自動(dòng)化智慧工廠技術(shù)框架與控制關(guān)鍵技術(shù)的研究

吳庭貴

摘 要：自動(dòng)化智慧工廠是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的新階段。智慧工廠的技術(shù)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化控制技術(shù)，有利于加強(qiáng)企業(yè)生產(chǎn)中的信息管理，提高了可控性，減少人工干預(yù)。針對自動(dòng)化智慧工廠，構(gòu)建技術(shù)框架是基礎(chǔ)，在實(shí)施中要解決控制中的大數(shù)據(jù)、虛擬仿真、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)其在實(shí)際工廠中得以大規(guī)模應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù);智慧工廠;技術(shù)框架;關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)化智慧工廠是將具有感知、監(jiān)控能力的傳感器與控制器應(yīng)用于生產(chǎn)線，借助智能分析實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制，以提高制造質(zhì)量效率，降低資源消耗。自動(dòng)化智慧工廠的構(gòu)建要明確技術(shù)框架，突破多項(xiàng)控制關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。

1.智慧工廠的主要特征

隨著新技術(shù)的發(fā)展，工廠自動(dòng)化成為企業(yè)技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的方向，近年來，由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，更多感知、監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，智慧工廠得以實(shí)現(xiàn)。智慧工廠對于企業(yè)提高加以效率，降低工序成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)發(fā)揮著重要的作用。智能工廠可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的制造服務(wù)。智能工廠可以包含數(shù)字工廠的所有特點(diǎn)，體現(xiàn)出自動(dòng)化、模型化、集成化等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了制造協(xié)同、制造執(zhí)行、制造互聯(lián)（圖1）。智能工廠不僅具有預(yù)測能力，還具有自我診斷能力、自我維護(hù)能力，可以理解環(huán)境信息。智慧工廠借助計(jì)算機(jī)將生產(chǎn)制造中的各類數(shù)據(jù)簡單明了地展現(xiàn)出來，讓制造更加高效有序。

2.自動(dòng)化智慧工廠的技術(shù)框架

2.1物物互聯(lián)層

在智慧工廠，物物互聯(lián)層面向生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)與操作人員，制造資源得以集成。物物互聯(lián)層針對多源數(shù)據(jù)的采集，借助各類傳感器、物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)簽、二維碼來獲取各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸通過協(xié)議的支持，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)制造層面不同資源的互聯(lián)，制造過程保證精確以及可靠。

2.2對象感知層

智慧工廠針對智能感知層設(shè)備了多種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)了體系化管理。智慧工廠針對傳感器管理采用了數(shù)據(jù)格式化封裝，建立了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以主動(dòng)感知制造資源生成的各類數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)化定義交互操作，解析用戶的行為，實(shí)現(xiàn)對事務(wù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)感知。

2.3數(shù)據(jù)分析層

制造過程會生成多種，借助提取一轉(zhuǎn)換一裝載將產(chǎn)線上傳感器分散的數(shù)據(jù)集成，變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，構(gòu)建出數(shù)據(jù)庫;借助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，從網(wǎng)絡(luò)模型中挖掘數(shù)據(jù)間的耦合機(jī)理，確定出預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品加工過程控制的最優(yōu)，對制造過程的動(dòng)態(tài)管理，提升了制造的管理水平。

3.智慧工廠關(guān)鍵技術(shù)

3.1工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

國外研究工業(yè)機(jī)器人始于上世紀(jì)中后期，近年來研究工業(yè)機(jī)器人取得了很大的進(jìn)步，可以滿足不同行業(yè)的需求，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品在向著規(guī)模化的方向發(fā)展。特別是以日本、德國、美國為代表的發(fā)達(dá)國家針對工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人領(lǐng)域掌握了大量的關(guān)鍵技術(shù)，在產(chǎn)品開發(fā)方向積累了很多研究成果。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用方向包括電弧焊、冶金、焊接、自動(dòng)化裝配、搬運(yùn)、噴涂、切割等較為簡單但是多次重復(fù)的工序，特別是在汽車制造業(yè)，需要多種機(jī)器人完成不同的工序加以。當(dāng)前柔性小機(jī)器人也應(yīng)用了3C電子領(lǐng)域，有效提高了裝配的精度與速度。IRB120作為ABB Robotics公司換代產(chǎn)品，是最新一代六軸機(jī)器人的代表之一，負(fù)載可以達(dá)到3kg。它的設(shè)計(jì)專門對制造業(yè)，可以滿足柔性加以的需要，如可以廣泛于電子計(jì)算機(jī)行業(yè)。機(jī)器人作為一類開放式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是更加適合于柔性加工領(lǐng)域。它可安裝于多種工序中，能廣泛與外部系統(tǒng)發(fā)生通信。機(jī)器人可以配有IRC5C，還可以選擇IRC5控制器。當(dāng)前機(jī)器人主流的控制軟件Roboware?；赗obotware機(jī)器人系統(tǒng)可以具有多種功能，如實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制、程序開發(fā)以及通信等。

3.2系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)

