基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的玻璃絕緣子智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬騰飛，楊志勇，谷長(zhǎng)春

（南昌航空大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引 言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為企業(yè)、政府和社區(qū)不可或缺的一部分。我國(guó)對(duì)于制造數(shù)字化進(jìn)行了積極研發(fā)，重點(diǎn)是云制造（CM）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)開放的、全球化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接，將工業(yè)、技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)深度融合[1]。

主要工業(yè)國(guó)家紛紛提出了新型制造業(yè)智能化升級(jí)發(fā)展戰(zhàn)略：以智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為核心，提出綜合性政策體系推動(dòng)發(fā)展，搶占新一輪工業(yè)變革制高點(diǎn)。美國(guó)注重信息技術(shù)的創(chuàng)新引領(lǐng)，推出了《先進(jìn)制造伙伴關(guān)系計(jì)劃》《先進(jìn)制造業(yè)戰(zhàn)略計(jì)劃》《美國(guó)先進(jìn)制造領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》等。德國(guó)重視信息物理系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，發(fā)布了《新高科技戰(zhàn)略（3.0）》《德國(guó)工業(yè)戰(zhàn)略2030》《信息物理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的交通、醫(yī)療、能源與制造創(chuàng)新》等，率先提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略[2-3]。我國(guó)將信息技術(shù)與工業(yè)制造融合作為發(fā)展重點(diǎn)，發(fā)布了《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》等，將智能制造作為國(guó)家先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)突破方向，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)，推動(dòng)工業(yè)制造向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)[4-5]。

通過上述分析，本文以玻璃絕緣子生產(chǎn)車間為背景，綜合運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、以5G和NB-IoT為代表的新一代通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)過程、裝備智能化以及產(chǎn)品的全過程可追溯，將生產(chǎn)線上的產(chǎn)品全部數(shù)字化，建成泛在感知條件下的透明工廠，推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[6]。

1 系統(tǒng)總體框架

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的鋼化玻璃絕緣子智能制造系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)應(yīng)用于一體的數(shù)據(jù)分析工具。通過現(xiàn)場(chǎng)安裝各種傳感器來準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)線產(chǎn)品及工廠環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用5G和NB-IoT[7]模塊將獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到云端數(shù)據(jù)庫。其中獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)包括溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)量及質(zhì)量參數(shù)、窯爐參數(shù)、壓模機(jī)參數(shù)、鋼化機(jī)參數(shù)、原料參數(shù)和熱沖擊參數(shù)。這些數(shù)據(jù)參數(shù)可以在Web、APP端和LED屏顯示，保證工作人員及時(shí)了解工廠產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。將得到的數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練出最佳配方模型及參數(shù)模型，框架設(shè)計(jì)如圖1所示。此系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)嵌入式+5G+云服務(wù)器+機(jī)器學(xué)習(xí)+前端顯示等方面的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了工廠的全面智能感知?；贜B-IoT、5G和傳感器，將工廠的感知信息和控制端口接入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控[8]，從而降低損耗，提高生產(chǎn)效益。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中新增的數(shù)據(jù)，不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練，使玻璃絕緣子的生成具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等智能特性，逐步提升玻璃絕緣子良品率。

圖1 框架設(shè)計(jì)

為建設(shè)在生產(chǎn)過程中可全面實(shí)時(shí)采集信息并進(jìn)行分析控制的透明工廠，實(shí)現(xiàn)絕緣子的智能制造，設(shè)計(jì)了玻璃絕緣子生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸系統(tǒng)，主要構(gòu)建生產(chǎn)要素信息采集子系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)境信息采集子系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制信息采集子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)分為感知數(shù)據(jù)采集層、基于NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)融合云平臺(tái)[9]。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的基礎(chǔ)[10]。數(shù)據(jù)集成與可視化分析平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是構(gòu)建產(chǎn)品生命周期全過程的數(shù)據(jù)集成和可視化服務(wù)體系，幫助工廠車間實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的智能制造。其主要任務(wù)是通過車間數(shù)據(jù)的提取、整理、分析和展示將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為企業(yè)管理者決策提供支持。

2.1 傳感器安裝

玻璃絕緣子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程：原料進(jìn)廠→配料→熔制→成型→鋼化→冷熱沖擊→檢驗(yàn)→裝配→養(yǎng)護(hù)→成品→抽樣試驗(yàn)→合格品出廠。根據(jù)工廠的流水線生產(chǎn)流程，繪制簡(jiǎn)易的流水線示意圖，從圖3中可以清楚看到各傳感器安裝部署位置及流水線運(yùn)行過程，工作人員可以通過Web、APP端或LED顯示屏查看流水線各部位傳感器接收的數(shù)據(jù)，以便于掌握每個(gè)階段的數(shù)據(jù)情況。

