一种离散型智能制造产线

一种 离散型智能制造产线

王川 ，孙怀华

山东栋梁科技设备有限公司，山东济南 250000

摘要：本文结合数字化网络化智能化与先进制造技术融合的应用情景，论述了一种离散型智能制造产线结构原理和制造运维，展示了一种具备强大的控制、建模优化、数据采集分析应用能力的智能产线，探讨了未来智能制造产线的发展趋势并建立了美好的愿景。

关键词：离散型智能制造，MES，数字孪生，工业互联网，智能运维

引言：制造业是立国之本、强国之基。全球范围内的贸易竞争日趋激烈，世界各国都在抢占制造业发展的制高点，更加凸显了高端制造业重要性，继中国制造2025后，《十四五制造业高质量发展规划》重申“制造强国战略”，加快建设制造强国、加快发展先进制造业。数字化网络化智能技术和先进制造技术融合是高端智能制造业发展的方向，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造价值链条的各个环节，高质量、创新驱动、高效率、市场化是具有国际竞争力的产业的发展目标。

离散型智能制造本质上是人、信息、物理系统（HCPS）深度融合[1]，具体体现在数字化、网络化、智能化三个方面。数字化的标志事件是使用以计算机为主要硬件的信息系统控制机器，信息系统替代人类完成相当部分的感知、分析、决策和控制劳动。互联网和云平台是信息系统的重要组成部分，网络是人类连接信息系统、物理系统的集成的工具；信息互通与协同集成优化是信息系统的重要内容。智能化的体现是信息系统不仅具有更加强大的感知、决策和控制的能力，而且具有一定的学习认知、产生知识的能力。[2]

本文介绍了一种离散型智能制造产线，希望可以互励共勉笃行，探索技术更先进、更好满足市场需求的智能制造发展范式。

一、离散型智能制造产线的物理系统

图1-1、离散型智能制造产线平面图

主体加工装备由数控车床、数控加工中心组成。

智能网络工艺装备包括在线测量、RFID、可视化系统、智能边缘采集系统等，其中在线测量主要用于完成工件加工孔径管件尺寸的测量。

物流运输设备主要包括机器人搬运单元、立体仓库、等组成。机器人搬运单元由六轴工业机器人、直线地轨（第七轴）、机器人快换夹具、零点快换装置组成，高效、灵活地实现主体加工装备、立体仓库自动上下料的功能。

二、离散型智能制造产线的信息系统

信息网络系统主要由装备的数字控制系统（NC）、电气控制系统、CAD/CAM系统、生产制造执行系统（MES）组成。

2.1 数字控制系统

数字控制系统读取mes传输调用的数控加工程序，将加工程序转化成机床可执行的指令，实现零件的自动化加工。数字控制系统包括驱动控制装置、系统控制装置、传感检测装置、人际交互装置（HMI）以及相关的通讯连接等。其中系统控制装置和驱动控制装置是关键部件。驱动装置主要有伺服驱动器、伺服电机组成，驱动装置采用闭环反馈控制，确保工作装置按指令完成期望目标。系统控制装置采用基于工业计算机（IPC）的总线集总式结构，由软件和硬件组成。人机交互装置（HMI）是人与机器之间联系、交换信息的装置，通过按键、显示屏以及USB接口等进行人际交互，通过通讯接口与系统控制装置进行信息交互。通信网络用于产品内部组件与外部设备之间的通讯。

数控车床、加工中心数字控制系统原理相同。

2.2 电气控制系统

电气控制系统是产线级控制系统，包含PLC电气控制、人机交互界面（HMI）及I/O通讯系统，主要实现数控车床、加工中心、六轴机器人、直线地轨、自动仓库、RFID、在线检测等设备的控制，实现离散型智能制造产线单元的流程与逻辑总控。

主控PLC与RFID系统、立体仓库通讯，按照系统物料编码规则通过RFID系统读取、写入立体仓库相应仓位的物料信息。物料信息主要指物料的材质、状态（毛坯、半成品、成品、有料、无料）、型号规格等。

主控PLC与数控车床之间通讯连接与控制：设备自动运行时，主控PLC配合生产加工流程控制数控车床自动门的启闭、自动液压卡盘的打开与关闭、摄像头自动清理，同时采集数控车床自动门开关状态和卡盘开关状态。设备调试时，通过组态设计，PLC端的HMI能够控制数控车床自动门、数控车床自动液压卡盘，同时显示自动门、液压卡盘的状态。数控车床的连机自动运行与故障状态也可以在PLC端的HIMI上显示。摄像头自动清理采用吹气方式实现，PLC端的HMI可以设置吹气保持与吹气间隔时间时间，实现机床摄像头的手动和自动清理。

