一種智能注塑工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳峻睿，謝仲銘，王立斌，葉桂良

（東莞信易電熱機(jī)械有限公司，廣東東莞 523770）

0 引言

以往的塑膠輔機(jī)一般都采用單機(jī)控制方式，各輔機(jī)與成型主機(jī)或車間監(jiān)控系統(tǒng)之間都是相互獨(dú)立的，沒有任何聯(lián)系，對(duì)各個(gè)輔機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)記錄都必須單獨(dú)分別進(jìn)行，從而限制了整個(gè)成型系統(tǒng)的智能化水平和生產(chǎn)效率的提高。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，市場對(duì)塑膠輔機(jī)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需求越來越強(qiáng)烈，單機(jī)控制方式已無法滿足今后市場的需求[1-2]。如何提高塑膠輔機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，使成型主機(jī)或車間監(jiān)控系統(tǒng)可以方便快捷實(shí)現(xiàn)對(duì)塑膠輔機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，這已經(jīng)成為許多輔機(jī)廠家需要解決的技術(shù)問題[3-4]。

國內(nèi)塑膠輔機(jī)行業(yè)沒有統(tǒng)一的通信接口標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而且只有少數(shù)輔機(jī)產(chǎn)品具有通信功能，并且不同輔機(jī)產(chǎn)品的通信接口是不能相互兼容；在國外EUROMAP（歐洲塑料和橡膠工業(yè)機(jī)械制造商協(xié)會(huì)）有定義注塑機(jī)與周邊輔機(jī)的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，但其通信協(xié)議復(fù)雜，應(yīng)用和推廣并不普遍。所以國外不同輔機(jī)廠商也還存在著通信接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的狀況。工業(yè)4.0時(shí)代塑膠輔機(jī)的發(fā)展趨勢是智能化、網(wǎng)絡(luò)化[5-6]。

本文提出的系統(tǒng)采用國際通用、簡單易懂的開放標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議，能更方便地實(shí)現(xiàn)塑膠輔機(jī)與成型機(jī)或車間監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)通信功能，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)成型系統(tǒng)或成型工廠的智能化提供基礎(chǔ)[7]。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過對(duì)所有注塑機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)數(shù)據(jù)采集，制造流信息數(shù)據(jù)搜集，組建信息大數(shù)據(jù)庫，再結(jié)合客戶需求對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以最直觀的形式展現(xiàn)出客戶需求（定制個(gè)性化報(bào)表），為企業(yè)管理層提供決策依據(jù)。系統(tǒng)綜合訂單管理模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃單與機(jī)臺(tái)、模具相關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)各機(jī)臺(tái)工作生產(chǎn)情況以及機(jī)臺(tái)、模具維修保養(yǎng)時(shí)間合理安排訂單任務(wù)，從生產(chǎn)計(jì)劃直通機(jī)臺(tái)生產(chǎn)任務(wù)。系統(tǒng)還結(jié)合設(shè)備與模具維護(hù)保養(yǎng)功能，可根據(jù)設(shè)備與模具的工作時(shí)長或合模數(shù)，來自定義維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，并且設(shè)置信息通知，根據(jù)時(shí)間或者完成情況對(duì)信息實(shí)現(xiàn)傳遞，從而完善車間的生產(chǎn)管理。最終為注塑機(jī)工廠提供先進(jìn)的一體式的解決方案。智能工廠系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能工廠系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 基于網(wǎng)絡(luò)的集成控制技術(shù)

針對(duì)注塑裝備種類繁多，數(shù)據(jù)接口、格式標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集難、網(wǎng)絡(luò)化功能差、信息化水平低的問題，系統(tǒng)開展輔機(jī)、機(jī)械手等注塑輔機(jī)與注塑機(jī)之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊的研究。最終通過采用標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，基于通用開放式協(xié)議，將輔機(jī)設(shè)備的監(jiān)控功能全部都集成到注塑機(jī)的操作面板中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑機(jī)和輔機(jī)的集中監(jiān)控功能。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程對(duì)輔機(jī)的開機(jī)/關(guān)機(jī)或溫度控制等簡易操作，而是對(duì)輔機(jī)控制器內(nèi)所有參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和操作設(shè)定，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)輔機(jī)本身的全部控制功能。與傳統(tǒng)注塑機(jī)和輔機(jī)單獨(dú)而零散的控制方式相比，集成控制技術(shù)的注塑控制系統(tǒng)使整個(gè)注塑作業(yè)流程更加高效及智能化，實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本[8-9]。

1.2 注塑生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

在塑料機(jī)械行業(yè)中，存在大量有知識(shí)的數(shù)據(jù)無法采集、分析和提煉與有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)工人缺乏的矛盾，快速增長的人力成本和注塑裝備智能化水平低下的突出矛盾。本項(xiàng)目將通過設(shè)備數(shù)據(jù)采集，結(jié)合企業(yè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)銷售、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流等智能化的服務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建注塑成型智能云服務(wù)平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)，提供大數(shù)據(jù)云服務(wù)[10-12]。

1.3 成形過程動(dòng)態(tài)感知與工藝智能管控技術(shù)

采用降維、特征提取、回歸分析等技術(shù)對(duì)注塑多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使注塑成型裝備、加工工況和產(chǎn)品質(zhì)量可以深度感知，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建工藝優(yōu)化的推理與決策模型，實(shí)現(xiàn)高效、高精、穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)注塑行業(yè)特點(diǎn)以及為了滿足注塑工廠管理要求，系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樵O(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)過程管理、異常停機(jī)管理、設(shè)備模具管理、自動(dòng)報(bào)表、系統(tǒng)設(shè)置6大軟件功能模塊。