圖3 工藝流程及傳感器部署圖

現(xiàn)場(chǎng)布置的傳感器主要為溫濕度及PM2.5傳感器、激光計(jì)數(shù)傳感器以及殘次品統(tǒng)計(jì)臺(tái)。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的玻璃絕緣子智能制造系統(tǒng)的溫濕度及PM2.5傳感器、激光計(jì)數(shù)傳感器采用雙處理器協(xié)作方式，需要2種軟件開發(fā)。

（1）感知層系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為Keil C51，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、串口上傳程序等功能。STC89C52單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、串口通信等功能。

（2）傳輸層軟件采用Sublime Text編輯程序代碼，通過GCC編譯器生成可執(zhí)行文件，實(shí)現(xiàn)BC26串口接收單片機(jī)數(shù)據(jù)的功能，再以TCP協(xié)議上傳至服務(wù)器。

采用現(xiàn)場(chǎng)總線、Modbus、ZigBee、RFID等技術(shù)構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全面深化感知和生產(chǎn)系統(tǒng)集成管控，建成工廠的信息物理系統(tǒng)?；贛odbus網(wǎng)關(guān)和ESP8266等設(shè)備，設(shè)計(jì)制作從已有自動(dòng)化設(shè)備到工廠網(wǎng)關(guān)之間傳輸感知和控制數(shù)據(jù)的軟硬件模塊[11]，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)制作采集工廠車間內(nèi)溫度、濕度、粉塵顆粒濃度等與生產(chǎn)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)模塊。建立工廠CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠的全面智能感知。玻璃絕緣子質(zhì)量及良品率取決于原料配比，合理的配比需要不斷實(shí)踐與探索。在參數(shù)選取時(shí)采用一主多輔方式，以原材料配方數(shù)據(jù)為主，以生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、產(chǎn)品經(jīng)各環(huán)節(jié)爆裂數(shù)及控制臺(tái)統(tǒng)計(jì)的殘次品數(shù)為輔，通過機(jī)器學(xué)習(xí)得到最佳配比。在這一階段，實(shí)時(shí)采集劣品數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)量及廠區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)，其中劣品數(shù)據(jù)由人工在控制臺(tái)手動(dòng)輸入，產(chǎn)品數(shù)量由安裝在各部位的激光計(jì)數(shù)傳感器實(shí)時(shí)獲取，爐窯溫度參數(shù)及原料配比參數(shù)由終端設(shè)備及時(shí)更新。采集數(shù)據(jù)后統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、格式化、規(guī)范化操作。處理完成的數(shù)據(jù)將作為應(yīng)用層的輸入數(shù)據(jù)，供后續(xù)使用。

3 數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)上傳

各傳感器模塊接收的數(shù)據(jù)包經(jīng)NB-IoT+5G模組上傳云平臺(tái)存儲(chǔ)。以BC26為核心設(shè)計(jì)的NB-IoT模塊常用于無線抄表、共享單車、智能停車等領(lǐng)域?；贜B-IoT和5G技術(shù)構(gòu)建絕緣子生產(chǎn)全過程中生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸系統(tǒng)，以樹莓派/香橙派作為嵌入式主控板，設(shè)計(jì)制作連接數(shù)據(jù)中心和智能工廠的網(wǎng)關(guān)：對(duì)于上層網(wǎng)絡(luò)，通過NB-IoT和5G技術(shù)連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心；對(duì)于底層網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接工廠的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取傳感器數(shù)據(jù)，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。圖4所示為溫濕度及PM2.5數(shù)據(jù)收集上傳硬件框架。

圖4 溫濕度及PM2.5硬件框架

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

玻璃絕緣子生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫主要包括原材料、生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品缺陷控制信息數(shù)據(jù)庫，提供絕緣子智能制造和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、維護(hù)等服務(wù)?；贛ySQL搭建數(shù)據(jù)庫[12]，接收工廠網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)。通過需求分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供工廠網(wǎng)關(guān)連接入口，借助NB-IoT+5G模組將數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)后存儲(chǔ)，流程如圖5所示。當(dāng)所有來自傳感器的數(shù)據(jù)均上傳至云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫后，工作人員可通過云平臺(tái)深度挖掘數(shù)據(jù)，構(gòu)建生產(chǎn)過程各參數(shù)與良品率間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的智能控制，并給出提高品質(zhì)和良品率的建議。

