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(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016;2.常熟無縫鋼管有限公司，江蘇 蘇州 215524)

0 引言

近年來，我國的工業(yè)迅速發(fā)展，國內對無縫鋼管的需求也迅速增長，無縫鋼管的生產(chǎn)工藝控制是影響鋼管質量的決定性因素。

隨著計算機技術以及現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，智能制造的方式已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一個主流。在智能制造中，通常將一個能夠與外界環(huán)境進行信息交互，并且能夠與其他物理或邏輯實體進行“交流”的單元，稱為一個Agent[1](代理)。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過多個代理共同協(xié)作，完成生產(chǎn)任務，稱為多代理系統(tǒng)(MAS)。在以智能制造的方式進行生產(chǎn)時，需要對物料進行實時的跟蹤，物聯(lián)網(wǎng)技術[2]被廣泛地應用于智能制造的生產(chǎn)過程之中。通過物聯(lián)網(wǎng)能夠對物料進行實時的跟蹤、定位，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程實時的監(jiān)控，對整個生產(chǎn)作業(yè)進行智能管理。

早在20世紀末期，就已經(jīng)對“智能制造”進行了深入研究，取得了一定的進展。Lemous等研究了智能系統(tǒng)在機器人裝配過程中的應用[3]。Gausemeier等人在智能制造網(wǎng)絡通信方面進行了一定的研究[4]。在對多智能體的研究方面，建立了多種生產(chǎn)控制系統(tǒng)的模型，并且在企業(yè)信息控制、車間控制和智能焊接等方面有著廣泛的應用[5-7]。并且基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)也得到重視，被應用于柔性的輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)信息的傳遞等[8-10]。在此，研究基于多代理的無縫鋼管高精度冷拔的智能制造。傳統(tǒng)的冷拔生產(chǎn)主要在生產(chǎn)進行完之后進行檢測，對生產(chǎn)過程中工藝的檢測較為缺乏，并且?guī)缀鯖]有對物料進行跟蹤，物料的管理較為混亂，對生產(chǎn)信息的獲取不夠及時，人為因素在生產(chǎn)過程中有著很大的影響，在現(xiàn)今日益激烈的市場競爭的環(huán)境條件下，處于劣勢地位。相比于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，智能制造的條件下可以有效地減少甚至克服這些不利因素。

在此，根據(jù)某無縫鋼管有限公司的高精度冷拔工藝，在原有的生產(chǎn)工藝路線上進行智能化改造，設計了一個智能化的檢測系統(tǒng)，部分實現(xiàn)了高精度冷拔管生產(chǎn)過程的智能化。

1 智能制造中的物料跟蹤與工藝參數(shù)檢測

要想使生產(chǎn)過程智能化，對生產(chǎn)過程進行實時的檢測，就需要對物料進行跟蹤，給物料貼上“標簽”，并且將生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)設計為一個代理，能夠識別物料上的標簽。各個代理與總控中心可以進行信息交互，相互間進行協(xié)調，共同完成生產(chǎn)作業(yè)。

1.1 對物料的跟蹤

物料的跟蹤，給物料貼上一個標簽，該標簽內含有該物料獨有的編碼，可以通過該編碼查找到該物料的詳細信息，而這個標簽可以成為智能物件[8]，從而判斷需要對物料進行何種生產(chǎn)工藝，并且實現(xiàn)對物料運輸和產(chǎn)品倉庫的智能管理。

1.2 對工藝參數(shù)的檢測

在生產(chǎn)工藝控制過程中，可把各個生產(chǎn)部分設計成一個代理，對生產(chǎn)過程進行通信、感知，并且具有執(zhí)行以及決策等功能。代理擁有自己的知識庫，通過對外界信息的感知以及交流進行決策，并控制執(zhí)行機構進行相關的生產(chǎn)作業(yè)。代理結構如圖1所示。