主控PLC与加工中心之间通讯连接与控制：设备自动运行时，主控PLC配合MES生产加工流程控制加工中心自动门的开关、机用平口钳的夹紧与张开、零点快换夹具吸合与张开、摄像头自动清理，同时采集加工中心自动门开关、机用平口钳的夹紧与张开、零点夹具吸合与张开。设备调试时，通过组态设计，PLC端的HMI能够控制加工中心自动门、机用平口钳、零点快换夹具，同时显示自动门、机用平口钳、零点快换夹具的状态。加工中心的连机自动运行与故障状态也可以在PLC端的HIMI上显示。加工中心的摄像头自动清理过程与数控车床相同。

搬运机器人与PLC控制系统之间的通讯连接与控制：设备自动运行时，PLC配合MES生产加工流程与机器人通讯，机器人按照根据MES生产流程编制的运动程序，设备自动运行，机器人更换适配快换夹具、数控车床的上下料、立体仓库的取料放料、加工中心的上下料。设备调试时，通过机器人示教器定点及轨迹规划完成机器人编程，通过主控PLC与机器人控制系统通讯，操作PLC端的HMI机器人编程与调试界面虚拟按钮，完成机器人到快换夹具存放台更换适配的夹具（机器人第六轴末端安装快换盘主盘，快换夹具末端安装快换盘副盘，采用一主多副形式）、数控车床的上下料、立体仓库的取料放料、加工中心的上下料动作流程。同时主控PLC采集六轴机器人、直线地轨（第七轴）的运动状态及A1-A7的七轴的位置信息并在PLC端的HMI机器人编程与调试界面同步在线显示。

2.3 CAD/CAM系统

CAD/CAM系统主要包括CAD设计、CAD/CAM加工编程、数控加工仿真功能。CAD设计主要用于零件设计、绘制装配图、设计产品加工工艺、自动生产设计零部件的BOM。CAD/CAM加工编程主要用于根据设计的三维模型生成数控车床和加工中心的加工程序。数控加工仿真软件真实模拟加工过程，动态展示加工过程，检查碰撞干涉，优化加工路径，检验加工程序，提供整体加工的优化策略，有效提高加工效率。经过仿真验证合格的程序，依据程序对应的零部件、工序赋予物料编码，根据MES生产加工流程，带物料编码标识的加工程序上传到MES系统，准备自动生产加工。数控车床和加工中心的状态信息、刀库的刀具信息导入MES系统。

CAD/CAM系统已广泛应用于生产一线，有效地降低了劳动强度、提高了劳动生产率，降低了对数控加工操作人员的要求。

2.4生产制造执行系统（MES）

生产制造执行系统（MES）是建设数字化网络化车间级产线的关键系统，根据企业层级ERP信息系统下达的生产计划，优化配置生产资源，实时在线加工、处理现场信息，优化管理生产过程，执行生产计划，快速制造高质量、成本可控的产品。MES是企业级ERP信息系统与DNC、PLC等设备级生产系统之间强力纽带，承上启下，主要作用是控制、优化协调和执行。

在离散型制造产线中，MES具有生产管理、质量控制、设备的过程监控、物料管理、刀具耗材管理等。

1. 生产管理

根据企业层级ERP信息系统下发的生产计划进行自动排产、订单下发、启动自动运行，实现多种类零件的自动加工。生产过程中进行产量数据统计，为后续优化生产计划提供数据资源。

2. 质量管理

使用在线测量系统，对加工零件的重要部位尺寸进行在线检测，检测数据显示在在线测量系统的HMI上。如测量数据不合格且可修复，系统自动进行刀补计算，进行零件二次加工，加工完成后再次测量，直至尺寸合格。合格产品进入下一工序。不合格品放入次品区域。

MES通过信息集成，监控整线状态，如果出现运行异常，MES立即发出警报或停线提醒，并记录异常信息。

3. 设备的过程监控

实时检测、反馈设备状态，在线采集生产能力信息。MES自动排产完成后，启动自动加工流程。主控PLC与MES通讯，通过数据展示显示器实时在线显示主控PLC采集的生产过程数据，通过数据展示可视化看板实时在线显示MES统计的生产信息。

展示可视化看板可展示产量统计、质量管理统计、设备工作状态、物料信息、刀具状态信息，也可展示智能边缘系统采集生产的主轴转速、功率、主轴振动时域波形等。

4. 物料管理

使用条码、电子标签等物联网技术，统计产线输入原材料和产成品信息，为产品的生命周期管理提供数据资源。

5. 刀具耗材管理

所有刀具按照物料编码录入MES系统的数据库，刀具的借用、报废信息等信息也录入数据库。通过对刀具的在线状态信息的采集、分析与处理，预测刀具寿命、实际剩余使用寿命，提高刀具使用的有效性，节约成本，保证加工质量。

