裝備車間智能制造自動化體系設(shè)計與應(yīng)用

王芬琴

摘要：以設(shè)計一套包含資源層、信息感知與處理層、信息傳輸層、系統(tǒng)功能層和用戶層為體系結(jié)構(gòu)的裝備車間智能制造自動化控制體系為目的，采基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知，實現(xiàn)對制造現(xiàn)場的實施管控，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN布局制造現(xiàn)場，實現(xiàn)信息的交互。設(shè)計裝備車間智能制造自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裝備車間的計劃、運行、質(zhì)量、資源及安全智能化管理，具有較好的普適性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：裝備車間??智能制造??自動化技術(shù)?體系結(jié)構(gòu)??應(yīng)用系統(tǒng)

中圖分類號：TH18??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息的技術(shù)的不斷發(fā)展，在制造領(lǐng)域傳統(tǒng)固定模式加工的生產(chǎn)自動化技術(shù)正向具有自主學(xué)習(xí)、自動組織和自我控制的智能制造方向轉(zhuǎn)型。結(jié)合裝備車智能制造需求設(shè)計以物聯(lián)網(wǎng)為支撐，多元信息流為基礎(chǔ)，構(gòu)建具備信息感知、動態(tài)傳輸、智能控制的自動化制造體系，對于提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平具有非常重要的研究價值。

1裝備車間智能制造自動化控制體系的總體架構(gòu)

裝備車間智能制造自動化體系技術(shù)架構(gòu)包括資源層、信息感知與處理呈、信息傳輸層、核心功能層和用戶層。用戶層根據(jù)用戶職責(zé)權(quán)限劃分系統(tǒng)操作任務(wù)，用戶可以通過系統(tǒng)CUI界面操作，操作方式可以是通過Web覽器、移動終端、系統(tǒng)應(yīng)用客戶端等。核心功能層是在裝備車間智能制造支持體系支持下實現(xiàn)對智能制造生產(chǎn)過程的可視化管理，具備的功能有知識管理、DNC管理、任務(wù)管理、物理管理、生產(chǎn)成本分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控等內(nèi)部集成功能。同時，還支持與制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行MES管理系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)PDM管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃管理ERP管理系統(tǒng)等集成，實現(xiàn)整個制造過程的信息互聯(lián)互通、統(tǒng)一協(xié)調(diào)和智能管控。信息傳輸層對智能制造空間的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一管理，并對多源異構(gòu)信息進(jìn)行動態(tài)傳輸。信息感知與處理層實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)類型的信息進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化和描述，實現(xiàn)軟硬件接口通信。資源層對裝備車間智能制造自動化體系中的各類資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。裝備車間智能制造自動化體系技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

2基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知

裝備車間智能制造自動化控制體系的關(guān)鍵在于能夠完整、準(zhǔn)確地對制造過程進(jìn)行實時運行狀態(tài)、制造進(jìn)度、制造質(zhì)量等多源信息進(jìn)行動態(tài)的采集。IPv6（Internet?Protocol?Version?6）協(xié)議可以連接智能制造中的各種信息外界設(shè)備，集成中央處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、制造設(shè)備支持系統(tǒng)及各種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸接口[1]。IPv6信息交互裝置，比如：傳感器、RFID等對制造現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，再由局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線將信息傳遞到管理系統(tǒng)或平臺，以便于對制造過程進(jìn)行可視化的管理。

基于IPv6技術(shù)的裝備車間智能制造自動化技術(shù)體系中，每一個底層設(shè)備都被建立一個專屬的IP地址，以便于準(zhǔn)確地記錄各設(shè)備的活動信息，RFID及各類傳感器所構(gòu)成的信息交互裝置對制造現(xiàn)在的設(shè)備狀態(tài)、物料情況、制造進(jìn)度、制造質(zhì)量、人員等資源信息進(jìn)行實時采集，利用信息交互裝置進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化與描述，使不同信息源的信息能夠以標(biāo)準(zhǔn)的格式傳輸給管理系統(tǒng)，再經(jīng)過信息的加工與處理，將控制信息傳送給制造設(shè)備，實現(xiàn)對整個制造過程的智能管控[2]。

基于IPv6信息交互裝置設(shè)計包括硬件和軟件兩個部分。第一，硬件部分，包括電源模塊、傳感模塊、處理模塊、通信模塊、接口模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲模塊和顯示終端等，從硬件層面實現(xiàn)智能制造自動化生產(chǎn)過程信息的動態(tài)采集、自動變化和有效傳輸。電源模塊為各終端提供電源;傳感模塊由各類傳感器和A/D轉(zhuǎn)化器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對制造自動化過程的信息感知與采集，并通過A/D轉(zhuǎn)化器將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息;處理模塊由處理器和存儲器構(gòu)成，負(fù)責(zé)節(jié)點模塊之間的信息處理與存儲;通信模塊由收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)各終端的網(wǎng)絡(luò)通信;接口模塊由各種異構(gòu)的接口終端（串口、并口、網(wǎng)絡(luò)接口等）構(gòu)成，負(fù)責(zé)異構(gòu)通信的連接;顯示終端由控制臺構(gòu)成，負(fù)責(zé)智能制造的可視化管理[3]。第二，軟件部分，鑒于系統(tǒng)應(yīng)用的廣度，采用Linux內(nèi)核構(gòu)建硬件資源層，進(jìn)行進(jìn)程/線程、電源、接口、驅(qū)動的管理[4]。采用Java類庫、SQL和虛擬機(jī)開發(fā)功能層，進(jìn)行組建管理、窗口管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、控件管理、資源管理等。應(yīng)用層采用Java、Eclipse等工具開發(fā)，實現(xiàn)可視化應(yīng)用。

