探討鑄造工廠物聯(lián)網(wǎng)與智能傳感技術(shù)的應(yīng)用方案

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計室，江蘇江陰）

現(xiàn)代鑄造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用先進的技術(shù)裝備和自動化控制對實現(xiàn)生產(chǎn)過程生產(chǎn)能力匹配、安全可靠、環(huán)保和協(xié)調(diào)性非常重要。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)管理，就是一種適時的生產(chǎn)現(xiàn)場管理模式，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵?，F(xiàn)代鑄造生產(chǎn)的全過程管理要同時考慮產(chǎn)能、效率、環(huán)保和質(zhì)量。其中，材料配比、裝備運行性能、煙氣排放和工藝技術(shù)都是重點考慮因素。

例如：造型機的性能、工序匹配和型砂定量控制；造型振動緊實臺對型砂緊實率的影響；砂處理混砂機混合能力和材料配比對型砂性能的影響；砂處理舊砂溫度、濕度和鐵雜物對砂再生的影響；振動落砂機有效載荷、振幅、頻率和噪音的影響；熔化工部的爐料定量配比、煙氣排放等；各工部設(shè)備生產(chǎn)運行的故障及安全隱患；生產(chǎn)車間工況環(huán)境對溫度、粉塵、煙氣的環(huán)保指標控制等。均直接反映了生產(chǎn)運行和管理水平。

通過對生產(chǎn)現(xiàn)場進行有效的互聯(lián)網(wǎng)智能化管理，進行對生產(chǎn)的實時檢測、監(jiān)控來處理和協(xié)調(diào)解決各種因果關(guān)系，形成一個可控的有效工作區(qū)域，達到即符合工藝裝備的運行管理又符合生產(chǎn)要求的安全、可靠與產(chǎn)能匹配。這是互聯(lián)網(wǎng)在鑄造企業(yè)應(yīng)用的意義所在。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不單是一個完成傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且是一個借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。借助和發(fā)揮工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用智能傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻，進行多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的調(diào)控，完成自控任務(wù)。形成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實時性、確定性、可靠性、安全性和工況環(huán)境的適應(yīng)性。是鑄造產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)全過程生產(chǎn)管理的優(yōu)化、簡便、高效率的重要手段。

1 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999 年的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議中提出來的。物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱：“The Internet of Things”.其含意：1）物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上的延伸、擴展的一種傳感網(wǎng)絡(luò)；2）其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種感智網(wǎng)絡(luò)；3）物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是利用智能傳感技術(shù)（射頻識別、智能傳感器），通過通信手段（有線、無線、衛(wèi)星通信等）把不同的實體用網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)即時信息共享、遠程監(jiān)控、自動報警的功能。

隨著現(xiàn)代智能傳感技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的關(guān)鍵技術(shù)上均獲得很大的發(fā)展。智能交通、智能電網(wǎng)、智能安防、智能醫(yī)療等等都是物聯(lián)網(wǎng)比較成熟的應(yīng)用。

1.2 未來前景

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、物流、食品安全和管理職能等部門都會高速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的推廣將會成為經(jīng)濟發(fā)展的又一個驅(qū)動力，為產(chǎn)業(yè)開拓提供又一個潛在機會。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中針對局域性的開發(fā)，可通過對物體屬性進行標識。屬性包括靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性可直接存儲在標識內(nèi)，動態(tài)屬性則是先由智能傳感器進行實時探測或利用射頻自動識別技術(shù)，將傳感器讀取獲得的信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，進行對數(shù)據(jù)采集，再按設(shè)定的要求進行大數(shù)據(jù)分析處理，處理由系統(tǒng)的處理中心進行。最后達到目標（標的、標識）的設(shè)定值或結(jié)果。

2 鑄造企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

在現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)線現(xiàn)場建立一個局域性的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集；可通過已確定的裝備主要技術(shù)參數(shù)來進行標識，并作為判別依據(jù)，建立測試數(shù)據(jù)庫，利用視頻監(jiān)控或遠程監(jiān)控對現(xiàn)場進行測試監(jiān)控，最終實現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和生產(chǎn)效益的互補和提高。

2.1 鑄造企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢

1）從工藝裝備上做嘗試，通過智能傳感器對動態(tài)屬性進行標識。如：造型工部的造型機、振動臺，型砂制備工部的混砂機、砂處理的振動落砂機等進行動態(tài)標識；對熔煉工部的爐料配比進行靜態(tài)標識；并通過視頻實時監(jiān)控，再逐步發(fā)展向生產(chǎn)單元，并實現(xiàn)局域范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。從而實現(xiàn)生產(chǎn)線大規(guī)模自動化控制，實現(xiàn)提高效益，降低成本的可能。