三、离散型智能制造产线的工业互联网

3.1工业网络与物联网

离散型智能制造产线通过工业以太网实现主体加工装备、智能网络工艺装备、物流运输设备构成的物理系统的联系互通。通过网络实现设备的通讯连接，数据采集传输。

图3-1、离散型智能制造产线以太网连接图

使用条码、二维码、扫码枪、射频识别电子标签（RFID）等物联网技术采集物料、工件、工装夹具、刀具等生产要素的信息，采集的信息通过工业互联网及MES软件传输至工业计算机，建立物理实物与信息系统之间的动态联系。物联网技术的应用为生产制造执行系统（MES）的运行提供了有效的数据支持。使用科学统计方法过滤、分析、处理采集的过程数据信息，动态优化离散型智能制造产线。

3.2工业云平台

离散型智能制造产线生产过程中积累图纸、程序、订单、物料和刀具等生产要素信息、质量管理相关数据、设备运行过程中采集的过程数据等通过MES系统及工业互联网传输至云平台服务器。通过工业云平台整合分散的生产信息，为进行信息的存储、集成、访问调用、分析与应用奠定基础。生产制造过程积累的技术、知识、经验是实施生命周期管理的宝贵资源。

3.3网络与信息安全

通过构建满足工业生产需求的安全防护技术体系和相应的制度化管理机制, 识别潜在的安全威胁，化解安全风险,实现网络与信息安全的目标。

工业网络通过服务器、工业控制计算机、信息系统、物理系统、以太网、路由器、交换机、通讯协议等设备和技术搭建的，网络和信息安全技术主要涉及设备安全、控制安全、网络安全、应用安全和数据安全。

采用身份识别、访问控制、加密、病毒防护技术保障网络与信息安全。[2]用户访问离散型智能制造生产线时，首先使用身份证件验证身份的合法性，然后根据系统设置的访问控制规则获取相应的权限，例如一般用户只可以访问修改部分数据、不能修改系统信息等。使用加密技术对信息加密，防止信息被篡改、伪造、盗用，保证信息的可靠性和完整型。加密技术就是使用加密密钥对明文信息进行变换编码，接受者使用相应加密密钥对信息进行变换译码，获取明文信息；而信息的截取者无法从截获的乱码中获取、伪造有意义的信息。使用专业杀毒软件，从体检、清除、预防和免疫四个方面维护网络和信息安全。

四、离散型智能制造产线的数字孪生

4.1数字孪生

数字孪生利用物理模型、传感器、生产过程的程序与数据，集成多元物理模型，通过虚拟空间中的模型反应物理实体生命周期的过程。[3]产线数字孪生是使用数字化网络化智能化技术构建一个与物理实体产线相对应的虚拟生产线。通过建立数字孪生体可以在虚拟空间中对物理空间中的生产过程进行调试、仿真、优化，加速产品调试开发过程，及时发现设备设备运行过程中存在各种隐患，提高整体生产效率和效益。

4.2建模仿真

虚拟仿真，虚实联动，在使用过程中维护产品、持续优化产品是数字孪生技术的重要应用。

数字孪生产线建模仿真是通过服务器、工业控制计算机、以太网、路由器、PLC、交换机、MES、PLC编程仿真软件、组态软件、工业机器人编程控制仿真软件、工厂自动化仿真软件、通讯和协议等设备和技术搭建。

离散型智能制造产线三维实体模型导入工厂自动化仿真软件，制作产线自动化数字孪生系统，建立虚拟机器人、虚拟机器人控制系统与产线自动化数字孪生系统的通讯连接，搭建虚拟PLC、虚拟机器人、产线自动化数字孪生系统、MES之间的通讯网络，建立通讯连接。产线自动化数字孪生系统的传感器信号、I/O信号、运动机构运动副设置完成，相关程序、数据导入系统，点击产线自动化数字孪生系统的运行按钮，MES自动排产完成后，启动模拟自动加工流程，离散型智能制造产线的数字孪生系统自动运行，实现虚拟仿真。通过虚拟仿真调试，可以验证程序设计、验证参数设置、验证逻辑并诊断设备运动模型、检验机器人运动轨迹是否能实现预期功能及是否存在干涉区域、检验安全互锁功能及理解系统行为。通过虚拟调试仿真可大幅缩短调试时间，降低调试成本。

