徐海港 ,林連華 ,紀(jì)昌勇

（1.252800 山東省 高唐縣 山東時(shí)風(fēng)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；2.252800 山東省 高唐縣 農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)動(dòng)力和收獲機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

我國(guó)制造業(yè)發(fā)展環(huán)境日益復(fù)雜，發(fā)展條件和動(dòng)力發(fā)生深刻變革，面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存?！吨袊?guó)制造2025》提出“推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合”的重點(diǎn)任務(wù)，加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向[1]。一方面，制造業(yè)發(fā)展面臨資源環(huán)境約束強(qiáng)化、要素成本上升、投資出口放緩等挑戰(zhàn)，亟須推動(dòng)數(shù)字化智能化改造升級(jí)，優(yōu)化企業(yè)資源配置，提升生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效率，改善產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)，提高供給結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和靈活性，形成經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)力[2-3]；另一方面，信息技術(shù)高速發(fā)展，成為構(gòu)建新型制造體系的重要力量，給制造業(yè)智能化升級(jí)帶來(lái)新支撐。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)正在向制造業(yè)加速滲透融合，工業(yè)云、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備逐步成為制造業(yè)發(fā)展新基礎(chǔ)，個(gè)性化定制、服務(wù)型制造成為生產(chǎn)方式變革新趨勢(shì)，融合創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新、迭代創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新等正在成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)新動(dòng)力[4-5]。裝備制造業(yè)如何建立基于信息流、物流、工作流、參數(shù)流、質(zhì)量流的智能生產(chǎn)運(yùn)維系統(tǒng)，破解集成化關(guān)鍵技術(shù)尤為關(guān)鍵[6-7]。通過(guò)信息技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平顯得尤為迫切。

1 鑄造車間數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模與協(xié)同管理技術(shù)

根據(jù)鑄造車間各工序數(shù)據(jù)類型和系統(tǒng)采集需求，涉及到的制造過(guò)程數(shù)據(jù)按照對(duì)象分為人員信息、設(shè)備信息、物料信息、生產(chǎn)執(zhí)行信息、質(zhì)量信息、其它信息等6 類數(shù)據(jù)信息，其中每類信息下又有若干子類數(shù)據(jù)。本研究中，采用基于UML的面向?qū)ο蟮姆椒ń㈣T造車間各工序數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)象模型。

1.1 人員數(shù)據(jù)模型

人員是資源的一部分，是車間生產(chǎn)過(guò)程的重要參與者，作業(yè)人員在車間作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生制造相關(guān)的人員類數(shù)據(jù)。以制造過(guò)程人員數(shù)據(jù)為對(duì)象，人員數(shù)據(jù)模型如圖1 所示。

車間作業(yè)的個(gè)人組成車間人員類。車間人員類包含人員類操作和人員類屬性，各類操作和屬性下有對(duì)應(yīng)于各自的操作方法和屬性值，如個(gè)人操作有獲取生產(chǎn)任務(wù)、采集并上傳制造過(guò)程數(shù)據(jù)等，個(gè)人屬性有員工工號(hào)、工組信息等。同時(shí)，個(gè)人還對(duì)應(yīng)于車間制造過(guò)程生產(chǎn)任務(wù)，并關(guān)聯(lián)到任務(wù)下的生產(chǎn)任務(wù)信息。

1.2 設(shè)備類數(shù)據(jù)模型

設(shè)備數(shù)據(jù)模型是基于設(shè)備模型展開(kāi)的，在模型中定義了設(shè)備類、設(shè)備、加工任務(wù)、維護(hù)對(duì)象，如圖2 所示。設(shè)備屬性包括設(shè)備編號(hào)、設(shè)備類型、所屬車間等，加工響應(yīng)主要表征運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)、保養(yǎng)情況及故障描述等。

圖2 設(shè)備類數(shù)據(jù)模型Fig.2 Device class data model

設(shè)備類包含有設(shè)備類操作和設(shè)備類屬性并各自具有相應(yīng)的操作值和屬性值。設(shè)備也同樣由設(shè)備操作和設(shè)備屬性構(gòu)成，設(shè)備操作和設(shè)備屬性在具有各自屬性值的同時(shí)，還必須映射到設(shè)備類操作和設(shè)備類屬性。同時(shí)，每臺(tái)各工序設(shè)備還具有各自的加工任務(wù)和維護(hù)計(jì)劃，通過(guò)設(shè)備可以關(guān)聯(lián)到加工任務(wù)信息和基于任務(wù)下的設(shè)備工作狀態(tài)信息，以及維護(hù)計(jì)劃下的設(shè)備故障信息和維護(hù)日志信息。

