基于物聯網智能車間的信息化研究*

袁明鋒 田躍軍 楊 磊 李 通 孫先海 孫宏鵬

(河南航天液壓氣動技術有限公司，河南 鄭州 451191)

工業智能化和工業信息化是制造業發展的前沿趨勢，制造業發展程度是一個國家綜合國力的重要體現[1]，5G和物聯網技術的落地將進一步推動智能化和信息化的融合，智能工廠建設也必將成為傳統制造業轉型升級的目標。基于物聯網智能車間的信息化系統將在智能工廠建設中起到承上啟下的作用，對上承接企業的ERP(企業資源管理系統)、MES(生產在線執行系統)、PDM(產品數據管理系統)等，對下對接PLC協議實時獲取設備信息、生產信息、物料庫存信息以及設備運行軌跡。本文通過綜合以上信息對車間生產計劃進行最優化管控以提高企業的設備利用率和生產效率。

1 基于物聯網的智能化改造

通過智能化改造，實現數據信息互通，實現制造加工全過程的數據跟蹤，可以提高零部件質量穩定性，降低人為質量風險。隨著數控化機械加工設備的大量應用，傳統通過工藝文件固化來保證加工方法的一致性不足以滿足關鍵零部件質量的穩定性、一致性要求。零部件加工過程通過結構化工藝描述、三維過程工藝進行表述，具體加工過程將使用與設備、輔助資源緊密相關的程序代碼予以完成。按照數字化生產線進行加工制造的零部件將由高度精細化的程序代碼執行來完成所有加工、檢測過程，加工與檢測過程將不需要人為干預，能嚴格地保證加工過程的質量一致性，是智能制造產業發展的方向。本文描述的生產線智能化改造以傳統12臺數控加工機床為基礎，利用物聯網技術進行智能化改造，實現4組12臺數控加工中心上下料、機外預裝預調、AGV小車輔助物料運輸的過程。改造前、后設備放置及操作方式分別如圖1和圖2所示。

圖1 改造前設備放置及操作方式圖

圖2 改造后設備放置及操作方式圖

當周邊的機床設備、安全圍欄、AGV小車都已啟動并處于自動狀態后，在機器人總控制柜上的各周邊設備的指示燈都為綠色時，操作人員在系統控制柜上按下系統運行按鈕，整個系統就處于自動運行狀態。

第1階段：人工在預裝預調臺裝卡零部件，并通過測量工具校驗裝卡到位情況，保證加工原點，將裝調后的零部件連同專用工裝放置在對應的托盤及空位上(每個托盤空位對應1臺數控機床)。

第2階段：加工者掃描待加工的托盤、托盤空位二維碼，并在現場終端確定，AGV小車根據確定信號將托盤運送到指定的加工單元組。

第3階段：工業機器人將運送托盤內的零部件放置在數控機床內，自動開始加工。

第4階段：零部件加工完成后，工業機器人自動取件，放置在運送托盤內，并通知AGV小車將加工完成的零部件運送至預調區，由人工進行零件換裝，并開始進行第1階段循環加工執行。

改造完成后，可由原有的單人單臺數控機床的操作方式變更為改造后2人操控12臺數控機床，操作人員在調整好加工程序后，由系統直接下發到數控車床，隨后只需在預裝調臺將需要加工的工件放置在固定的托盤上和云端的程序下發即可，系統可根據現場車床的加工狀況完成智能化排產。

2 智能管控系統的信息化

智能管控系統的目的是滿足車間對原有產線的智能化管控以達到自動加工的目的，加強工業大數據的利用，工業大數據是大數據與智能制造的交叉點[2]，智能管控系統的基礎數據包含物料類別、物料維護、系統權限管理、傳感器信息管理、機床管理、預裝臺管理、貨位管理、AGV小車上下料位管理。智能管控系統主要功能模塊包含工件管理、傳感器信息管理、數控機床管理、預裝臺管理、貨位管理、AGV小車管理、工業機器人管理、流程控制和綜合管理，同時對接上層系統，進而實現數據共享。

控制系統中有2個基本流程，在入庫、上料、出庫等過程中都會用到這2個流程：智能機器人取件流程和智能機器人放件流程(見圖3)。

圖3 控制流程

3 設備及車間環境管控信息化

3.1 設備管控信息化

針對上述12臺數控機床改造的智能化生產線建立完善的智能管控系統，以實現產線的信息化管控，通過5G技術的應用實現在云端對設備和機器人的管控以及現場環境、產線運行情況進行查看(見圖4)。為了解決工業網絡間的復雜的數據通信問題，解決多個獨立程序之間的數據通信，甚至是不同的操作系統、平臺的網絡通信問題，在B/S架構中通過采用HslCommunication通信插件，對工業現場大部分設備的數據采集、寫入，以達到對設備數據的采集以及設備控制的目的。

