數(shù)字車間的智能化發(fā)展

(新海科技集團(tuán)有限公司,浙江寧波 315300)

0 引言

21世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代,產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷革新和發(fā)展也代表著信息化的不斷發(fā)展,智能化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)字車間的智能化管理和革新,是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,而對(duì)車間制造過程數(shù)據(jù)的收集是實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)字車間的基礎(chǔ)。

1 信息化需求管理的意義

數(shù)字化、信息化、智能化管理是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的必然要求,21世紀(jì)作為制造業(yè)企業(yè)靠效率取勝的時(shí)代,科學(xué)技術(shù)引進(jìn)正好體現(xiàn)在數(shù)字化車間的建立,能夠提高車間制造過程的能效和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)我廠之前的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從接受訂單到采購(gòu)需求、庫(kù)存管理、生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)制造過程、產(chǎn)品交付等全過程的信息化管理,其中庫(kù)存信息、生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、產(chǎn)品生產(chǎn)、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、品質(zhì)管理、物流配送、包裝、交付等業(yè)務(wù)流程的信息化,根據(jù)業(yè)務(wù)歷程書籍采集、記錄信息生產(chǎn)過程、設(shè)備信息、產(chǎn)品追溯信息等實(shí)時(shí)情況,實(shí)現(xiàn)可追溯生產(chǎn)和透明化生產(chǎn)。

2 數(shù)字車間智能管理技術(shù)架構(gòu)

2.1 當(dāng)前概況

經(jīng)營(yíng)管理數(shù)字化,制造過程數(shù)字化、物流控制精準(zhǔn)化、裝備數(shù)字化和設(shè)計(jì)數(shù)字化是當(dāng)前公司的主要要求和標(biāo)準(zhǔn)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IoT技術(shù),有效提取設(shè)備工藝,狀態(tài)信息,產(chǎn)量信息,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián),圍繞關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的需求,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化,工業(yè)機(jī)器人、集成了工藝分析等人工智能技術(shù)。另外,還有MES 系統(tǒng),對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化、透明化管控,實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程的監(jiān)控和對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品自動(dòng)化、查出產(chǎn)品過程的質(zhì)量管理的可視化。

2.2 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是當(dāng)前信息化技術(shù)分析數(shù)據(jù)的重要方式。生產(chǎn)全過程進(jìn)行采集、跟蹤、預(yù)警、防呆、分析、統(tǒng)計(jì)和追溯等方式,并且結(jié)合質(zhì)量管理體系進(jìn)行制造管理,通過對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品管理,確保生產(chǎn)合規(guī)。多數(shù)制造企業(yè)當(dāng)中通過采用實(shí)現(xiàn)了車間互聯(lián)互通、車間需要監(jiān)控對(duì)象信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集,再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從而建立制造企業(yè)的智能網(wǎng)絡(luò),便于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全和快速的處理,并且通過對(duì)制造的全過程進(jìn)行細(xì)致的管理和控制,數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞到和應(yīng)用,尤其是監(jiān)控系統(tǒng),必要時(shí)需進(jìn)行全面的管理和控制,有助于完成對(duì)于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的管理和控制。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和有效應(yīng)用,有助于更具這些技術(shù)構(gòu)成建立數(shù)據(jù)分層,感知層等方面問題的改善和提升,有助于對(duì)制造過程中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析與監(jiān)控。

車間制造過程的數(shù)據(jù)信息采集和集成應(yīng)用,對(duì)車間制造全過程數(shù)字化智能控制,達(dá)到對(duì)生產(chǎn)高效率的調(diào)整和管理,有助于提出面向數(shù)字化車間管理方案。面向現(xiàn)代化的管理方式,包括車間層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理層和管理應(yīng)用層。首先最基礎(chǔ)的是車間層,第一步先控制車間數(shù)控設(shè)備、其他設(shè)備、物料、環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量等有關(guān)信息的采集,為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)空間的完整性,幫助工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線網(wǎng)、串口等、車間層核心,通過DNS服務(wù)系統(tǒng)的完善,實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的連接,構(gòu)成數(shù)字車間網(wǎng)絡(luò)體系。