2）從鑄造產(chǎn)業(yè)全過程的局域考慮，利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從單元生產(chǎn)環(huán)節(jié)嘗試，再擴展到多個生產(chǎn)車間。這樣形成的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，再經(jīng)過處理中心進行大數(shù)據(jù)分析處理，獲得診斷結(jié)果。同時利用這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，預(yù)警和預(yù)報在監(jiān)控中出現(xiàn)的問題，獲得及時調(diào)控，及時防范等。這對生產(chǎn)全過程的產(chǎn)能、安全、人力配置等都能達到優(yōu)化。

3）智能傳感器的應(yīng)用。通過采用速度傳感器、重力傳感器、振動傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等智能傳感器實現(xiàn)鑄造過程的數(shù)據(jù)采集。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)嘗試的意義

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包含三大結(jié)構(gòu)：智能感知結(jié)構(gòu)、信息傳輸結(jié)構(gòu)和處理應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

1）智能感知結(jié)構(gòu)，是利用各類智能傳感器來反映現(xiàn)實過程的特征和狀態(tài)，并將獲取的信息進行數(shù)字化。

2）信息傳輸結(jié)構(gòu)，是通過互聯(lián)網(wǎng)、有線、無線通信的網(wǎng)絡(luò)傳輸智能感知獲取的信息。

3）處理應(yīng)用結(jié)構(gòu)，是利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對海量的信息進行快速處理。按用戶實際需要獲得相應(yīng)的服務(wù)。

借助物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能管理技術(shù)，來為鑄造生產(chǎn)和工藝裝備服務(wù)，這是一項技術(shù)創(chuàng)新的嘗試，也是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中進行局域管理的有限嘗試。

現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)作為一個傳統(tǒng)的行業(yè)，已形成基本的生產(chǎn)體系與規(guī)模。利用這種體系，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為一個平臺展現(xiàn)，并在局域范圍內(nèi)獲得嘗試成功，則可讓更多的行業(yè)感受到應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的價值和意義，將促進物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)行業(yè)的進一步發(fā)展。

3 智能化傳感器技術(shù)

智能傳感器，作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)，是一種現(xiàn)代科技發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)?？蓪崿F(xiàn)對各種實際活動操作過程的檢測、檢驗和實時控制。

智能傳感器，可以對現(xiàn)實反映的壓力、位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動、沖擊、溫度和應(yīng)力應(yīng)變等通過傳感器、變送器采集的信號、數(shù)據(jù)進行實時處理、存儲、分析、調(diào)整和控制。

目前，傳感器廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)、橋梁工程、地震監(jiān)測、房屋故障診斷、環(huán)保綜合治理以及對振動沖擊、動平衡、動剛度、彈性體、應(yīng)力應(yīng)變、繞曲度、承載力等各種環(huán)節(jié)的技術(shù)測量和監(jiān)測。

在鑄造生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)上，應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對工藝設(shè)備運行中的位置反饋信號進行數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控和數(shù)值測試，可以達到對工藝參數(shù)補償、修正的目的。如應(yīng)用在振動設(shè)備、驅(qū)動機、輸送機、空壓機、加熱器、氣動液壓元件、車間環(huán)境監(jiān)測等等方面，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的實時控制。

4 幾種智能傳感器在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

在鑄造生產(chǎn)管理和檢測全系統(tǒng)上，應(yīng)用智能傳感器非常普遍，特別是鑄造砂處理工部。如應(yīng)用在振動設(shè)備、動力設(shè)備、輸送設(shè)備、冷卻加熱設(shè)備、氣動液壓元件，以及車間環(huán)境監(jiān)測等方面。

4.1 NS 稱重/拉壓力傳感器

1）NS-WL1 型拉壓力傳感器傳感器采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于電子稱量衡、單軌吊稱、料斗稱等。具有稱量精度高、安裝簡單、使用方便的特點。

2）NS-TH1 型稱重傳感器 傳感器采用組合式應(yīng)變計結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的動態(tài)、靜態(tài)稱量，電子稱量衡、吊稱、料斗稱等。具有過載保護的特點。

3）NS-TH 15 型無線裝置稱重/拉壓力傳感器無線裝置傳感器可實現(xiàn)壓力、位移、稱重、溫度、濕度、圖像的信號檢測、處理及無線發(fā)送、顯示等功能，具有遠程信號采集和實時顯示的功能。