1.3 物料類數(shù)據(jù)模型分析

物料類操作和物料類屬性構(gòu)成了物料類數(shù)據(jù)模型。在鑄造車間數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，物料包括原材料、在制造品和制成品，通過(guò)物料定義，使其對(duì)應(yīng)于物料類。其中物料操作和屬性也相應(yīng)地映射到物料類操作和物料類屬性。在制造過(guò)程中，物料通常是以批次進(jìn)行加工和運(yùn)輸?shù)?，因此物料批次?shù)據(jù)也對(duì)應(yīng)于物料定義下物料屬性數(shù)據(jù)。隨著靜壓造型、數(shù)控混砂、機(jī)器人搬運(yùn)、下芯、數(shù)字化配料電熔煉等工步加工過(guò)程的進(jìn)行，物料的質(zhì)量會(huì)發(fā)生改變，有原材料、有型芯、澆注半成品、成品等，物料屬性下的質(zhì)量數(shù)據(jù)也相應(yīng)地關(guān)聯(lián)到車間生產(chǎn)制造質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程中，并根據(jù)質(zhì)檢要求和質(zhì)檢結(jié)果得到質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

圖3 物料類數(shù)據(jù)模型分析Fig.3 Material data model analysis

1.4 質(zhì)量數(shù)據(jù)模型分析

質(zhì)量數(shù)據(jù)包含質(zhì)量屬性和數(shù)據(jù)對(duì)象操作方法。質(zhì)量數(shù)據(jù)在同一規(guī)格產(chǎn)品加工時(shí)具有共同的加工質(zhì)量屬性，如加工過(guò)程品質(zhì)規(guī)范、產(chǎn)品質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)流程和方法等，是一種共有屬性，是產(chǎn)品滿足需求的基本屬性。在鑄造加工過(guò)程中，重點(diǎn)考慮的是產(chǎn)品對(duì)象的質(zhì)量，如來(lái)料檢驗(yàn)的質(zhì)量、加工過(guò)程質(zhì)量、成品質(zhì)量等。把質(zhì)量數(shù)據(jù)相關(guān)的靜態(tài)數(shù)據(jù)定義為屬性，把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)定義為操作，則它們具有自身的屬性和操作。產(chǎn)品的對(duì)象質(zhì)量常與各工序的機(jī)器、質(zhì)量設(shè)備、加工和質(zhì)檢人員構(gòu)成關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖4 所示。

圖4 質(zhì)量數(shù)據(jù)模型分析Fig.4 Analysis of quality data model

1.5 生產(chǎn)制造執(zhí)行過(guò)程數(shù)據(jù)模型分析

加工執(zhí)行數(shù)據(jù)包含任務(wù)數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)和流轉(zhuǎn)單數(shù)據(jù)，也關(guān)聯(lián)著車間的加工計(jì)劃，其中任務(wù)數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)、流轉(zhuǎn)單數(shù)據(jù)都具有各自的屬性和方法，而且與加工執(zhí)行信息有著一對(duì)多的關(guān)系。任務(wù)數(shù)據(jù)同時(shí)還與加工的工藝信息、工序過(guò)程模型和加工質(zhì)量規(guī)范有著關(guān)聯(lián)關(guān)系，任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中必須依照此類信息進(jìn)行加工。流轉(zhuǎn)單作為車間生產(chǎn)的基礎(chǔ)，通過(guò)流轉(zhuǎn)單可以了解加工部件加工執(zhí)行情況，包含加工過(guò)程中需要的人員、物料、設(shè)備等資源的需求，而這些需求又對(duì)應(yīng)到相關(guān)資源的屬性中去，如圖5 所示。

圖5 加工執(zhí)行數(shù)據(jù)模型分析Fig.5 Analysis of machining execution data model

2 關(guān)鍵工序的互聯(lián)互通協(xié)同控制技術(shù)

