物联网技术在智能制造中的应用

2022-11-30杨永泉

现代制造技术与装备 2022年10期

杨永泉

（广州因明智能科技有限公司，广州 510000）

首先，介绍物联网技术的相关概念，包括物联网的定义、特征、工作核心、优势以及在智能制造中发挥的作用等。其次，介绍智能制造系统的基本特征，指出智能制造系统的运作过程和基本原理及其应用发展要达到的目标。再次，根据目前科技的发展现状，介绍物联网技术在智能制造中的几种应用场景。最后，结合物联网技术与智能制造的特性及其应用场景的发展，展望物联网技术与智能制造的融合。

1 物联网技术的概念

物联网是在互联网的基础上不断延伸和拓展，将各种信息设备、传感设备、网络终端等连接起来的网络，打破了时间的壁垒和地点的限制，实现人、机、物三者的无障碍沟通连接。早在1995年，比尔盖茨就提出了物联网这一概念。但是，当时的信息网络技术还不够发达，硬件设施和传感设备的发展在很大程度上限制了物联网技术的应用，因此当时物联网技术并未引起人们的重视。

随着科技的发展和信息技术的不断进步，互联网的相关应用越来越广泛。现阶段，人们的生活、生产早已离不开网络技术的运用，使得物联网的应用价值随之体现。在以互联网为基础和核心的前提下，物联网实现了万物相连，充分拓展和延伸了互联网，成功打破了万物之间的信息交换和通信壁垒[1]。

物联网技术能够实现万物相连的工作原理在于，它在接收或设定相关协议后，按照约定的协议，采用射频识别、红外感应器、全球定位系统以及激光扫描器等信息传感设备，将万物与互联网相连，并进行信息交换和通信。信息交换和通信是一个动态变化的过程。此过程通过物联网技术对万物进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，实现在任何时间任何地点的人、机、物的互通互联。物联网的产业链，如图1所示。上游为感应终端生产商，中游为终端集成商，下游为系统运营商，通过各种智能仪器、设备等收集信息，传输分送到集成设备上，最后在不同类型的运营商及应用软件中呈现信息。

图1 物联网的产业链

物联网在智能制造中处理信息的功能体现在获取信息、传送信息、处理信息和施效信息几点方面。其中：获取信息是感知、识别信息，并将获取的信息以相应的方式表达；传送信息是将信息从一个任务传到另一个任务；处理信息是在接收和传送信息的过程中对信息进行感知和加工，最后做出决策；施效信息则在过程的最后所发挥的作用中体现，负责调节对象的状态，并按照对象预设好的状态表现。

2 智能制造系统介绍

智能制造是在人工智能的基础上开发和衍生的制造系统和技术，由智能机器和专家共同组成。在生产制造的过程中，同时存在一个分析、推理、判断、构思和决策的智能活动，推动了制造自动化的发展，实现了自动化过程的延展、智能和高集成。智能制造系统的总体构架，如图2所示。

图2 智能制造系统的总体构架

目前，智能制造系统包括多智能体系统和整子系统两大类型。多智能体系统又称为Agent。在商品经济多动中，将被授权代表委托的一方称为代理商（Agent）。之后这一概念被借用到人工智能和计算机科学领域，用以描述计算机软件的智能行为。多智能体系统技术为智能制造过程中的产品设计、生产、制造等提供了一种智能化方法，也为集成系统的实现和并行设计的完成提供了行之有效的方法[2]。整子系统是由不同种类的整子构成的系统。整子系统具有自治性、合作性和智能性特征，这是因为一个整子系统中的每一个整子都可以独自控制自身的行为，可以单独响应外界发生的变化，满足不同的需求。一个整子系统中的每个整子之间能够进行相互合作，既可以请求其他整子执行任务，也能向其他整子提出操控申请。整子系统中的自治性和合作性特征，使系统具有很强的推理和判断能力，一定程度上体现了其智能化特征。此外，整子系统具有较好的敏捷性和柔性，在智能制造的未来发展中占据重要地位。