4）NS-TH 16 型智能（數(shù)字）稱重/拉壓力傳感器數(shù)字式傳感器系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式傳感器基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)集成而發(fā)展起來的一種新型電子稱重技術(shù)。由模擬傳感器和數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊二部分組成。

5）NS-NJ1 型扭矩傳感器 扭矩傳感器采用正應(yīng)變結(jié)構(gòu)，適用于靜態(tài)、非連續(xù)旋轉(zhuǎn)的扭矩力值的測量。具有稱量精度高、使用方便的特點。

4.2 NS 位移傳感器

1）NS-WY04 型位移傳感器變送器 位移傳感器變送器采用差動變壓器原理，具有精度高、量程范圍大、移動平滑、使用方便的特點。

2）NS-RA 型角位移變送器 角位移變送器利用轉(zhuǎn)動的角度變換成電信號，具有線性好、精度高、測量角度范圍大、工作穩(wěn)定、使用方便的特點。

4.3 NS 壓力傳感器

1）NS-B 型壓力傳感器 廣泛應(yīng)用于航空、航天、石化、冶金等行業(yè)的自動化控制。采用全密封結(jié)構(gòu)，具有動態(tài)、靜態(tài)特性好、可靠性強、使用方便的特點。

2）NS-Z 型智能（數(shù)字）壓力變送器 采用先進的微處理技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)。廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金等行業(yè)。具有零點自動調(diào)整、使用方便的特點。

4.4 一體化速度式振動變送器

一體化速度式振動變送器是將速度傳感器及信號處理電路合二為一的就地變送器。能將現(xiàn)場采集的振動信號直接變換為4～20mA 的標準信號輸出。

4.5 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是安裝于測速端蓋上，感應(yīng)導(dǎo)磁體上凸起的齒輪或是凹下的槽，相應(yīng)給出高低電平，用于檢測輪軸的轉(zhuǎn)速。該傳感器具有良好的高頻、低頻特性，測速范圍寬、溫度適應(yīng)范圍寬、抗振性強、安裝使用方便的特點。

5 物聯(lián)網(wǎng)在鑄造企業(yè)應(yīng)用的設(shè)計案例

2015 年年初，為江蘇某精密鑄造有限公司設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的方案，由于各種原因該項目沒有上馬，現(xiàn)作為一種設(shè)計思路僅供參考。

5.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案的現(xiàn)場考察提案

5.1.1 鑄造車間鑄件生產(chǎn)的過程跟蹤目標

物聯(lián)網(wǎng)在鑄造生產(chǎn)過程要實現(xiàn)的目標：1）RIFD 數(shù)字射頻掃描；2）計算機管理平臺、可以形成報表（數(shù)據(jù)處理）；3）利用物聯(lián)網(wǎng)智能（稱重）傳感器對原材料（蠟料配方、電爐配料）跟蹤記錄；4）利用物聯(lián)網(wǎng)智能（稱重）傳感器，對鑄件成品與廢品率跟蹤記錄；5）構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（員工操作、安全生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗）；6）實現(xiàn)鑄件成品入庫、出庫的網(wǎng)絡(luò)跟蹤記錄。

5.1.2 鑄造車間生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控（建立檢測網(wǎng)絡(luò)）

物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控方面實現(xiàn)的目標：1）車間澆注產(chǎn)生的煙氣成分的智能檢測分析；2）車間環(huán)境內(nèi)氣味、粉塵含量實時檢測記錄；3）車間環(huán)境內(nèi)溫度、濕度的實時監(jiān)控檢測記錄。

5.1.3 鑄造車間能源監(jiān)控（建立檢測網(wǎng)絡(luò)）

物聯(lián)網(wǎng)在鑄造車間能源監(jiān)控方面實現(xiàn)的目標：1）工廠各車間工段的電、水、汽消耗檢測報告；2）熱處理、清理車間、失蠟成型和澆注工段的用電消耗檢測報告。

5.1.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能（建立網(wǎng)絡(luò)站）

物聯(lián)網(wǎng)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方面實現(xiàn)的目標：1）跟互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，可以在車間任意工段、區(qū)域登陸，查看工廠車間的實時生產(chǎn)情況、生產(chǎn)數(shù)據(jù)（報表、記錄）和監(jiān)控等。2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)勢，可以讓客戶準確了解公司的實時現(xiàn)狀情況，擺脫傳統(tǒng)的上門調(diào)研、考察的局限性。