图4-1离散型智能制造产线的数字孪生模型 图4-2离散型智能制造产线的物理实体

虚拟调试完成，各项设计参数验证合格后，通过建立实物PLC、MES、产线自动化数字孪生系统之间的通讯连接，实体设备信号调试完成，产线自动化数字孪生系统参数设置完成，MES启动，自动排产完成后，离散型智能制造产线的数字孪生系统与实体产线设备同步运行，启动生产加工流程，实现虚实联动。通过虚实联动，以可视化方式直观展现设备运作流程，以远程的方式实现设备的在线诊断、调试、运维。

五、智能运维

5.1智能运维的通用工具

数字孪生、CAD/CAM系统、远程诊断、MES是智能运维的重要工具，虚拟仿真，虚实联动，计算机辅助设计制造、MES自动完成生产制造执行，发挥出了离散型智能制造产线的感知、决策和控制的能力，降低了劳动强度，大幅提高了生产效率。

5.2智能边缘采集系统

智能边缘系统在及时诊断和处理设备故障、监控设备状态、预测性维护设备方面也将发挥重要的作用。智能制造边缘系统是具备一些自感知、自学习、自执行特点的用于机床预测性维护的系统，主要功能包括：分析、处理采集的机床数据，监控刀具状态，提高自动加工效率，防碰撞，主轴预测性维护。

智能边缘系统主要由振动采集装置、功率采集装置、边缘采集计算软件、刀具异常监控系统、自适应加工系统、主轴预测性维护、交换机、工业计算机、服务器、网络通讯等设备和技术构建组成。振动采集装置有三向振动传感器、振动采集模块组成，三向振动传感器安装于机床主轴上，用于采集机床主轴的振动数据；功率采集装置由电流传感器、功率采集模块组成，电流传感器与主轴伺服驱动器连接，用于采集主轴功率信号；振动采集装置、功率采集装置与PLC、工业PC在线通讯，实时传输采集的数据。同时边缘采集计算软件通过与机床数控系统通讯，获取机床的运行状态（加工循环的开始与结束等）、主轴和进给轴转速、坐标、报警信息、刀具号的变化等。

刀具异常监控系统通过统计正常加工过程中主轴功率曲线，通过自学习生成正常工况下的功率曲线，正常工况下的两条功率曲线具有上下极限。当刀具出现断裂或崩刀等异常情况，实际功率曲线出现突变，系统报警，通过PLC控制机床避让停车。刀具异常监控系统可已有效保护机床、节约时间、提高加工效率。

自适应加工系统是为适应切削加工的诸如毛坯件余量的大小、空行程等外部条件变化而设计的，通过设置主轴目标功率及主轴极限功率，实时采集加工过程中的主轴功率信号，分析判断寻找切削加工优化策略，采用通过智能算法控制进给倍率的方式，使实时主轴功率拟合主轴目标功率，达到提高加工效率、保护主轴的目标。

防碰撞使用振动数据作为监测变量，当主轴端附件（主轴、刀具、刀柄等）与工件附件（工件、夹具等）发生突然碰撞时，防碰撞系统自动感知碰撞信号，振动特征值超出阈值上限，振动采集装置输出报警信号并触发机床紧急停车，避免主轴因意外碰撞而损毁，最大限度保护机床。

主轴预测性维护通过采集工作主轴三向振动和机床M代码信号后，通过数据预处理系统计算生成主轴振动时域波形、主轴振动特征值，并将主轴振动时域波形、主轴振动特征值上传至云端服务器。主轴预测性维护软件设定正常、故障时标准特征阈值，通过监控、分析主轴振动频域及主轴振动特征值，评价主轴健康状况，主轴振动特征值超出阈值后，主轴预测性维护系统报警或提示设备磨损老化。提前发现主轴异常状况，及时制定维修计划，避免意外停机或更大范围零部件的损坏，减少设备维护使用成本。

六、总结与愿景

本文结合作者团队设计开发一种离散型智能制造产线，从物理系统、信息系统、工业互联网、数字孪生、智能运维五个方面展示了旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。

随着人们对智能制造研究的不断深化，离散型智能制造系统将不仅具备强大的控制、建模优化、数据采集分析应用能力，还将具有更多的自感知、自决策、自适应、自学习等人工智能特征。基于新一代数字化、网络化、智能化赋能技术与先进的制造本体技术的深度融合，中国的制造业将抓住高端化、智能化、绿色化发展的历史机遇，创造出高效率、高质量、更具竞争力现代制造业体系。

参考文献：

[1] 王柏村，臧冀原，屈贤明，董景辰，周艳红 . 基于人-信息-物理系统(HCPS)的新一代智能制造研究[J]. 北京：中国工程科学，2018,4：29-34

[2] 周济，李培根. 智能制造导论[M]. 北京：高等教育出版社，2021.6 .

[3] 刘敏，严隽薇. 智能制造：理念、系统与建模方法[M]。北京：清华大学出版社，2019.