企業(yè)ERP 采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于B/S 或者C/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)，而鑄造車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用PLC、智能控制器為主的控制信息系統(tǒng)，二者之間沒(méi)有直接通訊的能力，數(shù)據(jù)相對(duì)孤立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。本研究采用OPC 技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于COM 的中間件軟件，提取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（造型線控制系統(tǒng)、砂處理控制系統(tǒng)、熔化監(jiān)控系統(tǒng)）中有用數(shù)據(jù)送入企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)維管理系統(tǒng)和ERP 系統(tǒng)中，并經(jīng)過(guò)授權(quán)直接將生產(chǎn)運(yùn)維管理系統(tǒng)和ERP 系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)中間層軟件送到控制系統(tǒng)控制各加工工序運(yùn)行。

使用VB，C++或者C#等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，基于OPC 組件開(kāi)發(fā)中間件軟件作為OPC client 端，定時(shí)采集和設(shè)置自動(dòng)化集控系統(tǒng)的OPC server 數(shù)據(jù)項(xiàng)。其中自動(dòng)化集控系統(tǒng)的OPC server 數(shù)據(jù)項(xiàng)為組態(tài)軟件增加的OPC 數(shù)據(jù)項(xiàng)。中間件軟件通過(guò)odbc 或者其他數(shù)據(jù)連接方式與ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，如圖6 所示。

圖6 中間件軟件示意圖Fig.6 Schematic diagram of middleware software

3 控制系統(tǒng)互聯(lián)互通集成平臺(tái)技術(shù)

控制系統(tǒng)互聯(lián)互通平臺(tái)包括智能主控制模塊、通信模塊、邏輯控制單元、過(guò)程控制單元，滿足裝備狀態(tài)采集控制及設(shè)備互聯(lián)要求。

（1）主控制器模塊

主控制器模塊為了實(shí)現(xiàn)高速處理能力，選用多CPU 的處理方式，各模塊具備獨(dú)立的CPU，將高速處理分散到各模塊中；CPU 選型上，選擇國(guó)產(chǎn)CPU 芯片及ARM CPU 芯片。CPU 板支持總線CAN 接口、以太網(wǎng)接口、RS485 接口、外部CAN 接口，均與CPU 隔離。

（2）通訊模塊

考慮到系統(tǒng)通信的擴(kuò)充能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)原計(jì)劃設(shè)計(jì)獨(dú)立的通信模塊。在執(zhí)行過(guò)程中，考慮到主控制器硬件設(shè)計(jì)，已提供了多類通信接口，在本部分的設(shè)計(jì)中，直接采用主控制器的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟件編程，作為一類特殊的擴(kuò)展模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）模擬量輸入模塊

模擬量輸入關(guān)鍵點(diǎn)在于防止模擬量輸入之間的串?dāng)_，為了解決這一問(wèn)題，采用模擬量線形隔離技術(shù)，采用路路隔離方式，避免相互干擾的問(wèn)題。

（4）模擬量輸出模塊

模擬量輸出關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于輸出隔離及輸出精度。在設(shè)計(jì)中采用了DC/AC 轉(zhuǎn)換芯片，在DC 輸入端采用高速光電隔離技術(shù)，在保證隔離效果的同時(shí)保證了模塊輸出的精度。

（5）I/O 輸入模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的抗干擾性而采用了光電隔離技術(shù)，使每一路輸入相互隔離獨(dú)立。為適應(yīng)高速輸入，在部分輸入采用了高速光電隔離技術(shù)。為保證開(kāi)關(guān)量輸入及高速脈沖量輸入，部分輸入在軟件上處理，采用輸入引腳復(fù)用的方式。

（6）I/O 輸出模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的抗干擾性而采用了繼電器隔離技術(shù)，使每一路輸入相互隔離獨(dú)立。

（7）下位機(jī)軟件

主CPU 與各模塊通信協(xié)議的確立，確定了內(nèi)部通信協(xié)議，為系統(tǒng)聯(lián)結(jié)、擴(kuò)展搭建了通信框架。

下位機(jī)軟件包括CPU 監(jiān)控程序、輸入板監(jiān)控程序、輸出板監(jiān)控程序等。

4 智能制造車間生產(chǎn)運(yùn)維系統(tǒng)