數(shù)字車間一個(gè)重要特點(diǎn)是創(chuàng)造協(xié)同化發(fā)展的價(jià)值和必要性,有助于實(shí)現(xiàn)各部門的協(xié)同公斤發(fā)展,尤其是涉及到可視化工廠,節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展,對(duì)制造過程數(shù)據(jù)的采集和協(xié)同應(yīng)對(duì)和發(fā)展,通過對(duì)物料、產(chǎn)品等方面進(jìn)行全方位的價(jià)值挖掘,最后能夠突破各方面的數(shù)據(jù)化技術(shù)向的孤立,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.3 系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主流上分為兩種,分別是C/S 架構(gòu)和B/S架構(gòu),在系統(tǒng)軟件的開發(fā)中他們占有不同的優(yōu)勢(shì)。(1)系統(tǒng)配置:無(wú)論是設(shè)備配置還是設(shè)備管理都是環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán),通過對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入和填充,保證信息的準(zhǔn)確程度。新海數(shù)字化車間的集成系統(tǒng)再運(yùn)行過程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了包括物料、產(chǎn)品、設(shè)備、檢測(cè)、生產(chǎn)人員、工序信息等有關(guān)數(shù)據(jù),將其保存在系統(tǒng)當(dāng)中,特別是設(shè)置每臺(tái)機(jī)床的IP地址、通訊端口。(2)管理:生產(chǎn)計(jì)劃是非常重要的一環(huán),通過對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理能夠?qū)χ圃熨Y源的系統(tǒng)進(jìn)行有效管控,負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的查詢和管理。(3)視圖:視圖主要包括電子看板、零件加工展示。電子看板提供車床實(shí)時(shí)的信息,幫助調(diào)整圖書館系統(tǒng)的控制和管理。對(duì)相關(guān)零件的序號(hào)等問題進(jìn)行控制。(4)報(bào)表統(tǒng)計(jì):通過統(tǒng)計(jì)圖表設(shè)計(jì)有助于幫助實(shí)現(xiàn)信息化工程的管理和控制,實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的來源收集。實(shí)踐中使用的IoT 云臺(tái)信息互通系統(tǒng),通過貝葉斯,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等分析手段,對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并且對(duì)常規(guī)狀態(tài)下的異常問題進(jìn)行預(yù)警,及時(shí)恢復(fù)不穩(wěn)定的狀態(tài)。(5)質(zhì)量監(jiān)控:質(zhì)量監(jiān)控不僅包括產(chǎn)品質(zhì)量分析以,例如產(chǎn)品完成數(shù)量,合格率等。另外,產(chǎn)品一旦出現(xiàn)故障,可以提前進(jìn)行預(yù)警和提示,有助于提升公司制造水平,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備智能預(yù)測(cè)、智能效率分析、智能運(yùn)維和設(shè)備資產(chǎn)管理。

3 制造過程以及數(shù)據(jù)處理

數(shù)字車間的智能化發(fā)展需要將車間制造的物料和資源最終成品的質(zhì)量實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸器和其他應(yīng)用系統(tǒng),以幫助實(shí)現(xiàn)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主力于車間主管進(jìn)行決策。當(dāng)前信息化時(shí)代,決策并非一拍大腦的方式進(jìn)行,而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)化信息幫助企業(yè)管理層更好的把握實(shí)際情況,通過大數(shù)據(jù)處理的挖掘手段獲得決策性支持,本質(zhì)問題在于將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集聚融合。

全面的掌握工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)有助于實(shí)現(xiàn)效率分析和故障預(yù)測(cè),可以幫助企業(yè)運(yùn)營(yíng)和保障人員快速的構(gòu)建設(shè)備保障和產(chǎn)線的優(yōu)化設(shè)施,有助于提高效率的同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本,基于此針對(duì)制造過程著重采集的信息主要是包括人員信息,數(shù)控設(shè)備信息,零件信息,環(huán)境信息,產(chǎn)品質(zhì)量分析等。另外,設(shè)備運(yùn)維包括Internet/2G/3G/4G,還需要兼容MQTT/HTTP 等傳輸協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)的采集方式有三類