進行生產(chǎn)作業(yè)時，每一個代理是一個獨立的個體，在明確工作任務后，能夠獨立完成自身的生產(chǎn)任務；而在整個生產(chǎn)環(huán)境下，它又是一個分支，通過生產(chǎn)信息的傳遞和控制器的協(xié)調，與其他代理共同完成生產(chǎn)任務，控制中心依賴各個代理的信息來調度物料運輸以及整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)作業(yè)。

圖1 代理結構

2 高精度冷拔鋼管生產(chǎn)工藝的智能化改進

在高精度冷拔管生產(chǎn)過程中，對于各個工藝采用ARM9系列的芯片作為控制器，通過對其串口/并口操作，依賴于生產(chǎn)車間的現(xiàn)場總線，使其實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設備之間以及與上位機的通信功能。

在進行高精度冷拔管生產(chǎn)時，各傳感器等設備采集到的信號傳遞給相應的代理控制器，控制器根據(jù)這些信號來控制生產(chǎn)過程，或者與其他控制器或上位機進行信息的交互，共同完成生產(chǎn)過程的控制。

2.1 高精度冷拔鋼管的工藝路線

高精度冷拔的工藝如圖2所示。

圖2 高精度冷拔工藝流程

生產(chǎn)時需要對物料進行追蹤，考慮到退火等工藝對標簽的影響，將物料的追蹤分為4個部分：將軋頭之后并且合格的鋼管放在倉庫的半成品區(qū)A；將進行第1道冷拔工藝后并且合格的鋼管放在倉庫的半成品區(qū)B；將進行第2道冷拔工藝后并且合格的鋼管放在倉庫的半成品區(qū)C；最后將生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品放入產(chǎn)品倉庫。在每一部分內對物料進行跟蹤，實時監(jiān)測物料的狀態(tài)，就可以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的分段管理，通過計算各個階段產(chǎn)品的合格率，出現(xiàn)問題時可以更準確地發(fā)現(xiàn)錯誤地點，及時進行修正。

高精度冷拔鋼管的主要工作有：退火；酸洗、潤滑；冷拔；產(chǎn)品檢測。因此，可以將整個生產(chǎn)線的控制分為4個代理。各部分能夠自主獨立地完成自身的生產(chǎn)工藝，并且具備信息交互的能力，生產(chǎn)工藝中其余的部分由總控制中心來統(tǒng)一調度。

2.2 檢測信號的處理

物料跟蹤選擇使用RFID標簽，在進行加工之前，預先在RFID標簽內填入鋼管的信息，并預置鋼管所需要進行的生產(chǎn)工藝以及工藝參數(shù)要求，標簽中的信息在通過每一道工藝時會根據(jù)生產(chǎn)情況進行更新。由于鋼管的生產(chǎn)工藝是按照一定順序進行生產(chǎn)的，可以在RFID內設置相關信息來控制生產(chǎn)工藝的正確進行，主控制中心通過讀取該信息，向物料運輸系統(tǒng)發(fā)出指令，控制鋼管的物料運輸，而各個生產(chǎn)工藝的控制器通過讀取標簽內的信息，來進一步判斷是否應該進行本工藝。

選用非接觸式傳感器來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的信息采集，傳感器收集到相關信息后會觸發(fā)1個信號，信號處理設備收集到信號后對該信號進行必要的處理，然后傳遞給執(zhí)行機構，同時傳感器對執(zhí)行機構進行檢測，將信號傳給信號處理設備，形成反饋回路。

2.3 對退火過程的檢測

需要進行退火的鋼管有2種：一種是已經(jīng)進行完軋頭工作，等待退火工作的鋼管，在半成品區(qū)A；另一種是已經(jīng)經(jīng)過1次冷拔之后的鋼管，被放在半成品區(qū)B。2種物料內標簽的信息是不同的，物料運輸系統(tǒng)通過讀取標簽內的信息來判斷物料來源，據(jù)此將鋼管運輸?shù)较鄳耐嘶馉t進行退火工作。退火爐也會讀取標簽內的信息，經(jīng)過退火部分控制器的確定，判斷是否進行退火工作。

