智能化钢厂无人车间的建构模式及运作逻辑

智能化钢厂无人车间的建构模式及运作逻辑

卢希龙,李文彬,王旭阳

承德众恒科技有限公司 河北承德 067000

摘 要：为摸清智能无人车间的构建模型,并理解其工作逻辑特点,文章介绍了智能化钢厂无人车间的建构模式及运作逻辑,以智能化无人车间为研究对象，分析钢厂的主要智能化构建模式，通过监测系统和构建系统的提出，为智能化钢厂无人车间的构建模式及运作逻辑提供理论基础。

关键字:智慧制造;无人车间;自动化;智能化

智能替代车间人工作业,是当前中国工业发展的基本走向。从人类工业的发展史角度看,人力在生产活动中的地位始终在持续地倒退着。在最初手工业时期,人类通过简易的手动工具来加工劳动对象,而人力正直接占据着生产的最前沿,人们也正在离开着生产的前端,而第二次工业革命正在引入电力主要生产设备,人类正在运用电力设备来制造,人们也正在离开制造的前端,数字革命正在推出智能化的、基于信息技术的主要生产设备,人类已经能够操控在后台的电脑来进行制造,而人力正在再次离开着制造的前端。目前,随着5g网络、工业网络以及人工智能技术的迅速发展,正孕育着第四次产业革命:智能无人车间,73制造业的建设模式与运营逻辑革命——智能产业革命,制造业将被引入智能生产阶段,在制造现场将由智能机器人彻底代替了人类,人们将彻底脱离制造现场,由生产车间发展为智能无人车间。和人工作业比较,智能机器人有三个主要生产优点:一是产品动作高标准化,智能机器人的产品动作行为具备了高精度和高规范化的特征,且不受人的心理状态和个体差异的影响,因此生产的一致性和稳定性都极高。二是极大地提高了机器制造效率,使得智能机器人可以长时间高速的连续制造。其三,制造流程比较安全,智能机器人对不良环境影响有很大的耐受性,制造现场没有引起人身事故。智能化的无人车间虽然已经可以使人离开生产现场,但还是要求人对生产现场进行即时监测,以有效处理生产协调、机械设备故障和安全管理等问题。在不久的将来,智能化无人车间将成为现代工业的新标准。要有效应对智能无人车间的挑战,就迫切需要了解智能无人车间的建设模式,并深入掌握智能无人车间的工作逻辑,从而迅速抢占智能化制造的战略优势。