(1)數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集:利用數(shù)控設(shè)備終端,例如CNC系統(tǒng)、PLC、DNC 等,提供的接口或添加外部采集裝置對(duì)數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取;通過對(duì)數(shù)控設(shè)備增添外部傳感器方式對(duì)數(shù)控設(shè)備終端不能提供的數(shù)據(jù)的進(jìn)行采集;基于OPC規(guī)范的方式進(jìn)行設(shè)備的采集,將具有OPC規(guī)范接口設(shè)備與上位機(jī)進(jìn)行連接,通過上位機(jī)讀取設(shè)備信息。(2)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)采集:對(duì)于車間的環(huán)境(例如溫度、濕度、電磁強(qiáng)度等)、加工過程和產(chǎn)品等信息,對(duì)這些信息的采集采用條形碼技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、圖像識(shí)別技術(shù)等方式自動(dòng)獲取。[1](3)人工錄入:部分?jǐn)?shù)據(jù)并不要求實(shí)時(shí)性,同時(shí)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)很難獲取,因而可以采取人工錄入的方式。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后需要進(jìn)一步分析和處理,通過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)核驗(yàn)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)特征提取,在前期數(shù)據(jù)采集十分順利的前提條件下,將異常數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和加工,保證整體數(shù)據(jù)的質(zhì)量,位置后數(shù)據(jù)的分析提供必要的支撐。結(jié)合不同的訂單和業(yè)務(wù)需求,采用不同的算法和模型。

4 數(shù)字車間的數(shù)字管理

4.1 數(shù)據(jù)模型

車間制造過程中采集的數(shù)據(jù)有一個(gè)主要的特征:第一,數(shù)據(jù)的龐雜;數(shù)據(jù)車間涉及的對(duì)象較多并且涉及到的范疇較廣,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量較大。第二,數(shù)據(jù)來源異構(gòu)型;不同方式采集到的數(shù)據(jù)類型不同,制造方式多樣化。第三,數(shù)據(jù)相連性,數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)相關(guān)性程度較高,需要采用映射的方式[2]。

智能化設(shè)備和識(shí)別技術(shù)需要和生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同共進(jìn),實(shí)現(xiàn)完整的關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì),還可以同其他的系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的使用。公司的高管可以實(shí)時(shí)掌控?cái)?shù)字化車間的生產(chǎn)黃框進(jìn)行從容的決策,生產(chǎn)管理人員也可以精準(zhǔn)的制定排產(chǎn)計(jì)劃,設(shè)備維護(hù)部門制定動(dòng)態(tài)維護(hù)計(jì)劃,看板系統(tǒng)可以對(duì)信息大屏提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支持,通過系統(tǒng)的配置也可以實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)任務(wù)完成情況、生產(chǎn)進(jìn)度、車間預(yù)警、合格率統(tǒng)計(jì)等信息。

當(dāng)前的大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以通過智能設(shè)備以及自動(dòng)識(shí)別裝置的終端數(shù)據(jù)感知作為交互平臺(tái),通過實(shí)現(xiàn)對(duì)車間制造過程信息的采集和匯聚,有助于對(duì)不同維度的產(chǎn)品的任務(wù)執(zhí)行情況、產(chǎn)品的狀態(tài)展示,生產(chǎn)線的控制等問題進(jìn)行及時(shí)控制和管理。公司的新海大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)過程中,通過上述系統(tǒng),采用生產(chǎn)設(shè)備及時(shí)數(shù)據(jù),通過無(wú)線/有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)到大數(shù)據(jù)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)集群完成數(shù)據(jù)的集中處理和展現(xiàn)。產(chǎn)品的質(zhì)量管控和處理需要通過對(duì)數(shù)字車間的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用,實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理和監(jiān)控,有助于對(duì)企業(yè)管理車間提供決策優(yōu)化。