2.3.1 退火檢測方案設計

為了消除加工硬化等因素的影響，鋼管在冷拔前都需要進行退火，退火時需要保證退火溫度在一定的范圍內，而且必須保證退火時間。對退火過程溫度檢測如圖3所示。

圖3 退火溫度測量

使用非接觸式溫度傳感器測量退火爐內部溫度，將溫度信息傳遞給控制該工藝的控制器。控制器內存有預先制定的溫度范圍，通過與傳感器采集到的溫度相比較，來確定對退火爐的控制指令，并且退火爐內設有定時器，定時器設置了需要進行退火的時間，在進行完一次退火之后能夠進行重置，當鋼管進入退火爐時進行計時，以保證鋼管的退火時間。

退火之后給鋼管打上標簽，記錄下鋼管已經(jīng)完成的工藝等信息，并傳遞到總控制中心，可以通過此信息來判斷下一步工藝，并且后續(xù)工藝可以通過該信息來判斷到達的鋼管是否可以進行該工藝。

2.3.2 退火信號的處理

退火過程需要使用2個傳感器，一個用于檢測退火爐溫度的溫度傳感器，另一個用于檢測鋼管進入/退出退火爐的計數(shù)傳感器。退火爐的工作狀態(tài)變量定義如表1所示。

表1 退火爐狀態(tài)變量

在控制器內設置變量AT為退火溫度控制變量，使用兩位來表示退火爐的4種工作狀態(tài)。溫度傳感器檢測退火爐內部狀態(tài)，將信號上傳到控制器，預先控制器每過1個時間T采集1次這個信號，根據(jù)這個信號給AT賦值，再根據(jù)AT的值，控制器給退火爐以及物料運輸系統(tǒng)發(fā)出信號，控制其工作。

當物料運輸系統(tǒng)將鋼管輸送進入退火爐時，將有1個傳感器檢測到該信息，此時會向控制器發(fā)出1個脈沖，控制器內預先設有計時器，此時計時器開始工作，當計時時間到時，控制器向物料運輸系統(tǒng)發(fā)出信號，將鋼管從退火爐內取出，同時傳感器檢測到該信號，并對控制器發(fā)出1個信號，使計時器重置，等待下一次操作進行。退火流程如圖4所示。

圖4 退火工藝流程

當控制器讀取到鋼管標簽內的信息，控制器會去讀取溫度傳感器和計數(shù)傳感器的信號，來判斷當前的生產(chǎn)條件和信息。當符合當前工作要求時，物料運輸系統(tǒng)將鋼管送入退火爐，同時計數(shù)傳感器發(fā)送1個信號給退火爐控制器，退火爐正在工作，該信號也會傳入總控制器控制該部分物料運輸裝置進入等待狀態(tài)。當退火工作完成，鋼管退出退火爐，計數(shù)傳感器給出信號，表示退火爐進入等待狀態(tài)，下一批次鋼管可以進入退火爐。整個退火期間，溫度傳感器每隔10 s以中斷方式向控制器發(fā)出信號，監(jiān)測退火爐內部溫度。

退火過程進行完之后，將該批次鋼管打包，向標簽內添加內容，表示其已經(jīng)退火完成，并且物料運輸系統(tǒng)根據(jù)標簽內的信息判斷下一步工序，將鋼管運輸?shù)较鄳牡胤健?/p>

2.4 對磷化皂化槽及酸洗槽的檢測

在冷拔工藝中，二次退火過程之后都需要進行磷化皂化和酸洗的處理，需要進行該工藝的2類鋼管原材料標簽內部的信息是不同的，生產(chǎn)系統(tǒng)就是根據(jù)這個信息來區(qū)分這2類鋼管，從物料運輸系統(tǒng)將其運輸?shù)较鄳囊后w槽中進行相應的處理。