生產(chǎn)運(yùn)維系統(tǒng)屬于工廠執(zhí)行層的系統(tǒng)，它介于上層管理層和底層監(jiān)控層之間，起承上啟下的作用，是ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和保證，三者一起構(gòu)成了計(jì)劃、執(zhí)行、控制、反饋、調(diào)整的完整的閉環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)接口進(jìn)行計(jì)劃、指令的傳遞和生產(chǎn)實(shí)績(jī)的反饋，使生產(chǎn)計(jì)劃、控制指令、實(shí)際信息在整個(gè)ERP，MES 和數(shù)采監(jiān)控系統(tǒng)中透明、及時(shí)、順暢地交互傳遞。

（1）生產(chǎn)計(jì)劃

計(jì)劃輔助排產(chǎn)管理包括廠級(jí)計(jì)劃導(dǎo)入、車間計(jì)劃編制、計(jì)劃外協(xié)、產(chǎn)能分析、計(jì)劃預(yù)警、計(jì)劃跟蹤等功能。統(tǒng)一上線順序，從 ERP 導(dǎo)入生產(chǎn)計(jì)劃，按照總裝廠裝配順序的約束為計(jì)劃員提供上線順序的發(fā)布池，提供計(jì)劃發(fā)布與執(zhí)行跟蹤功能，生成計(jì)劃執(zhí)行信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

（2）設(shè)備運(yùn)維管理

主要針對(duì)車間內(nèi)部各工序的設(shè)備進(jìn)行管理，管理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等。包括設(shè)計(jì)基于已有系統(tǒng)的維修計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)；構(gòu)建故障預(yù)警、維修推演的故障管理系統(tǒng)；構(gòu)建虛擬維修及交互培訓(xùn)、維修經(jīng)驗(yàn)反饋平臺(tái)；構(gòu)建智慧維修管理與監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)智慧化工維修管理標(biāo)準(zhǔn)體系和維修策略。

（3）物料管理

物料移動(dòng)管理對(duì)工廠內(nèi)的物料移動(dòng)進(jìn)行計(jì)劃、執(zhí)行、監(jiān)控和記錄。

物料平衡是通過(guò)物料平衡和動(dòng)力平衡的方法對(duì)測(cè)量得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為其它應(yīng)用提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；

（4）質(zhì)量監(jiān)控

檢驗(yàn)設(shè)置是設(shè)計(jì)檢驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的功能，可以依據(jù)加工工序設(shè)置每個(gè)工序完成后是否需要質(zhì)量檢驗(yàn)、哪種檢驗(yàn)方式。

檢驗(yàn)參數(shù)：用戶可以在系統(tǒng)中設(shè)置檢驗(yàn)的類型、檢驗(yàn)指標(biāo)、檢驗(yàn)工具等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在形成檢驗(yàn)單時(shí)，會(huì)依據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)給出檢驗(yàn)指標(biāo)和工具，并依據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)判定檢驗(yàn)結(jié)果。

檢驗(yàn)設(shè)備：達(dá)到檢驗(yàn)環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)，依據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)判定各工序（制芯、下芯、熔煉、混砂、落砂）的產(chǎn)品是否合格，自動(dòng)記錄到服務(wù)器進(jìn)行分析。

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)是通過(guò)捕捉到的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而找到問(wèn)題所在的區(qū)域加以注意。對(duì)生產(chǎn)流水線采集過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的智能查詢分析，從而指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程管理，提高生產(chǎn)質(zhì)量和合格率等。

（5）在線安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)研究

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選和轉(zhuǎn)換，研究基于數(shù)據(jù)和專家知識(shí)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，采用聚類融合算法構(gòu)建數(shù)據(jù)融合模型，實(shí)現(xiàn)工藝、設(shè)備、各類安全報(bào)警等不同異構(gòu)數(shù)據(jù)源信息有效融合，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵安全技術(shù)參數(shù)的閾值判斷與特征提取，與建立的工藝安全健康綜合指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特征匹配，實(shí)現(xiàn)各工序加工過(guò)程安全健康動(dòng)態(tài)預(yù)警。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)建模、信息傳感、數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵工序的互聯(lián)互通協(xié)同控制技術(shù)研究及運(yùn)維管理平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)了智能制造車間的數(shù)字化集成，在集團(tuán)鑄造車間推廣應(yīng)用后，取得顯著效果，實(shí)現(xiàn)了以訂單為中心的信息物理和人的集成，工作便捷，潔凈高效，生產(chǎn)效率提高20%，人員減少80～100 人，成本降低15%～30%，產(chǎn)品不良率下降了30%，具有較好的應(yīng)用效果和示范推廣前景。