圖5 數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)流程

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

為方便各層管理者及時(shí)了解產(chǎn)品生產(chǎn)概況，促進(jìn)對(duì)產(chǎn)品生命周期質(zhì)量問題及質(zhì)量信息的閉環(huán)管理，平臺(tái)通過綜合數(shù)據(jù)看板方便企業(yè)決策者掌握產(chǎn)品從原料入爐到產(chǎn)品成型的總體態(tài)勢(shì)，對(duì)質(zhì)量問題進(jìn)行分析和追溯，并快速做出決策。系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)為系統(tǒng)架構(gòu)的核心，采集的數(shù)據(jù)在此處進(jìn)行分析，從而挖掘出數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。平臺(tái)主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊劃分、數(shù)據(jù)分類集成、生產(chǎn)參數(shù)可視化、配方模型建立等，云平臺(tái)主界面如圖6所示。應(yīng)用層將集成的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，如生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制、窯爐溫度控制、配方生成、數(shù)據(jù)分析等。系統(tǒng)為管理者、客戶等提供訪問數(shù)據(jù)中心和查看生產(chǎn)狀態(tài)等服務(wù)，便于他們及時(shí)了解工廠的生產(chǎn)情況。

圖6 系統(tǒng)展示平臺(tái)主界面

（1）模塊劃分。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，將系統(tǒng)流程劃分為多個(gè)子模塊，包括窯爐工作日記、生產(chǎn)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)、產(chǎn)品缺陷統(tǒng)計(jì)以及用料統(tǒng)計(jì)，各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，便于科學(xué)管理。

（2）配方模型建立。通過搭建的數(shù)據(jù)庫收集生產(chǎn)過程各參數(shù)和良品率數(shù)據(jù)，采用主成分分析、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中新增的數(shù)據(jù)，不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練。玻璃絕緣子的生成具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等特性，可逐步提升玻璃絕緣子良品率。

（3）數(shù)據(jù)分析。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背景下，通過數(shù)據(jù)核心平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析界面設(shè)計(jì)，工作人員從界面圖表中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析，深度挖掘數(shù)據(jù)，從而提高企業(yè)產(chǎn)值。工作人員可以通過各模塊的數(shù)據(jù)變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題并處理。另外，通過數(shù)據(jù)分析，以二維碼作為信息載體對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量追溯。

通過大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)對(duì)系統(tǒng)和信息進(jìn)行優(yōu)化、整合，構(gòu)建自動(dòng)化和信息化集成管理和交互平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)信息和流程透明、智能控制、智能決策[13]。大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用是智能制造和機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，它利用數(shù)據(jù)勘探技術(shù)發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)改進(jìn)的機(jī)會(huì)將是智能化時(shí)代為工業(yè)制造提供持續(xù)改進(jìn)的主要手段。云平臺(tái)的構(gòu)建是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)收集和分析平臺(tái)。

5 關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)試分析

本項(xiàng)目中對(duì)系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)主要為原材料配方、爐溫、生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)量以及殘次品種類。為驗(yàn)證這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的準(zhǔn)確性，分別對(duì)其進(jìn)行分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)定各傳感器以固定周期向服務(wù)器端發(fā)送一次數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、封裝和校驗(yàn)碼計(jì)算。經(jīng)過24小時(shí)不間斷供電，激光傳感器、數(shù)碼管顯示、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、殘次品統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、原材料配方與爐溫?cái)?shù)據(jù)顯示均正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)100%。圖7所示為殘次品數(shù)量統(tǒng)計(jì)界面。

圖7 殘次品數(shù)量統(tǒng)計(jì)界面

在溫濕度數(shù)據(jù)測(cè)試中，將溫濕度模塊插入接口后，將燒錄好程序的NB-IoT模塊對(duì)接到控制板上，開啟遠(yuǎn)程桌面查看私人服務(wù)器，可以看到溫濕度系統(tǒng)接收的溫濕度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。每5 min接收一次溫濕度值和PM2.5值，每次只上傳一條給服務(wù)器。通過對(duì)溫濕度值和PM2.5值進(jìn)行不間斷收集，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)99.9%。圖8、圖9分別為PM2.5與溫濕度變化圖。

圖8 PM2.5變化圖

圖9 溫濕度變化圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，收集一天的生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，測(cè)試表明，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，各功能模塊數(shù)據(jù)可視化程度較高，工作人員可在網(wǎng)頁端或點(diǎn)陣顯示屏查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的配方模型得到的原材料配方比可以很好地解決良品率不足的問題。圖10所示為系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型生成的原料配方比。

圖10 原料配方比

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工廠的全面智能感知，基于NB-IoT和5G技術(shù)將工廠的感知信息和控制端口接入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控；運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立質(zhì)量控制模型，自動(dòng)配料系統(tǒng)和成型系統(tǒng)在生產(chǎn)中具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；將數(shù)控加工中心、數(shù)控車床、自動(dòng)化裝配檢測(cè)流水線等制造設(shè)備接入數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)工廠全面感知和聯(lián)網(wǎng)等。

目前該行業(yè)機(jī)械化程度高，但有部分工作還需人工完成，實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)后，可以提高產(chǎn)品品質(zhì)，使生產(chǎn)能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。