4.2 數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用和規(guī)劃

制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的信息化發(fā)展和進(jìn)步,促使企業(yè)和技術(shù)聯(lián)系,互聯(lián)網(wǎng)+,協(xié)同制造、物聯(lián)網(wǎng)、云制造等方式有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和制造物理設(shè)備的數(shù)據(jù)信息,遠(yuǎn)程信息管理和控制系統(tǒng),促使生產(chǎn)的設(shè)備和智能發(fā)展新模式的改進(jìn)。將海量數(shù)據(jù)和智能算法結(jié)合在一起,為企業(yè)管理系統(tǒng)提供更優(yōu)化的決策,提供服務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)碼垛,還可以同智能物流系統(tǒng)工作,具備速度快、可靠性強(qiáng)、精度高、功率大、耐用、通用等優(yōu)良性能,可以幫助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的高速提升,以高速版IRB為例可以看出,該機(jī)器人的全速時(shí)效載荷可以達(dá)到將近180kg,而250kg產(chǎn)量的機(jī)器人可到達(dá)的距離甚至可以達(dá)到3.15m。通過對(duì)設(shè)備添加傳感器、計(jì)數(shù)器等方面的改造,幫助實(shí)現(xiàn)信息的可持續(xù)化進(jìn)程和發(fā)展,將數(shù)據(jù)還原,有助于迅速發(fā)現(xiàn)問題。公司還可通過自主研發(fā)的3D型噴嘴測(cè)量?jī)x,采用基恩士Wi-5000攝像頭和康耐視IS-5705攝像頭同步工作,大幅縮短測(cè)量時(shí)間的同時(shí),針對(duì)白光干涉原理,不受材質(zhì)、顏色、死角等問題的影響,實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的精度測(cè)量,甚至可以計(jì)算出產(chǎn)品飛沫的顆粒度預(yù)測(cè)值,不斷修正公式參數(shù),接近實(shí)際的分布曲線。自動(dòng)裝配檢測(cè)機(jī)可以按照設(shè)定參數(shù)檢測(cè)并且判斷出產(chǎn)品的質(zhì)量,根據(jù)檢驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果反饋給生產(chǎn)線,根據(jù)實(shí)際的異常情況決定停機(jī)進(jìn)行報(bào)警。

智能叉車也是當(dāng)前一項(xiàng)非常重要的技術(shù)創(chuàng)新,產(chǎn)品出入庫(kù)作為一項(xiàng)簡(jiǎn)單且重復(fù)的必要?jiǎng)趧?dòng)需要大量的人力,然而,叉車功能可以通過進(jìn)行系統(tǒng)性的管理和操作,減少成本。另外叉車已經(jīng)具備視覺攝像頭的功能,采用當(dāng)前先進(jìn)的5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將采集的圖片傳遞到公司的服務(wù)器系統(tǒng),可以幫助下達(dá)叉車的指令,避免由于出現(xiàn)障礙物而失誤的情況。

4.3 數(shù)據(jù)化車間的結(jié)構(gòu)架設(shè)

車間的數(shù)據(jù)化系統(tǒng)是最基礎(chǔ)的架構(gòu),需要實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),車間加工制作全過程的信息化采集,將數(shù)據(jù)和企業(yè)資源系統(tǒng)進(jìn)行全面的采集和管理,并且將有效數(shù)據(jù)上傳,管理系統(tǒng)的主要需求[3]:

第一,數(shù)字化設(shè)備聯(lián)網(wǎng):聯(lián)網(wǎng)是第一步,通過實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)控設(shè)備聯(lián)合,確定將通訊方式一致發(fā)放,為后續(xù)整體的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ),同時(shí)也是整體管理水平上升的基礎(chǔ)。

第二,采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化:鑒于龐雜的數(shù)據(jù),涉及到車間機(jī)床的開關(guān)機(jī),生產(chǎn)數(shù)量,加工進(jìn)程等信息,因此及時(shí)的記錄和上傳很有必要。

第三,實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行:車間數(shù)控機(jī)床是制造進(jìn)程的核心,對(duì)各項(xiàng)數(shù)量的處理,存儲(chǔ)和分析以助于管理室及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài),保證車間生產(chǎn)的質(zhì)量和順利的運(yùn)行。

第四,分析數(shù)據(jù):系統(tǒng)的分析是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的合理把握,將其利用率,開關(guān)機(jī)時(shí)間,產(chǎn)品加工質(zhì)量等問題進(jìn)行合理把控,創(chuàng)建報(bào)表,有助于進(jìn)一步采用數(shù)模進(jìn)行把握和控制,提高車間的運(yùn)行效率。

第五,設(shè)置自動(dòng)報(bào)警裝置:車床相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),可以通過系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行預(yù)警,避免出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的現(xiàn)象。另外,對(duì)報(bào)警的次數(shù)和時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以進(jìn)行分析,幫助改善車床工作現(xiàn)狀。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化車間的智能化發(fā)展是當(dāng)前重要趨勢(shì)之一,本文主要基于數(shù)字化車間的發(fā)展現(xiàn)狀和必要性,針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的管理水平和生產(chǎn)效率,研究數(shù)字化車間制造過程的智能管理系統(tǒng),將智能機(jī)器人、叉車與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)傳輸和處理,實(shí)現(xiàn)數(shù)字車間效率有效提升的同時(shí),保證車間的管理方式改善,進(jìn)一步促進(jìn)企業(yè)車間的現(xiàn)代化發(fā)展。