制器PLC。智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可加工碳鋼和不銹鋼工件，具有靈活應(yīng)用性，更加貼近實(shí)際生產(chǎn)加工過程，一方面培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)主動性，另一方面加快學(xué)校產(chǎn)學(xué)同步的快速發(fā)展。