智能制造的基本原理是在分布式制造的网络环境下，以分布式集成为基本思想，应用多智能体系统的理论和方法，实现制造单元的智能化集成。多智能体系统中的个体制造单元具备自主性，能够实现任务自治、规划、设计和生产，从而集成一个功能完善具有自组织能力的完整系统。当系统中的某个环节出现问题时，智能系统还具有自诊断和自我修复功能，大大提高了智能制造的可靠性和安全性。无论是自适应能力还是与外界环境的交互能力，都使其能够很好地执行任务并进行系统扩展。

3 物联网技术在智能制造中的应用场景

3.1 设备和环境数据的采集

在传统的智能制造中，设备和环境数据的采集以单点形式进行。物联网技术在智能制造的应用场景中，设备和环境数据的采集是以从单点到全局最后掌控全局的形式呈现的。在一般的制造业工厂中，它生产的品牌和产品类型往往多种多样，意味着一个工厂中有多个不同类型的生产设备需要联网和进行实时监控。传统的联网方式是逐个采集生产不同品牌的设备数据和环境数据，然后上传到不同的数据库。每个品牌设备的数据标准不同，因此需要对它们进行独立分析。在物联网技术支持下的智能制造系统数据采集可以将不同品牌的生产设备信息上传到同一个数据库，通过智能系统中储存的不同品牌的参数记载，整体分析相应设备的运行数据和环境数据，最后进行全局优化。这个过程中，设备和环境数据的采集更简单，处理过程更有条理，分析结果更具有价值，更有利于全局决策。

3.2 生产设备的故障与检修

在传统工厂的生产设备故障处理与检修过程中，往往是某一个设备出现故障时才进行全面的停电检修工作。有的工程如汽车组装中组装某个产品需要上百道工序，当其中一个产品出现问题时要逐步排查才能知道问题具体出现在哪一道工序，不仅处理过程耗时耗力，而且故障处理效率十分低下，严重影响了工厂的生产效益和经济效益[3]。在物联网技术支持下，应用智能制造能实时监控设备运行状态，并将设备运行数据上传系统进行数据分析比对，通过比对预知故障的发生和确定故障发生在哪个环节。一旦发现问题，可以及时甚至提前进行检修更换，以便可以在最短时间内完成生产设备的故障检修工作，同时降低生产过程因产生故障造成的损失。

3.3 降低产品的维护成本和运行风险

许多制造企业都需要对出厂的产品进行定期维护和保养。这不仅是制造企业制造生产过程中的一个必要环节，还会增加企业的成本支出。例如，某锅炉制造企业在对本厂出产的锅炉进行定期维护保养时，原先采用人工巡检模式，即在规定时间内由人工进行检查和运行数据信息记录。这种方式不仅效率低，还容易出现检查疏漏或数据丢失等问题。应用物联网技术的智能制造系统不仅能够根据系统设定和实时监测检查锅炉状态，还能有效保存锅炉的运行数据，一旦发现错误，可第一时间进行维护检修，降低了锅炉的售后服务成本。根据运行数据不断优化锅炉参数的过程中，能够根据实际工作情况及时调整锅炉参数，延长其使用寿命。

4 物联网技术与智能制造的融合

物联网技术与智能制造的融合，标志着工业4.0时代的到来。所谓工业4.0时代，就是生产智能化、设备智能化、能源管理智能化和供应链管理智能化的时代，基本模式如图3所示。

图3 物联网技术与智能制造融合的基本模式

生产制造的物理系统与信息传递的信息系统在移动互联网和物联网的协同交互下实现了有机结合。在高素质操作者的操作下，线上控制全球化工厂和社会化设备，无障碍生产智能产品和虚拟化生产产品，这一过程也称为物理信息生产系统[4-5]。这种新的生产模式将对未来的商业发展、管理模式、企业组织模式和人才需求产生巨大影响。