2.4.1 磷化皂化及酸洗檢測方案設計

鋼管在冷拔之前需要進行磷化、皂化以及酸洗，這可以使鋼管表面覆上一層磷化膜，減小鋼管冷拔時的摩擦力，而這些溶液在對一定批次的鋼管作用之后，溶液的濃度就不能夠達到要求，需要進行定期的更換。所以在槽上安裝傳感器用來測量鋼管進行該工藝的時間，并且記錄進行該工藝鋼管的數(shù)量作為倉庫的信息管理，如圖5所示。

圖5 磷化、皂化以及酸洗示意

同時，總控制中心也能夠發(fā)出信息，告訴磷化、皂化以及酸洗的控制器需要進行該工藝的鋼管數(shù)量，可以計算出需要更換幾次溶液。當需要更換溶液時，控制器向工作人員發(fā)出請求，并將內部記錄鋼管數(shù)量的計數(shù)器重置，進行新一輪的計數(shù)。當鋼管到達磷化、皂化以及酸洗槽時，通過讀取其標簽了解到物料來源，物料運輸系統(tǒng)會根據(jù)該信息將鋼管送到相應的生產(chǎn)工藝加工地點，進行相關工藝操作。進行完該部分工藝之后，給物料重新打上標簽，以便于后續(xù)工藝的生產(chǎn)加工以及物料運輸?shù)目刂啤?/p>

2.4.2 磷化皂化以及酸洗信號處理

對于該工藝進行一次生產(chǎn)的計時功能與退火過程類似，不再贅述，但是與退火過程有區(qū)別的是：為了使磷化皂化酸洗的過程比較充分，在進行該工藝時需要將計時分為2段，經(jīng)過一段時間后，控制器發(fā)出信號，將鋼管翻轉一下，防止鋼管因相互接觸而導致部分區(qū)域沒有進行該工藝。

該工藝還要對鋼管進行計數(shù)，通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳遞給總控制器，可以對產(chǎn)品進行統(tǒng)一的管理。當鋼管進入盛有溶液的槽時，傳感器檢測到該信息，產(chǎn)生1個信號，該工藝的控制器接收到這個信號，并記錄下進行該工藝的鋼管數(shù)量，通過現(xiàn)場總線將每批次鋼管的數(shù)量傳遞給總控制器，從而實現(xiàn)對鋼管數(shù)量上的追蹤。并且記錄下已經(jīng)進行處理的鋼管數(shù)量，當達到一定數(shù)量時，發(fā)出警報，提示工作人員更換溶液，并自動重置該變量的值。磷化皂化以及酸洗工藝流程如圖6所示。

圖6 磷化皂化以及酸洗工藝流程

磷化皂化以及酸洗工藝控制器在得到物料應該進行該工藝的信號時，通過傳感器上傳給控制器的信號確定設備狀態(tài)良好后，該代理控制器與物料運輸系統(tǒng)進行信息交互，將物料運輸?shù)较鄳牟蹆冗M行工藝加工。當鋼管進入槽內時，傳感器檢測到信號，并將槽的使用狀態(tài)由空閑改為工作，讓物料運輸裝置進入等待狀態(tài)，經(jīng)過一段時間，控制器內部計時器的計時時間到，發(fā)出1個信號，控制吊鉤晃動吊帶，使鋼管進行翻轉，進行完工藝加工后，修改標簽內的信息，并控制物料運輸系統(tǒng)將鋼管運輸?shù)嚼浒螜C前準備進行冷拔操作?？刂破鲀炔吭趥鞲衅饔涗涗摴苓M出溶液時會對鋼管的批次進行計數(shù)，當溶液進行完一定次數(shù)的生產(chǎn)之后，會發(fā)出警報信號，提醒工作人員更換溶液，并重置計數(shù)器。