1无人车间智能化研究

5g技术是人工智能、虚拟现实(vr)/扩增实境(ar)和物联网的前沿科技,它将开创一个高度互联互通和深度人机交互的大智慧时代。而5g作为中国未来领先的信息无线传输技术,在促进中国工业物联网和cpm等流程管控平台的发展方面具有很大的发展潜力。而邱瑞表示,根据中国工业和信息化部的指出,5g作为新型信息通讯技术,依靠高带宽、少延时、大容量、高可靠性等创新特性,将成为机器人技术创新和发展的新动力。在研究之中，林伟分析了五g技术在产业上的应用,包括工业感应器、云AR/VR、云机器人、遥控等。经过对5g网络环境下各种使用场合,以及在不同网络结构下对遥控机器人的特性检测与大数据分析,陈燕燕等人证实了5g网络具备宽带大、时延少的优点,并能够缓解遥控机器人的时延问题。二是代理人研究,智能体"的定义源自于由美国物理学家Atkinson等人提出的actor模型,该模式拥有人类内在状态并能够和外部世界交流的信息。美国麻省理工学院的Minsky教授在SocietyofMind一书中引入了"智能体"一词,并将它界定为一种拥有高度自主能力的软件或硬件实体,其目的就是模拟并学习人们的行为。随后,许多研究者又从人工智能角度深入展开了智慧体研究工作,通常都把智慧体看作对人脑的各种功能模拟器,利用感应器认知周围环境、透过执行器相互作用于周围环境,它具备自治性、反应类、社会性、进化性、主动、交互、协作性等诸多特征。三是基于人类智能系统边缘算法的研究。电子设备的高度智能化,以及工业机器人的引入使得车间中产生了海量数据处理,因此陈冬梅相信边界运算在最接近应用端的地方实现了储存、运算、网络安全等基本业务,并且能够最就近为应用实现边缘位置的云运算业务。而王志刚等人表示,AI×5G的融合效果也是由边界运算催生了超异构计算框架的主要基本背景,因此边界运算已经克服了四代人工智能机器人未来快速发展中的诸多困难。Zhang等为降低云中的高计算含量,研制出了一款采用边缘计算的网络物理机床,以实现遥感与实时控制的双应用。Chen等提供了一个在工业物联网领域中进行边界设计的技术框架,研究了边界设计在物联网制造中的应用,试验结果表明,和常规技术比较,边界设计的自组织任务调度体系在功能弹性和带宽优化上有着突出的优点。Qi等人提供了一个基于云计算、风雾计算以及边缘计算技术的智慧制造的高层次参考结构,该架构将能够广泛应用于数字双车间。Lee等提供了一种融合边缘算法与区块链技术的智慧生产体系,并经过实践表明,在智慧生产中引入边缘计算机制能够大大提高加工时间,特别是在生产任务总量很大的情形下。四是有关机器人与无人制造技术的探讨。目前的无人机器人技术研究大多集中于煤矿等特定行业生产或制造流程中的特定过程或项目,比如,林志伟等人研制了一个基于网络制造技术的三维打印式无人车间实验系统;李小忠等人利用计算机的虚拟仿真技术,研制了工业机器人上料装置;王鹏凯等设计了工业机器人热冲压过程自动制造装置;Urhal等介绍了工业机器人辅助增材生产的基本理论,并讲述了其辅助增味剂生产装置的使用实例。综上所述,目前科学研究重点集中于针对某个项目的特定阶段进行机器人无人制造的探讨,缺乏对无人制造模型的一般性深入研究。而本文将研究智能化的无人车间作为一个钢铁产业智能体,设想其结构框架,深入研究其结构模型,并解析其运行逻辑,为建立现代无人车间的生产系统的技术平台奠定参考。

2钢铁厂现状研究

面对以先进国家为主导的联网智能化工厂的发展趋势，中国应保持世界制造业中心的地位，加强产业数字化建设，构建产业集成平台，已成为中国制造业应对产业4.0变化的重要组成部分。在工业4.0时代，中国钢铁工业已不能满足于生产劳动密集型和资源密集型产品，要在国际制造业竞争中立于不败之地，就必须实现数字化、智能化和自动化生产。

作为我国劳动最为密集的行业，钢铁企业目前主要存在的问题是：

自动化、智能化水平低，现场控制主要以人工经验为主，由于现场技术人员在经验、水平、知识结构以及主观能动性方面的差异，造成了产品质量参差不齐，废品率居高不下，产品生产成本高，市场竞争力差等问题。车间现场聚集人员较多，停留时间过长，虽然钢铁企业都制定了严格的安全管理制度，但是安全隐患依然存在，伤亡事故时有发生，据不完全统计2020年全国钢铁企业发生安全生产事故180余起，造成人员伤亡270余人，直接经济损失超5亿元人民币。现场技术人员任务安排不充分，工作时间长，但其中等待时间占用相当多。例如，一条轨道上最多可有5-7台起重机，但出于安全考虑，每条轨道上只有2台起重机在工作，其余2-3台处于待命状态，有1-2台处于维修状态。但所有起重机都必须配备起重机操作员并随时待命，从而造成大量的人力成本浪费，增加了企业产品过高的生产成本，同时由于长期处于高温、高粉尘、高噪音、强电磁环境对人体的现场也造成了损害。为此，本项目提出通过物联网、智能仪表、5g 通信、视觉识别和深度学习等手段，将钢铁企业的生产车间改造成无人化、智能化的生产车间，通过增加自动控制模块、控制软件和视觉识别系统，实现钢铁车间的智能化、无人化生产。该项目的成功实施，大大降低了产品的生产成本，提高了产品的竞争力，减少了人为因素对生产过程的影响，通过生产过程的自动化，实现了产品质量的标准化，保证了产品质量。同时，大大减少了人员在现场停留的时间，降低了生产事故发生的概率。