3基于WSN技術(shù)的信息傳輸

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wirelss?Sensor?Network，WSN）是新一代的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用[5-6]。WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

裝備車間智能制造自動化體系中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按功能可分為終端/傳感節(jié)點、路由節(jié)點、調(diào)節(jié)器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點這4個部分。終端/傳感節(jié)點是具有感知和采集功能的節(jié)點，在智能制造體系中由安裝在設(shè)備上的IPv6移動終端、各類傳感器、電子標(biāo)簽等組成。路由節(jié)點是由路由器群所構(gòu)成，它的作用是轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中起到中間節(jié)點協(xié)調(diào)調(diào)度的作用。解調(diào)器節(jié)點具有分配所有節(jié)點地址的功能，負(fù)責(zé)對節(jié)點的添加和刪除，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M織協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是連接智能制造體系主干網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，由其將所有節(jié)點的信息傳送到管理平臺，并接收來自平臺的指令。

4裝備車間智能制造自動化控制體系應(yīng)用

為了檢驗裝備車間智能制造自動化控制體系的可用性與實用性，按照裝備車間智能制造自動化控制體系設(shè)計思路構(gòu)建一套支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求具有生產(chǎn)過程信息實時采集與傳輸、智能調(diào)度、生產(chǎn)過程跟蹤、自動預(yù)警等功能。

4.1系統(tǒng)開發(fā)

采用J2EE搭建開發(fā)環(huán)境，JBoss應(yīng)用服務(wù)器，Windows操作系統(tǒng)和Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。基于IPv6信息交互裝置構(gòu)建系統(tǒng)框架，系統(tǒng)主要功能包括計劃管理、運行管理、質(zhì)量管理、資源管理和安全管理。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

計劃管理功能由任務(wù)制定、任務(wù)下達(dá)、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)查看、任務(wù)執(zhí)行這5個子模塊組成，以生產(chǎn)任務(wù)為核心，完成自動化生產(chǎn)全過程生命周期的任務(wù)管理。

運行管理功能由自動化程序傳輸、自動化程序管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)質(zhì)量檢驗管理這4個子模塊組成，實現(xiàn)物理設(shè)備的智能化互聯(lián)互通。

質(zhì)量管理功能由維修管理、質(zhì)量分析、質(zhì)量預(yù)警這3個子模塊組成，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢驗與異常事件處理。

資源管理功能由設(shè)備管理、工具管理、人員管理和物料管理這4個子模塊組成，實現(xiàn)對自動化生產(chǎn)的資源進(jìn)行管理。

安全管理功能由用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理這4個子模塊組成，實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的管理和系統(tǒng)運行安全信息的記錄。

4.2系統(tǒng)應(yīng)結(jié)果分析

所構(gòu)建的裝備車間智能制造自動化控制系統(tǒng)能夠圍繞復(fù)雜的生產(chǎn)制造過程以智能制造模式控制自動化生產(chǎn)加工設(shè)備，按照既定的要求實現(xiàn)信息的交互，制定任務(wù)內(nèi)容、下達(dá)任務(wù)指令、進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行任務(wù)都能夠按照計劃實施，信息通信具有交互的即時性和準(zhǔn)確性，在設(shè)備運行管理中，自動化控制程序的傳輸、管理與設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測都能做到準(zhǔn)確無誤地完成，當(dāng)生產(chǎn)質(zhì)量出現(xiàn)問題自主調(diào)整質(zhì)量控制參數(shù)，當(dāng)遇到超出設(shè)定參數(shù)范圍的質(zhì)量問題及時發(fā)出警告，完整地實現(xiàn)了質(zhì)量管理功能。通過資源管理能夠及時獲得自動化設(shè)備、生產(chǎn)工具、人員及物料的信息，動態(tài)管理生產(chǎn)資源。通過對系統(tǒng)人員的添加與刪除和權(quán)限的設(shè)定，能夠保證使用者的安全管理，系統(tǒng)日志中按生產(chǎn)時間倒序記錄系統(tǒng)的各種操作信息。證明了在智能制造自動化控制體系下所構(gòu)建的系統(tǒng)具有良好的實用性。

5?結(jié)語

智能制造是新一代的制造技術(shù)綜合應(yīng)用，融合了信息處理技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)等多方面的學(xué)科知識，推動制造業(yè)的快速發(fā)展。通過對裝備車間智能制造自動化技術(shù)體系的設(shè)計與應(yīng)用研究，分析智能制造的特點，將信息采集技術(shù)、信息處理技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、自動化控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的融合，提出基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知和基于WSN技術(shù)信息傳輸構(gòu)建裝備車間智能制造自動化技術(shù)體系，并基于該體系的應(yīng)用系統(tǒng)，極大地提高了自動化制造的智能性，具有良好的應(yīng)用推廣價值。

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