基于柔性生产线的数字化工厂系统搭建

2021-03-23任燕许辉

现代制造技术与装备 2021年2期

任燕许辉

（1.河南工业职业技术学院柔性制造河南省工程实验室，南阳 473009；2.江苏汇博机器人技术股份有限公司，苏州 215000）

1 建设背景

《中国制造2025》指出，智能制造工程要求推进生产过程的数字化、网络化和智能化，建设重点领域的智能工厂和数字化工厂，实现我国从制造大国向制造强国转变[1]。数字化工厂基于大数据、云计算以及三维GIS 等先进信息技术，是现代制造业前进的方向，能够统筹规划数据资源，为先进制造提供有效的业务支撑[2-3]。

依托行业办学优势，河南工业职业技术学院已经初步建成了一套小型的柔性生产线，作为智能制造技术研究及产业孵化基地。然而，现有柔性生产线呈现零散化和模块化，急需搭建一套智能制造系统，整合各模块资源以实现数字化、网络化以及智能化。搭建数字化工厂是构建智能制造系统的基础，将整个工厂和生产过程数字化，采集各种加工数据信息，形成和工厂及生产过程实际相对应的虚拟数字化工厂。

2 系统总体设计

智能制造系统可分为应用层、执行层、感知层和网络层[4-5]。其中，应用层提供生产需求解决方案；执行层借助智能装备实现生产过程自动化；感知层通过传感器获取生产过程数据；网络层通过数据采集与监控系统SCADA 对数据实施采集监控或上传到云端供用户分析。数字化工厂网络结构主要包括企业资源计划系统ERP、制造执行系统MES、过程控制系统PCS 以及现场设备。通过数据采集，数字化工厂可实现对车间人、机、料、法、环等全面生产要素的监控和信息发布。它的系统架构如图1 所示。

它在用户端安装数据采集与监控计算机作为信息采集终端，由通信系统将传输的网络信息发送到信息管理平台。搭建数字化工厂的关键是建立统一的数据库，以方便数据查询与使用。数据库主要涵盖产品设计数据、资源数据以及生产线集成仿真数据等。服务器的核心生产管理应用软件是生产执行系统MES。MES 数据具备安全性、保密性、完整性、易用性和可用性的特点。

3 工厂建模

通过数字化工厂建模，在物理实体与数字层面建立闭环反馈，可有效防范产品缺陷及设备故障。相对同行业，数字化工厂建模还可缩短产品开发到投产的生产准备周期约5 个月，提高生产效率。工厂建模主要包含生产建模、制造作业组织逻辑建模、动态事件建模和基础数据管理等过程。

建模能力和对象层次包括车间、生产线、生产单元、生产量组以及生产变量。制造作业组织逻辑建模主要包括工艺路径、工艺流程组织、工艺过程参数、生产作业指导与防错防呆模型等。基础数据管理模块为系统提供基础数据的维护管理功能，包括系统在开发和使用过程中的一些基础数据。系统通过工厂建模的形式实现对基础数据的管理。工厂建模还包括对生产设备及路线上发生的各种生产过程事件的定义，如生产事件、设备停机事件、废品事件、物料消耗事件以及更换产品事件等。

4 数字化工厂搭建

4.1 数据采集

图1 数字化工厂系统架构图

系统在数据采集上根据项目建设的需要，整合车间设备和控制系统的现状，采取实际数据通信和仿真数据相结合的方式收集数据。对于现场能采集的数据，均采用数据通信的方式自动采集，结合系统功能展现的需要，建立部分数据仿真模型，通过仿真部分数据来补充部分数据。

4.1.1 物料数据信息

在DMG1 和DMG2 两台符合条件的机床旁分别设置一套计算机和RFID 读写终端，总体设置一台条码打印机。在机床上料时，RFID 读写终端可读取物料的标签，系统可通过标签读取该物料的原始信息，并与产品的生产过程信息进行绑定。当产品下线后，质量管理人员或用户可在系统中通过录入或扫描成品条码标签，追溯该产品所采用的原料信息和生产过程信息。

4.1.2 机床运行数据采集

泰鑫机床型号比较旧，因此采用硬接线的方式进行数据采集。分析机床的电气回路，直接对机床的启动、停止、产量计数，通过回路和干接点输出信号。在PLC 中增加开关量输入模块，接收这些干接点新信号。上位机驱动软件IGS 通过以太网与PLC 连接，可读取相关机床的启动、停止、生产计数信息。DMG 机床型号比较新，设备供应商能够提供技术支持，因此数据可直接通过网络进行通信，并读取机床的相关运行信息，包括启动、停止、产量计数以及过程参数等。将ABB 机器人相关运行信息接入PLC，计算机可通过IGS 驱动程序从PLC 自动获取相关信息。

4.1.3 车间操作员信息数据采集

现场操作员操作时，需要录入相关操作员信息。具体地，可以从系统界面手动录入，或者通过手持终端扫描员工胸牌读取其RFID 信息，从而录入相关操作员信息。