2.5 對于冷拔過程的檢測

2.5.1 冷拔過程的檢測方案設計

冷拔時最重要的就是要保證冷拔力的恒定，如果冷拔力出現(xiàn)波動，需要向工作人員發(fā)出故障警報。當鋼管受到恒定的力進行冷拔時，其移動的速度也是穩(wěn)定的，只有在冷拔開始時虎鉗夾住鋼管，以及冷拔結束時鋼管尾端脫離模具的時候，由于受力突然變化，會產(chǎn)生速度突變，這個變化是周期性的、有規(guī)律的，測量速度的傳感器可以記錄這2個脈沖信號。根據(jù)這個原理，就可以在夾住鋼管的虎頭鉗上安裝速度傳感器，將信號傳輸?shù)娇刂破魃?，只有在冷拔開始和結束2個信號之間檢測到的數(shù)值才被看作有效地輸入?yún)?shù)。當發(fā)生周期性速度變化時，就可以對進行冷拔的鋼管進行計數(shù)，當檢測到速度的波動不是規(guī)律性變化時，控制器發(fā)出錯誤警報，提醒工作人員檢查設備狀態(tài)。

2.5.2 冷拔過程信號的處理

在對鋼管進行冷拔時，理想狀態(tài)下拉力是一個恒定的數(shù)值，所以理想狀態(tài)下安裝在虎鉗的傳感器所測量到的速度也是一個恒定的值，但是由于工業(yè)現(xiàn)場是一個復雜的環(huán)境，傳感器所檢測到的速度不可能是恒定的，會在小范圍內波動，因此控制器需要知道速度在什么范圍內波動才是正常工作狀態(tài)。

預先在控制器內設置的速度范圍應該包括幾乎所有的正常數(shù)值范圍，正態(tài)分布的3σ原則可以包括99.74%的數(shù)據(jù)，可以作為對該數(shù)據(jù)的選擇標準。生產(chǎn)之前的準備工作中，先測量正常冷拔時得到的速度數(shù)據(jù)(v1,v2,v3,…,vi)，將這些數(shù)據(jù)按照正態(tài)分布的公式進行計算：

(1)

μ為速度平均值；σ為速度標準差；e為自然對數(shù)的底。速度v取在±3σ內時，包含了幾乎所有的正常工作時的數(shù)值，在控制器內選取該范圍為約束，當傳感器檢測到的信號在該范圍內時，冷拔裝置正常工作，否則發(fā)出警報并控制冷拔裝置停止工作。

2.6 對于產(chǎn)品的檢測

本工藝將物料的追蹤分為了4個部分，在每個部分完成時都需要對產(chǎn)品進行檢測。對于半成品的檢測只需檢測其尺寸是否合格，從其“標簽”中讀取是否正確完成該部分工藝，進入倉庫后，即對其標注為“合格品”，可以不再區(qū)分，后續(xù)工藝可以直接進行使用；對于最后一步成品的檢測較為復雜，需要檢測的參數(shù)較多，不僅需要對尺寸進行檢測，還需要檢測其直線度、圓柱度和硬度等，當檢測合格之后，該產(chǎn)品“標簽”中含有鋼管自身的信息，進入成品倉庫，以實現(xiàn)對鋼管產(chǎn)品的管理和銷售。

雖然在每個工藝環(huán)節(jié)之后都會對產(chǎn)品(半成品)進行檢測，可以將這個環(huán)節(jié)融入到各個代理之中，但是這樣的做法并不好。首先,負責檢測工藝的代理之中多添加了一個檢測產(chǎn)品的功能，增加了代理的負擔，此外對最終成品需要進行檢測，還要統(tǒng)計產(chǎn)品的合格率，這與檢測各個部分的過程類似，可以融合到一起，而且還方便對各個工藝的產(chǎn)品合格率做出比較，找出生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)進行進一步的改進，當產(chǎn)品出問題時，也可以通過比較各個環(huán)節(jié)產(chǎn)品(半成品)的合格率，迅速找出問題所在點。

2.7 生產(chǎn)系統(tǒng)的整體控制

生產(chǎn)過程不僅僅是各個代理各自完成生產(chǎn)任務，還需要互相進行信息交互，共同完成生產(chǎn)任務，這不僅僅需要各個代理之間進行信息交互，而且需要總控制中心進行協(xié)調。

