輕裝配智能制造系統(tǒng)框架及管控模式解析

趙宏偉

摘 要：對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，輕裝配生產(chǎn)所占的比例逐年增加，企業(yè)需要根據(jù)訂單進(jìn)行器件的生產(chǎn)，但是因?yàn)橛唵蔚牟煌瑢?dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)線在批量生產(chǎn)方面存在一定的問(wèn)題，這就要求企業(yè)制定輕裝配智能制造管控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率。本文首先介紹了輕裝配智能制造系統(tǒng)的框架，然后闡述了系統(tǒng)的管控模式，最后將中空玻璃生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，基于生產(chǎn)線的管控目標(biāo)，對(duì)中空玻璃生產(chǎn)線的管控模式進(jìn)行了分析，意在為相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：輕裝配；智能制造系統(tǒng)；管控模式

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）12-0011-02

制造業(yè)的發(fā)展對(duì)制造企業(yè)提出了更高的要求，制造流程需要具備較高的柔性；生產(chǎn)規(guī)劃以及生產(chǎn)調(diào)度需要快速響應(yīng)；還需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的全面管控，這些要求的實(shí)現(xiàn)需要智能制造管控系統(tǒng)的支持。對(duì)制造企業(yè)而言，輕裝配的生產(chǎn)更需要智能制造管控系統(tǒng)的支持。因此，本文選擇輕裝配作為研究對(duì)象，對(duì)智能制造系統(tǒng)框架及其管控模式進(jìn)行分析研究。

1 輕裝配智能制造系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)框架的組成

本文將融合CM-CPS技術(shù)的輕裝配智能制造系統(tǒng)為例進(jìn)行系統(tǒng)框架以及管控模式的分析。該系統(tǒng)的框架主要是LAMIS架構(gòu)，因?yàn)長(zhǎng)AMIS可以促進(jìn)制造技術(shù)和智能方法的有機(jī)結(jié)合，還能夠滿足生產(chǎn)需求以及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。基于LAMIS架構(gòu)構(gòu)建的系統(tǒng)具備較強(qiáng)的感知能力、執(zhí)行能力以及管控能力，可以對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制。具體而言，該系統(tǒng)的框架包括以下幾個(gè)部分：

第一，物理層。物理層主要包括企業(yè)開(kāi)展智能制造活動(dòng)應(yīng)用的所有物理設(shè)備，比如，智能自動(dòng)化傳輸設(shè)備、智能制造單元、傳感器設(shè)備、數(shù)控設(shè)備以及機(jī)器人等，在系統(tǒng)的支持下，所有物理設(shè)備都可以進(jìn)行自主信息交換，單獨(dú)作為智能制造過(guò)程的子CPS單元。

第二，網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要是指用于可靠互聯(lián)信息傳輸以及異構(gòu)設(shè)備操作信息傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，這些基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，該互聯(lián)網(wǎng)能夠全面覆蓋智能工廠。具體而言，基礎(chǔ)設(shè)施是指工業(yè)網(wǎng)管、有線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、通信協(xié)議以及芯片和通信模塊等。

第三，智能管理層。智能管理層主要是指制造執(zhí)行系統(tǒng)以及過(guò)程控制系統(tǒng)。其中，制造執(zhí)行系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車間的生產(chǎn)管理，通過(guò)智能決策算法等方法對(duì)智能制造過(guò)程實(shí)施智能管控；過(guò)程控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃與原料方案等生產(chǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)變成機(jī)器指令，用于指導(dǎo)控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，過(guò)程控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等器件組成。

第四，管理協(xié)同層。管理協(xié)同層主要負(fù)責(zé)企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程中，所有制造活動(dòng)的協(xié)同管理，如，商務(wù)門戶管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、企業(yè)資源規(guī)劃管理、大數(shù)據(jù)管理以及供應(yīng)鏈管理等多個(gè)子系統(tǒng)[1]。

1.2 系統(tǒng)框架的特點(diǎn)