5.1.5 遠程技術(shù)支持（建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)）

當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障，需要專業(yè)技術(shù)人員提供現(xiàn)場服務(wù)時，利用遠程服務(wù)器，可使工程師立即與現(xiàn)場的設(shè)備建立通訊連接，通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭和程序分析判斷出故障原因，及時排除?？梢蕴岣呱a(chǎn)設(shè)備的利用率。

5.2 智能傳感器、網(wǎng)絡(luò)及界面的技術(shù)應(yīng)用

5.2.1 智能傳感器應(yīng)用

（1）粉塵檢測儀對工況環(huán)境的實時檢測

1）配置40 mm 濾膜在線采樣器；可在監(jiān)測顆粒物濃度的同時收集粉塵樣品。

2）具有可更換粒子切割器PM10、PM5、PM2.5、PM1.0 及TSP 供選擇；

3）直讀粉塵質(zhì)量濃度（mg/m3），1 min 出結(jié)果；

4）檢測靈敏度：（低）0.01mg/m3；（高）0.001 mg/m3；

5）測量范圍：（低）0.01 mg/m3～100 mg/m3；（高）0.001 mg/m3～10 mg/m3；

6）測定時間：標準時間為1 min，設(shè)有0.1 min及手動檔（可任意設(shè)定采樣時間）；

（2）稱重系統(tǒng)用重力傳感器對材料計量控制

1）集成了加法秤、減法秤、分選秤功能，傳感器防護等級：IP68.

2）工作溫度范圍：-30 ℃～+70 ℃.

（3）采用濕度傳感器對環(huán)境濕度的實時監(jiān)測

濕度測量范圍：10～95% RH；-15 ℃～0 ℃，供電：24VDC.

（4）采用溫度傳感器對環(huán)境溫度的實時監(jiān)測

實時溫度顯示，MODBUS 通訊功能。

（5）RFID（數(shù)字射頻掃描）精密鑄件成型數(shù)量統(tǒng)計、入庫檢測。

（6）分貝儀dB（A）（噪音控制）實現(xiàn)運行設(shè)備與工況環(huán)境實時檢測。

5.2.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案

1）遠程抄表系統(tǒng)實現(xiàn)對傳感器傳輸數(shù)據(jù)的分析與終端顯示[1]；

2）遠程登錄攝像節(jié)點和安全、管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、行政部門及其他節(jié)點的關(guān)聯(lián)[2]。

5.2.3 設(shè)置布控點、設(shè)定標的

1）蠟?zāi)３尚停ㄈ斯?、機械）、蠟?zāi)Ｙ|(zhì)檢、編號控制、整合排列與環(huán)境設(shè)定標的。

2）涂料成型與失蠟、轉(zhuǎn)運輸送過程與環(huán)境設(shè)定標的。

3）熔煉原材料控制、熔煉配比、批次、澆注、冷卻、煙氣排放設(shè)定標的。

4）拋丸清理、熱處理（能耗控制）、舊砂處理、粉塵控制設(shè)定標的。

5）成品檢驗、返修、組合與環(huán)境設(shè)定標的。

6）成品裝箱、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、入庫設(shè)定標的。

通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控、識別，調(diào)整生產(chǎn)管理過程的不足與問題，控制環(huán)境空氣質(zhì)量的改善，安全隱患與防范等等。初步實現(xiàn)實時監(jiān)控、實時調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)管理體系。

5.2.4 終端界面（網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控室）

1）電腦監(jiān)控（屏幕顯示模式）；2）實時報表（數(shù)據(jù)處理顯示）；3）打印機（功能服務(wù)工具）。

5.3 目標預(yù)測

該方案將形成一種現(xiàn)代智能化工廠的管理模式?？梢栽O(shè)想，在現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)線現(xiàn)場建立一個局域性的互聯(lián)網(wǎng)+智能傳感技術(shù)形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，來實時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)能力、安全隱患、環(huán)保和機械裝備的運行情況，這對生產(chǎn)現(xiàn)場提高效率，降低成本，減輕人員勞動強度都將有很大的潛在優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

現(xiàn)代鑄造工業(yè)應(yīng)當(dāng)以先進的工藝、技術(shù)成為發(fā)展鑄造強國的手段，著重把科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換成第一生產(chǎn)力，成為鑄造產(chǎn)業(yè)的實用新技術(shù)、新工藝。

探索一種應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來改變鑄造業(yè)現(xiàn)狀的良策，告別那些傳統(tǒng)的思維和做法（特別是群體性的中小型鑄造企業(yè)）。互聯(lián)網(wǎng)、智能化的技術(shù)引入將會給鑄造產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展帶來新的活力。