總控制中心對各個生產(chǎn)工藝不進行直接控制，而是通過對物料運輸系統(tǒng)的控制以及與各個代理之間的交流來協(xié)調整個生產(chǎn)過程?？偪刂浦行男枰鉀Q生產(chǎn)時信息交互沖突的問題，各個代理在進行信息交互的時候需要先向總控制中心發(fā)出請求，在總控制中心確定當前條件下兩者可以進行信息的交互時，信號才能夠傳遞。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的生產(chǎn)過程控制

物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層、控制層、網(wǎng)絡層和綜合應用層。檢測及控制裝置可以作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層和控制層，要想實現(xiàn)冷拔管生產(chǎn)的物聯(lián)，還需要設計網(wǎng)絡層和綜合應用層。

3.1 網(wǎng)絡層的整體設計

本系統(tǒng)使用CAN接口，實現(xiàn)以工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議為基礎的網(wǎng)絡互連，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程控制；當不使用該功能時，總控制器控制現(xiàn)場工作。該功能通過遠程登錄總控制中心來控制生產(chǎn)過程的運行，將現(xiàn)場的總控制器當作一個服務器端接收命令，并且能夠對命令進行響應，回傳數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)整體架構設計如圖7所示。遠端控制設備通過登錄總控制器來控制各個生產(chǎn)工藝部分，可以直接輸入指令來修改工藝參數(shù)，通過對總控制器的控制來間接達到對生產(chǎn)線的控制。

3.2 綜合應用層的設計

綜合應用層是便于操作者對生產(chǎn)過程的操作而設計的人機交互程序，綜合應用層中的控制對象有：退火的溫度及時間、磷化皂化及酸洗的各類時間控制、冷拔速度的控制、物料運輸?shù)膯⑼？刂频?。該部分還能夠反映現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)。

4 智能系統(tǒng)的現(xiàn)場測試

根據(jù)之前的設計方案，在現(xiàn)場采取了一系列的測試，用于驗證設計的合理性，以及根據(jù)現(xiàn)場的實際情況安裝智能設備。

首先對物料追蹤進行檢測，當對標簽內填入無效值時，系統(tǒng)讀取到內容，但是不作任何動作，隨后將標簽內分別填上各個部分的內容，物料運輸系統(tǒng)運作。

退火時，將退火爐內部的溫度調高或調低時，控制器能夠發(fā)出不同頻率的警報，同時控制退火爐的電機調節(jié)退火溫度，此時物料運輸裝置在退火爐前等待，不會將物料運入退火爐；退火爐溫度恢復正常時，物料被運入退火爐，經(jīng)過了預定的時間后，物料被運輸出來。在對磷化皂化以及酸洗的檢測時，整個設備能在預先制定的各個時間點做出相應的動作(將物料運入/出、將在溶液中的物料翻動、一定批次物料作用完之后發(fā)出提示警報等)。測量冷拔時，對虎頭鉗運動的速度進行調試，在預定范圍內運行良好，超出范圍后發(fā)出警報。產(chǎn)品的檢測裝置能夠正常工作并統(tǒng)計產(chǎn)品的質量。

從檢測結果上看，整體上達到了預期的要求，但是在臨界值的處理上還有瑕疵，需要進一步完善。

5 結束語

介紹一種應用于鋼管冷拔工藝檢測的智能檢測方案，將各個工藝過程設計為一個代理，通過現(xiàn)場總線與上位機進行通信，對物料也進行實時追蹤，總體上實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能化。智能化的生產(chǎn)方式降低了人為因素對產(chǎn)品質量的影響，能夠對生產(chǎn)過程中的問題進行快速的響應，提高了產(chǎn)品的整體質量。在實現(xiàn)物聯(lián)方面提出了構想，在追求生產(chǎn)智能化的時代，物聯(lián)網(wǎng)也必將得到廣泛的應用。

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