基于物联网智能车间的信息化研究*

袁明锋 田跃军 杨 磊 李 通 孙先海 孙宏鹏

(河南航天液压气动技术有限公司，河南 郑州 451191)

工业智能化和工业信息化是制造业发展的前沿趋势，制造业发展程度是一个国家综合国力的重要体现[1]，5G和物联网技术的落地将进一步推动智能化和信息化的融合，智能工厂建设也必将成为传统制造业转型升级的目标。基于物联网智能车间的信息化系统将在智能工厂建设中起到承上启下的作用，对上承接企业的ERP(企业资源管理系统)、MES(生产在线执行系统)、PDM(产品数据管理系统)等，对下对接PLC协议实时获取设备信息、生产信息、物料库存信息以及设备运行轨迹。本文通过综合以上信息对车间生产计划进行最优化管控以提高企业的设备利用率和生产效率。

1 基于物联网的智能化改造

通过智能化改造，实现数据信息互通，实现制造加工全过程的数据跟踪，可以提高零部件质量稳定性，降低人为质量风险。随着数控化机械加工设备的大量应用，传统通过工艺文件固化来保证加工方法的一致性不足以满足关键零部件质量的稳定性、一致性要求。零部件加工过程通过结构化工艺描述、三维过程工艺进行表述，具体加工过程将使用与设备、辅助资源紧密相关的程序代码予以完成。按照数字化生产线进行加工制造的零部件将由高度精细化的程序代码执行来完成所有加工、检测过程，加工与检测过程将不需要人为干预，能严格地保证加工过程的质量一致性，是智能制造产业发展的方向。本文描述的生产线智能化改造以传统12台数控加工机床为基础，利用物联网技术进行智能化改造，实现4组12台数控加工中心上下料、机外预装预调、AGV小车辅助物料运输的过程。改造前、后设备放置及操作方式分别如图1和图2所示。

图1 改造前设备放置及操作方式图

图2 改造后设备放置及操作方式图

当周边的机床设备、安全围栏、AGV小车都已启动并处于自动状态后，在机器人总控制柜上的各周边设备的指示灯都为绿色时，操作人员在系统控制柜上按下系统运行按钮，整个系统就处于自动运行状态。

第1阶段：人工在预装预调台装卡零部件，并通过测量工具校验装卡到位情况，保证加工原点，将装调后的零部件连同专用工装放置在对应的托盘及空位上(每个托盘空位对应1台数控机床)。

第2阶段：加工者扫描待加工的托盘、托盘空位二维码，并在现场终端确定，AGV小车根据确定信号将托盘运送到指定的加工单元组。

第3阶段：工业机器人将运送托盘内的零部件放置在数控机床内，自动开始加工。

第4阶段：零部件加工完成后，工业机器人自动取件，放置在运送托盘内，并通知AGV小车将加工完成的零部件运送至预调区，由人工进行零件换装，并开始进行第1阶段循环加工执行。

改造完成后，可由原有的单人单台数控机床的操作方式变更为改造后2人操控12台数控机床，操作人员在调整好加工程序后，由系统直接下发到数控车床，随后只需在预装调台将需要加工的工件放置在固定的托盘上和云端的程序下发即可，系统可根据现场车床的加工状况完成智能化排产。

2 智能管控系统的信息化

智能管控系统的目的是满足车间对原有产线的智能化管控以达到自动加工的目的，加强工业大数据的利用，工业大数据是大数据与智能制造的交叉点[2]，智能管控系统的基础数据包含物料类别、物料维护、系统权限管理、传感器信息管理、机床管理、预装台管理、货位管理、AGV小车上下料位管理。智能管控系统主要功能模块包含工件管理、传感器信息管理、数控机床管理、预装台管理、货位管理、AGV小车管理、工业机器人管理、流程控制和综合管理，同时对接上层系统，进而实现数据共享。

控制系统中有2个基本流程，在入库、上料、出库等过程中都会用到这2个流程：智能机器人取件流程和智能机器人放件流程(见图3)。

图3 控制流程

3 设备及车间环境管控信息化

3.1 设备管控信息化

针对上述12台数控机床改造的智能化生产线建立完善的智能管控系统，以实现产线的信息化管控，通过5G技术的应用实现在云端对设备和机器人的管控以及现场环境、产线运行情况进行查看(见图4)。为了解决工业网络间的复杂的数据通信问题，解决多个独立程序之间的数据通信，甚至是不同的操作系统、平台的网络通信问题，在B/S架构中通过采用HslCommunication通信插件，对工业现场大部分设备的数据采集、写入，以达到对设备数据的采集以及设备控制的目的。