LAMIS系統(tǒng)框架融合了CM-CPS技術(shù)，使信息的橫向集成以及縱向集成成為可能。CM技術(shù)可以避免LAMIS系統(tǒng)架構(gòu)中制造應(yīng)用服務(wù)以及制造資源出現(xiàn)緊耦合現(xiàn)象，還能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供多樣化的用戶應(yīng)用方式以及資源訪問(wèn)模式，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)信息的有效集成，比如，產(chǎn)品報(bào)價(jià)、產(chǎn)品定制服務(wù)、訂單跟蹤、產(chǎn)品質(zhì)檢、產(chǎn)品售后以及產(chǎn)品供應(yīng)鏈等，為企業(yè)產(chǎn)品的全過(guò)程提供制造服務(wù)管理；CPS技術(shù)可以將不同功能層次上的軟硬件進(jìn)行縱向集成，比如，中上層管理、網(wǎng)絡(luò)層管理、車間智能管控以及物理設(shè)備管理等方面，該技術(shù)可以支持設(shè)備和設(shè)備、系統(tǒng)和設(shè)備以及設(shè)備的產(chǎn)品的相互溝通，真正實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，并使系統(tǒng)具備感知能力以及執(zhí)行能力。

另外，在LAMIS系統(tǒng)框架中，大數(shù)據(jù)管理是實(shí)現(xiàn)信息融合與集成的重要環(huán)節(jié)，能為智能決策提供了參考。在智能制造現(xiàn)場(chǎng)，CPS單元可以和數(shù)控設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行制造設(shè)備以及制造過(guò)程所有數(shù)據(jù)信息的采集，并應(yīng)用智能分析，得出產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)圖標(biāo)以及健康預(yù)警甘特圖等數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以為生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況管控提供可靠的數(shù)據(jù)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)，大戶數(shù)據(jù)管理可以在不用功能層次上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通信與信息交互。與此同時(shí)，大數(shù)據(jù)管理還能夠使設(shè)備進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，組成小型知識(shí)庫(kù)，為設(shè)備的運(yùn)行提供指導(dǎo)。

2 輕裝配智能制造系統(tǒng)的管控模式

2.1 管控模式的分析

基于LAMIS系統(tǒng)框架構(gòu)建的輕裝配智能制造系統(tǒng)在進(jìn)行管控時(shí)，最終目標(biāo)是保障制造系統(tǒng)按照最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行，這一最優(yōu)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)要求系統(tǒng)進(jìn)行智能決策。對(duì)于輕裝配智能制造系統(tǒng)而言，智能決策主要是對(duì)工藝流程、工業(yè)過(guò)程以及制造裝備進(jìn)行的分析與規(guī)劃，通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)執(zhí)行中獲取決策信息，并應(yīng)用智能算法或是既定原則進(jìn)行自主決策。所以，輕裝配智能制造系統(tǒng)具備兩種智能方式：其一，主動(dòng)式智能，主要是根據(jù)對(duì)自身發(fā)展?fàn)顩r、系統(tǒng)的輸入、環(huán)境信息以及系統(tǒng)的輸出，將系統(tǒng)的多重優(yōu)化作為目標(biāo)，應(yīng)用智能優(yōu)化算法進(jìn)行自主決策；其二，被動(dòng)式智能，主要是根據(jù)既定原則進(jìn)行相應(yīng)指令的觸發(fā)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)式動(dòng)態(tài)控制。基于不同的智能方式，輕裝配智能制造系統(tǒng)主要有五種管控模式：

第一，具備觸發(fā)的響應(yīng)智能（屬于被動(dòng)式智能），該管控模式主要應(yīng)用于單臺(tái)智能裝備中，主要應(yīng)用設(shè)備內(nèi)部安裝的傳感器或者外設(shè)的傳感器，通過(guò)對(duì)采集信息的分析，進(jìn)行既定規(guī)則的觸發(fā)。