在智慧工廠技術(shù)框架下，發(fā)揮關(guān)鍵作用的是PLC系統(tǒng)，各類控制參數(shù)要途經(jīng)PLC內(nèi)部，設(shè)備控制借助Profinet完成數(shù)據(jù)通訊。（1）PLC和機(jī)器人發(fā)生數(shù)據(jù)交換。PLC和機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換采用了Profinet，另外機(jī)器人選擇了Profinet板卡，可以結(jié)合需要選裝software。當(dāng)前自動(dòng)化控制多采用PROFINETSlaveSW（SoftWare），可以實(shí)現(xiàn)（optionnumber888-3）。系統(tǒng)的網(wǎng)線端口借助LAN口與交換機(jī)連接，完成與PLC的數(shù)據(jù)交換。（2）PLC和相機(jī)發(fā)生通訊。Montrac與自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)連接，PLC與相機(jī)的數(shù)據(jù)交換也采用了Profinet通訊。（3）相機(jī)和機(jī)器人發(fā)生通訊。實(shí)踐表明，CognexCamera與Robot發(fā)生通訊方式僅借助TCP/IP實(shí)現(xiàn)，這種方式通訊速度難以保證，多種數(shù)據(jù)通信時(shí)存在延時(shí)的影響;機(jī)器人可以優(yōu)先設(shè)置，Motion可對相關(guān)指令可以優(yōu)化。通訊任務(wù)的執(zhí)行通過后臺程序?qū)崿F(xiàn)，需要較長的更新時(shí)間;相機(jī)拍攝相關(guān)參數(shù)可能存儲于PC的內(nèi)部，PLC要確定數(shù)據(jù)的類型。Robot和PLC發(fā)生通訊存在字節(jié)數(shù)量上限的影響。由于上述多種因素的影響，相機(jī)和機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)Profinet條件下的通訊。（4）PC和PLC發(fā)生數(shù)據(jù)交換。PC在運(yùn)行組態(tài)軟件時(shí)，PLC內(nèi)置的保護(hù)設(shè)置可以靈活設(shè)置，可以采用“允許遠(yuǎn)程控制方通訊訪問”。此外，HMI對于PLC存在的DB數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀寫，因此可以保證數(shù)據(jù)監(jiān)控與參數(shù)設(shè)置易于實(shí)現(xiàn)。智慧工廠作為一類開放式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是更加適合于柔性加工領(lǐng)域。它可安裝于多種工序中，能廣泛與外部系統(tǒng)發(fā)生通信。工業(yè)機(jī)器人可以配有IRC5C，還可以選擇IRC5控制器。當(dāng)前機(jī)器人主流的控制軟件Roboware?；赗obotware機(jī)器人系統(tǒng)可以具有多種功能，如實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制、程序開發(fā)以及通信等。

3.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的每個(gè)部分根據(jù)不同的協(xié)議進(jìn)行通信和控制。一是針對S7-1500PLC特別采用了程序選擇模塊。其功能是為了程序管理的方便，可以針對PLC控制中的FB、DB、FC?；贗RC5進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工的數(shù)據(jù)交換以及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，Process中的PLC可以和機(jī)器人實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。為對相機(jī)拍照加以控制，判定拍照結(jié)果。當(dāng)前生產(chǎn)線采用了可以與S7-1200兼容的軟件STEP_7_Basic_V10.5，此軟件的特點(diǎn)具有硬件模塊自動(dòng)地址分配功能，還可以實(shí)現(xiàn)通訊連接、程序編譯下載等多種功能。用戶能有選擇地創(chuàng)建功能塊，還可以進(jìn)行變量標(biāo)簽、報(bào)警、HMI屏幕作為本地或全局庫，可用于所有項(xiàng)目。

3.4監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，下位機(jī)PLC可以與上位機(jī)發(fā)生數(shù)據(jù)通信，通常借助RS-232/422串口得以實(shí)現(xiàn)。為了消除通信速度慢、可靠性低的問題。針對通信準(zhǔn)確性的解決采用了增加校驗(yàn)機(jī)制。PLC與上位機(jī)發(fā)生通信可選擇PROFIBUS總線，也可以采用太網(wǎng)通信。太網(wǎng)通信速度可以保證，但要配備以太網(wǎng)模塊，還要以太網(wǎng)卡以及PC機(jī)，且前期的開發(fā)存在較大的難度，因此選擇Profinet通信。上位機(jī)結(jié)合地址可以顯示錯(cuò)誤代碼與報(bào)警類型。針對設(shè)備維護(hù)人員的需要，增加了故障報(bào)警功能，PLC與上位機(jī)特別預(yù)留了不同類型的報(bào)警信息。如果要添加其他報(bào)警，要在PLC關(guān)聯(lián)報(bào)警變量，上位機(jī)中表達(dá)報(bào)警內(nèi)容。

上位機(jī)軟件當(dāng)前使用的主流軟件為intouch2014。上位監(jiān)控與數(shù)據(jù)源獲取借助軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫包括InTouch公司發(fā)布的SQL Server 2012 Express。采用MP Line數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以保證穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)輸出可以采用Visual Studio 2012 系統(tǒng)，以圖形和表格的形式呈現(xiàn)。PC機(jī)的操作系統(tǒng)為Windows7企業(yè)版、SP1專業(yè)版，內(nèi)存大于8G，硬盤大于500g。安裝殺毒軟件是預(yù)防客戶頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生中毒或數(shù)據(jù)丟失。

軟件根據(jù)不同臺站的不同要求，數(shù)據(jù)庫應(yīng)可以適應(yīng)于多種數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)報(bào)表。為保證上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫與報(bào)表信息不會互相干擾，程序設(shè)計(jì)采用了雙數(shù)據(jù)庫模式。配置數(shù)據(jù)庫可以存儲InTouch程序生成的多種數(shù)據(jù);報(bào)表信息可以存儲工件數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。PLC上電初始化完成后，程序可以為運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

4.結(jié)束語

當(dāng)前自動(dòng)化智慧工廠發(fā)展趨勢。智能工廠能有效提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，降低人工成本。智能工廠的實(shí)現(xiàn)要明確技術(shù)框架，對關(guān)鍵技術(shù)加以突破，保證控制得更加精準(zhǔn)。

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