圖4 設備信息查看

使用通信插件實現B/S架構的服務端與PLC通信，可以直接實現modbus、機器人、三菱PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC等各種協議讀寫，通過通信協議可以實現服務端對寄存器的讀寫進而達到數據采集和設備控制的目的。通過采集可以獲取數控機床的設備狀態和加工狀態，主要包含開關機狀態、主軸轉速、進給速率、電壓、電流等機床狀態以及等待工件、加工中、閑置等加工狀態，通過加工狀態和機床狀態分析，結合預裝調臺的待加工工件類型進行智能化排產并下達命令至AGV、工業機器人以及數控機床聯合完成工件上料和加工過程。

3.2 車間環境管控信息化

車間環境信息是保障智能化設備、智能傳感器、數控機床等正常運行的必要條件，因此是必需的監控數據。車間環境信息信息化主要包含車間的溫度、濕度、氣壓、電壓等參數的監控，通過各類傳感器完成數據的獲取，然后通過智能管控系統與Smart IOT工業物聯網網關設備通信獲取各種現場數據并在系統頁面進行展示。

4 信息化系統與現場智能管控系統的集成

4.1 MES系統集成

MES系統是以生產作業計劃、調度、跟蹤與管理為中心的車間制造過程管理信息系統[3]。MES系統錄入了從生產訂單投產到產品完成的所有生產信息，包含排產信息、調度信息、任務分派信息、生產過程質量信息、工序任務、工時定額等數據資源。MES系統直接匯聚了生產車間的各種質量信息，能夠為質量分析提供最為實時和精準的數據[4]。

數據資源涵蓋上層計劃管理，通過與MES集成可以實現數據共享以及生產任務直接下達到生產線直至數控機床，通過排產算法優化進而實現全程自動、智能排產[5]。

4.2 PDM系統集成

PDM是企業級產品數據管理系統，用于物料編碼的申請、創建、維護、存儲和管理，研發任務的分派、技術文檔的編輯、審批、存儲及管理等。智能管控系統與PDM系統的集成可以將最新版的技術文件和程序文件實時同步到車間智能終端，提醒加工人員技術文件或程序文件變更，智能產線操作員可在現場智能終端查看技術文件和程序文件。

技術文件主要包含工藝規程、技術通知單、工藝變更通知單、工序和工步具體內容、單件定額消耗表等。當技術文件需要更新版本或者更改時，技術人員在PDM系統中完成技術文件變更流程后，變更通知單或者新版技術文件將直接推送到現場，并發出通知提醒現場操作人員查看。

程序文件主要為車床編程的NC程序文件，由編程人員編程結束后通過發布流程發布，發布結束后，將自動傳遞到現場智能終端，并提醒現場操作人員查看。

4.3 ERP系統集成

ERP系統中以SAP為例，SAP系統將數據和流程集中到單個系統，以銷售為驅動，以市場為導向，涉及生產、采購、物資、財務等業務流程，涵蓋從訂單合同到銷售發貨整個閉環業務流程。

現場智能化系統通過與ERP系統的集成可以實現當前生產任務的逆向追溯，如當前任務的生產任務信息、銷售任務信息、合同信息，同時可以共享庫存信息，現場操作者及現場智能管控系統可在現場接收任務時調取所需材料的庫存信息。

5 智能車間實時數據的可視化

實時數據的可視化可供車間顯示屏查看當前在制任務情況、車間環境情況、車床運行情況、有效切削率情況以及生產過程質量信息等。數據可視化依賴于生產過程管理的標準化和規范化，如質量數據可視化的有效實施依靠于系統內部高效的數據組織、管理、存儲和處理能力[6]

系統可采用現有的B/S架構、MVC框架，有Spring、Struts2、Ibatis等常用web框架(見圖5)。

6 結語

智能制造是傳統企業轉型過程中的必經之路，在物聯網、5G技術以及社會勞動力逐年下降趨勢的推動下，智能制造將進入快速發展階段。信息化是傳統制造業多年的能力建設，已經逐步成為制造業的核心能力，因此基于物聯網智能車間的信息化研究極為重要。

本文以某研究所打造的智能化車間為基礎進行了研究，提出了切實可行的系統架構和建設邏輯，為智能化改造中相關信息化建設提供了基礎方案，對類似智能化車間改造中的信息化建設具有借鑒意義。

圖5 可視化web框架