图4 设备信息查看

使用通信插件实现B/S架构的服务端与PLC通信，可以直接实现modbus、机器人、三菱PLC、西门子PLC、欧姆龙PLC等各种协议读写，通过通信协议可以实现服务端对寄存器的读写进而达到数据采集和设备控制的目的。通过采集可以获取数控机床的设备状态和加工状态，主要包含开关机状态、主轴转速、进给速率、电压、电流等机床状态以及等待工件、加工中、闲置等加工状态，通过加工状态和机床状态分析，结合预装调台的待加工工件类型进行智能化排产并下达命令至AGV、工业机器人以及数控机床联合完成工件上料和加工过程。

3.2 车间环境管控信息化

车间环境信息是保障智能化设备、智能传感器、数控机床等正常运行的必要条件，因此是必需的监控数据。车间环境信息信息化主要包含车间的温度、湿度、气压、电压等参数的监控，通过各类传感器完成数据的获取，然后通过智能管控系统与Smart IOT工业物联网网关设备通信获取各种现场数据并在系统页面进行展示。

4 信息化系统与现场智能管控系统的集成

4.1 MES系统集成

MES系统是以生产作业计划、调度、跟踪与管理为中心的车间制造过程管理信息系统[3]。MES系统录入了从生产订单投产到产品完成的所有生产信息，包含排产信息、调度信息、任务分派信息、生产过程质量信息、工序任务、工时定额等数据资源。MES系统直接汇聚了生产车间的各种质量信息，能够为质量分析提供最为实时和精准的数据[4]。

数据资源涵盖上层计划管理，通过与MES集成可以实现数据共享以及生产任务直接下达到生产线直至数控机床，通过排产算法优化进而实现全程自动、智能排产[5]。

4.2 PDM系统集成

PDM是企业级产品数据管理系统，用于物料编码的申请、创建、维护、存储和管理，研发任务的分派、技术文档的编辑、审批、存储及管理等。智能管控系统与PDM系统的集成可以将最新版的技术文件和程序文件实时同步到车间智能终端，提醒加工人员技术文件或程序文件变更，智能产线操作员可在现场智能终端查看技术文件和程序文件。

技术文件主要包含工艺规程、技术通知单、工艺变更通知单、工序和工步具体内容、单件定额消耗表等。当技术文件需要更新版本或者更改时，技术人员在PDM系统中完成技术文件变更流程后，变更通知单或者新版技术文件将直接推送到现场，并发出通知提醒现场操作人员查看。

程序文件主要为车床编程的NC程序文件，由编程人员编程结束后通过发布流程发布，发布结束后，将自动传递到现场智能终端，并提醒现场操作人员查看。

4.3 ERP系统集成

ERP系统中以SAP为例，SAP系统将数据和流程集中到单个系统，以销售为驱动，以市场为导向，涉及生产、采购、物资、财务等业务流程，涵盖从订单合同到销售发货整个闭环业务流程。

现场智能化系统通过与ERP系统的集成可以实现当前生产任务的逆向追溯，如当前任务的生产任务信息、销售任务信息、合同信息，同时可以共享库存信息，现场操作者及现场智能管控系统可在现场接收任务时调取所需材料的库存信息。

5 智能车间实时数据的可视化

实时数据的可视化可供车间显示屏查看当前在制任务情况、车间环境情况、车床运行情况、有效切削率情况以及生产过程质量信息等。数据可视化依赖于生产过程管理的标准化和规范化，如质量数据可视化的有效实施依靠于系统内部高效的数据组织、管理、存储和处理能力[6]

系统可采用现有的B/S架构、MVC框架，有Spring、Struts2、Ibatis等常用web框架(见图5)。

6 结语

智能制造是传统企业转型过程中的必经之路，在物联网、5G技术以及社会劳动力逐年下降趋势的推动下，智能制造将进入快速发展阶段。信息化是传统制造业多年的能力建设，已经逐步成为制造业的核心能力，因此基于物联网智能车间的信息化研究极为重要。

本文以某研究所打造的智能化车间为基础进行了研究，提出了切实可行的系统架构和建设逻辑，为智能化改造中相关信息化建设提供了基础方案，对类似智能化车间改造中的信息化建设具有借鉴意义。

图5 可视化web框架