3智能化无人车间概念框架

3.1概念定义

智慧无人车间,是指运用人工智能技术、传感器技术、边缘运算科技、云计算技术、物联网技术、数字结对科技等的生产全自动化改造车间,把传统"人+机"的双重制造模式,提升至智慧机器人的单一维制造模式。同时,可以对智能机器人和整个制造车间实现感知并映射到网络空间,从而完成了对整个智能机器人和制造车间的远程镜像监视。在上述智能无人车间的建筑模型与工作逻辑转变后,由于车间现场已不再安置工人与管理人员,所以也被称之为智能无人车间。

3.2结构解析

事实上，智能化的无人车间主要由车间实物、车间代理和车间镜三部分所构成的。车间实物,是指由车间和机械设备所构成的物质主体,即完成工业生产社会活动的"肌体"和"骨架"。车间智能体是指车间的智能功能体和机械实体,具有认知和透过智能感知体系被认知的能力,是指导生产行为的神经系统。车间形象体是指车间和设备代理相互之间借助远程网络端的智慧物联网所产生的虚拟投影体,是在远程管理背景下对生产活动的数字再现。作为一个整体,车间实物和车间形象关系是数字孪生的,而车间代理则是车间实物和车间形象关系的过渡形式。

3.3建构过程

智能化无人车间的建立分为自动化和镜像化二种步骤。车间实体向车间代理的转换行为也叫做机器智能。而智能化的关键就在于车间与机器之间的大数据感知,通过传感器网络可以赋予车间与机器智能感知的能力。由工场地剂向工场地镜的转换过程也叫做工厂镜像。工业镜像技术就是通过把工厂车间和机器之间的数据映射到网络空间,并利用数字结对技术实现车间和机器之间的数字动态投影,以便于工厂后台管理者可以利用虚拟投影技术完成对车间和工厂之间生产活动的实时远程控制和实时人工干预。

4车间无人化运作逻辑

4.1车间整体运作逻辑

智能化的无人车间,由生产控制系统、边缘计算控制系统和远程监测控制系统三个部分构成。其中,生产作业系统主要由机器人和相应生产装置等构成,主要承担对生产线上工艺的感知与控制,边缘运算控制系统主要为工厂设备进行现场计算能力,远程监测控制系统主要由远程监测平台、监视机器人和管理机器人等构成,主要对生产车间的现场情况进行即时监测,在必要时对工业生产活动实施相应的限制。

4.2生产作业系统运作

生产作业制度是智能无人车间的主干。其核心作用是根据生产任务要求和质量标准,制造合格商品。生产作业体系主要由工业机器人、生产流程和一些其他的辅助设备所构成。其辅助设备一般包含了原材料供给、工厂附属设施、车间环境等。每个制造流程都有配套的工业机器人构成生产线,其工人按照工作指令使用辅助设备进行生产操作,而智能无人制造技术的核心是工业物联网,智能化后所有的制造装置均被连接,生产线工人在联网下可以自主工作。对于拥有固定空间距离的电子设备,有线连接方式是为了达到更高效的传输效果,而对于需要频繁活动的电子设备,则主要采用无线连接方式,以达到更加快捷的传输功能。