第二，具備指令的響應(yīng)智能（屬于被動(dòng)式智能），該管控模式主要應(yīng)用于單臺(tái)智能設(shè)備或者標(biāo)準(zhǔn)智能制造單元中，通過(guò)機(jī)器控制質(zhì)量或者事先指定的參數(shù)指令實(shí)現(xiàn)制造活動(dòng)的控制，還會(huì)處理系統(tǒng)存在的異常狀況。

第三，單元式的智能控制（屬于主動(dòng)式智能），該管控模式主要應(yīng)用于定制形式的智能制造單元或者分段生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)智優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用既定原則以及智能優(yōu)化算法，對(duì)動(dòng)作指令和運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃。

第四，自適應(yīng)的智能控制（屬于主動(dòng)式智能），該管控模式主要應(yīng)用于自動(dòng)化智能制造生產(chǎn)線，可以根據(jù)系統(tǒng)采集到的信息與輸入的信息，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行柔性決策，確保生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率最優(yōu)化。

第五，自學(xué)習(xí)的智能控制（屬于主動(dòng)式智能），該管控模式主要應(yīng)用于智能制造生產(chǎn)線或者無(wú)人制造工廠中，將智能制造網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建具備自主學(xué)習(xí)功能的知識(shí)庫(kù)，采集產(chǎn)品制造過(guò)程以及生產(chǎn)工藝相關(guān)參數(shù)信息，應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及模型優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)自主學(xué)習(xí)研發(fā)出全新的工藝經(jīng)驗(yàn)。該管控模式能夠使系統(tǒng)具備提前規(guī)劃的能力[2]。

2.2 管控模式的應(yīng)用實(shí)例

筆者將中空玻璃的自動(dòng)化生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，基于LAMIS系統(tǒng)框架，構(gòu)建了中空玻璃生產(chǎn)線的智能制造系統(tǒng)。在應(yīng)用該系統(tǒng)的過(guò)程中，主要的管控問(wèn)題如下：當(dāng)成批次的玻璃原片進(jìn)行下料切割之后，切片會(huì)成批實(shí)施鋼化。如果鋼化爐的裝載率不能滿足生產(chǎn)要求，很容易提高生產(chǎn)線的能耗，降低生產(chǎn)效率。因此，下料過(guò)程的管控優(yōu)化目標(biāo)是提高原料的下料率；鋼化爐設(shè)備的管控優(yōu)化目標(biāo)為提高裝載率。

在明確管控目標(biāo)之后，就要進(jìn)行管控模式的選擇。基于上述問(wèn)題與目標(biāo)，選擇第四種自適應(yīng)的智能控制模式，具體的管控流程如下：第一，構(gòu)建云優(yōu)化和仿真服務(wù)平臺(tái)，對(duì)智能執(zhí)行引擎以及仿真資源進(jìn)行有效應(yīng)用，提高生產(chǎn)線的仿真能力以及計(jì)算能力；第二，應(yīng)用啟發(fā)式派樣算法對(duì)智能執(zhí)行引擎進(jìn)行優(yōu)化，求出玻璃下料的最優(yōu)化方案；第三，實(shí)施玻璃切割和玻璃掰片環(huán)節(jié)，并為每一個(gè)玻璃切片設(shè)置相應(yīng)的且唯一的虛擬標(biāo)簽，提高切片管理的有序性；第四，保障下料率和裝載率之間的協(xié)調(diào)平衡，通過(guò)智能執(zhí)行引擎的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)下料率以及裝載率的協(xié)同優(yōu)化，并將下料率以及裝載率的協(xié)同優(yōu)化方案輸出，從而實(shí)現(xiàn)管控目標(biāo)[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，制造企業(yè)在完成輕裝配訂單時(shí)，存在生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，需要智能制造管控系統(tǒng)解決這些問(wèn)題。通過(guò)本文的分析可知，制造企業(yè)需要認(rèn)識(shí)到智能制造管控系統(tǒng)的重要性，將LAMIS作為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)，并在五種管控模式中，選擇適用于企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)線的管控模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的最優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，為制造企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。本文的分析仍舊不夠全面，僅供參考。

參考文獻(xiàn)

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