2.1 模具管理

（1）模具識(shí)別管理：客戶經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)換模后才發(fā)現(xiàn)模具錯(cuò)誤問題，希望后期有模具自動(dòng)識(shí)別功能來避免該問題，目前業(yè)內(nèi)可以應(yīng)用比較廣泛的有RFID無線射頻技術(shù)跟二維碼掃碼功能，通過每個(gè)模具上設(shè)置二維碼或者識(shí)別芯片做到單獨(dú)模具單獨(dú)唯一性，通過機(jī)臺(tái)側(cè)設(shè)備識(shí)別該信息，再與平臺(tái)側(cè)生產(chǎn)任務(wù)單中綁定的模具信息進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不一致則系統(tǒng)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該生產(chǎn)任務(wù)單模具的使用是否正確管理。

（2）模具基礎(chǔ)信息管理：模具信息包括模具編號(hào)、名稱、重量，當(dāng)前合模數(shù)、單模產(chǎn)量等信息。

（3）模具保養(yǎng)計(jì)劃的設(shè)定：模具保養(yǎng)在設(shè)備管理中屬于常規(guī)性工作，可對(duì)每臺(tái)機(jī)器和模具設(shè)置保養(yǎng)項(xiàng)目和保養(yǎng)周期。

（4）模具維護(hù)保養(yǎng)記錄：根據(jù)制定的保養(yǎng)計(jì)劃完成保養(yǎng)后，需在系統(tǒng)上記錄維護(hù)保養(yǎng)完成情況，包括保養(yǎng)完成日期、保養(yǎng)日志等。

（5）模具維修記錄：搭建設(shè)備、模具歷次維修記錄、維修時(shí)間、維修方案、維修人信息等的綜合信息平臺(tái)，為企業(yè)提供歷史維護(hù)信息的查詢庫。

2.2 報(bào)表分析

（1）警報(bào)分析：每月各類警報(bào)出現(xiàn)次數(shù)的匯總統(tǒng)計(jì)表；所選時(shí)間段內(nèi)各類警報(bào)出現(xiàn)次數(shù)的柱形圖。

（2）機(jī)器利用率：以每月或每天作為常規(guī)統(tǒng)計(jì)周期統(tǒng)計(jì)機(jī)器每月利用率；以某一特定時(shí)間段作為統(tǒng)計(jì)周期統(tǒng)計(jì)機(jī)器利用率。

（3）質(zhì)量報(bào)表：以產(chǎn)品作為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，匯總每個(gè)月各類報(bào)廢原因的報(bào)廢數(shù)量與總量；每個(gè)產(chǎn)品每月發(fā)生的質(zhì)量報(bào)廢率統(tǒng)計(jì)；每臺(tái)機(jī)器每月發(fā)生的質(zhì)量報(bào)廢率統(tǒng)計(jì)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置包括設(shè)備管理、機(jī)器登記、用戶管理、系統(tǒng)日志、代碼維護(hù)、郵件配置等。

2.4 設(shè)備監(jiān)控

設(shè)備監(jiān)控包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備集中實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備參數(shù)修改、機(jī)器警報(bào)、每模數(shù)據(jù)監(jiān)測等。如圖2～3所示。

圖2 智能工廠系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控1

圖3 智能工廠系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控2

2.5 生產(chǎn)過程管理

生產(chǎn)過程管理包括投料管理、生產(chǎn)計(jì)劃單、機(jī)臺(tái)任務(wù)單、電子看板、現(xiàn)場實(shí)時(shí)反饋一體機(jī)等。如圖4所示。

圖4 智能工廠系統(tǒng)機(jī)器任務(wù)單

2.6 異常停機(jī)管理

設(shè)備停機(jī)自動(dòng)記錄、停機(jī)原因填寫。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)使用B/S結(jié)構(gòu)，所有客戶端均無需安裝其他軟件即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與使用。因此無論在國內(nèi)還是國外，本地還是外地，可使用手機(jī)、平板、PC機(jī)等打開瀏覽器輸入網(wǎng)址，就能進(jìn)入Shini智能工廠系統(tǒng)查看各注塑工廠的運(yùn)行情況。

系統(tǒng)使用大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并進(jìn)行每天備份工作，以使數(shù)據(jù)的安全性得到充分保證，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2000或2005系統(tǒng)使用嚴(yán)格的權(quán)限控制來保證操作人員只能進(jìn)行自己工作范圍內(nèi)的相關(guān)操作。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

面對(duì)注塑裝備產(chǎn)業(yè)對(duì)注塑機(jī)的需求，希望提升注塑裝備的信息全面感知和可靠傳輸，構(gòu)建自感知、自診斷、自決策、自學(xué)習(xí)的智能制造系統(tǒng)，打造產(chǎn)品鏈、價(jià)值鏈、供應(yīng)鏈協(xié)同的智能化的服務(wù)系統(tǒng)，從而提升注塑裝備及系統(tǒng)的整體智能化水平，具體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)概括如表1所示。

表1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

5 結(jié)束語

駐足塑料成型行業(yè)，制造業(yè)的信息鏈將會(huì)整合，從客戶訂單流到終端產(chǎn)品出貨，所有的數(shù)據(jù)都通過深度人工智能、先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)化和精細(xì)化管理。數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)這樣夢想的一個(gè)開始，而本文提出的智能工廠解決方案使產(chǎn)品都可以互聯(lián)互通，打造智能制造基礎(chǔ)。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在項(xiàng)目開發(fā)過程中建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和主持的路演，有效地促進(jìn)我國橡塑工廠的智能化、無人化的升級(jí)，為實(shí)現(xiàn)注塑成型智能無人化制造工廠提供基礎(chǔ)條件；項(xiàng)目完成后，可為注塑廠降低最多80%工人，有效緩解勞動(dòng)力問題。