4.3边缘计算系统运作

边缘运算技术是智能无人车间的大脑,其核心作用是为制造过程进行现场算力,帮助工业人员完成制造过程决策与附属设备调度,以及各工艺间的上下游配合。采用边缘计算技术的好处是能够节约大量的长途发送电流,进行更为接近工程实际的无时延、无堵塞运算。按照用途的不同,可将边界运算系统分类为操作自动化机器人运算控制系统和工厂协作运算控制系统。操作自动化机器人边界运算控制系统主要是支撑操作自动化机器人的生产工艺决策和辅助设备调度;工厂协作与边缘计算控制系统,主要是支撑工序之间协作。生产工艺决策流程,即把一个工艺的所有生产数据,包括制造工艺数据、设备状况数据、原材料供给数据、制造环境数据、产品信息数据、产品质量检验数据、制造时间数据、故障产生数量等,经由操作仪表直接传向操作仪表的边界运算控制系统,进行实时运算处理之后再传回操作仪表,操作仪表据此相应的生产行为。辅助设备的使用流程,是把已完成辅助设备需要的数据输入工作中的运算系统完成现场运算,然后再利用生产线的与运算系统的配合完成总体运算,从而实现辅助设备的正确配置。业务流程协同的主要过程,是将生产线中每个过程的实际情况传输至生产线协同边缘核算平台上,再通过生产线协同核算系统分析过程内部的中上及下游时间匹配,并适时调度各个过程的实际执行时间,从而实现了过程内部的生产时间高度一致化,在协调发生问题后,也可以通过远程系统进行介入。

4.4远程监控系统运作

远程监视生产管理系统,是智能无人车间的外部大脑。其核心功能是对车间现场情况进行即时监视,并在必要时对制造流程实施干预。其中,对车间场景的实时监测主要由监视机器人完成,对生产流程的外部干涉则主要由监控机器人完成,以远程监测平台为背景中心,接收并展示大量车间的虚拟图片,包含机器人图片、生产流程图片以及车间全貌图片。而远程监测系统的外围干涉则主要面对着工作机器人,以及边缘计算系统中无法处理的意外非编程状态以及技术故障,具体干预方式包括警告、纠错、关机、维护、重启等。在实际的操作当中，企业也可以使用物联网的监控技术，对于自身的环节进行监控。充分利用物联网的各方面的优势，对于自身的产品或者是施工进行有效的监控。物联网的智能监控系统是以 PC 服务器端为中 心,此时充分发挥无线或有线的优势对传感器中的数据信息进行传输,并对其进行及时的保存。

  物联网技术的智能监控系统的出现，其原因一定是存在着特有的优势，从整体而言，其可以运用机械技术，自动监控技术以及电子信息等其他技术进行组织优化结构，从而指导系统完成作业，在完成作业的同时，其合理的监控各个单元，使各个单元能够总体有效的进行工作，提高综合效率，达到统一化的目的，更好的完成日常的工作所需。

   物联网就是将任意终端通过射频识别有限和无线数据传输的方式与互联网相连，以通讯网络为载体，一种全方位，多角度的通讯网络模式，一共分为三层，从上往下依次是应用层，网络层和感知层。应用层就是与现实应用，比如说智能检测。而把应从就是通过对于真实物理数据采集，将其转化为计算机可以存储的信息技术，网络层是通过将感知层所采集到的信息传输的应用层之中作为媒介，具有传输功能。

   互联网中的感知层的传感网包括两个类型，一种是传感节点，另一种是网关节点。传感节点就是其通过建立一个灵魂性高，扩展能力强，适用范围广的节点网络，使得其网络能够更利于管理和传感。而网关节点则是主要负责对于传感节点的采集数据初步处理，帮助用户协调和维护各个节点之间的工作状态。而物联网当中的物物通讯不同于传统的人和人的同学，将其传感网络与广泛的领域结合，需要综合在各方面因素中再三考虑。

5结束语

智能化目前已应用到各个领域中，而在智能化钢厂无人车间的建构模式及运作是时代发展下的产物，比较符合现代的信息化数据发展趋势，其在智能化钢厂无人车间的建构模式及运作上有着许多有益的功能，对其工作进度进行实时的监测，降低人力成本，提高工作实效。

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