基于云服务的智能制造系统运控机制研究

基于云服务的智能制造系统运控机制研究

桂美玲

（身份证号：432930198111037021）

摘要：随着中国工业化和信息化的进一步发展,云技术和智慧制造更多地运用到了零件的加工与生产之中,本文即采用云端服务平台设计出的智慧加工管理系统,系统以云端服务器为基础平台，融合5G通信技术和智能算法，通过系统可以进行产品的设计、模拟和生产。继而文章以水晶摆件产品的设计和生产为例，对该系统的实践应用进行具体分析。

关键词：云服务平台；智能制造系统；生产

引言

智慧生产通过分布式制造单元的协同、自组织形式实现产品制造任务。智慧生产和传统制造最大的不同之处就是可以利用即时的数据收集和生产状态跟踪,提高了信息收集的全面程度,从而可以通过科学方法数据化分析和进行决策,从而达到对制造流程的柔性管理和自动管理。

智慧制造业的诞生为中国传统制造业提供了全新的发展机会,在一定程度上符合了国家对于工业化和信息化深度融合发展的政策要求,将有效推动中国制造业提升与发展。同时,中国智慧汽车制造发展需要工程科技人才,具有更高的创新创业才能和跨界整合才能,也需要高校对催生创新科技和孕育新型业态。

近年来,欧美部分发达国家也相继明确提出了"再产业化"和"传统制造业重新回归"等新策略,着力推进建立在全球信息化背景之下我国产业公平竞争的新优势地位。在"中国制造2025"国家战略的重大背景,以智慧生产与物联网技术为核心内容的我国新一轮工业革命真正兴起,推动信息化和工业化深入结合形成的国家工业结构调整转型和经济增长模式改革的重要战略部署。二化融合是中国工业化与信息化发展到了一定时期后的必然结果,在这种进程中,信息化进程与工业化进程不再彼此单独完成,而是在技术、产品与技术在不同方面相互影响和协同发展,使信息资产与物质和资金等企业资产的整合,从而实现合理配置和充分运用各种资源,增强企业产品设计能力的总体目标。

云平台通过虚拟化技术,整合了标准化的企业基础资源管理、生产信息管理、制造加工、业务支持与售后维护管理等功能,可有效减少大中小企业二化融合的工作量与实施成本,并利用信息化技术手段减少了制造业产品设计和生产过程的成本,有效提升了制造效能。

1.智能制造系统方案的设计

1.1硬件系统

智能制造系统的组成部分包括总控中心、教学区域、智能产线、AR实训区构成。其中系统的核心部分是总控中心和智能产线。总控中心由智能看板、上位机系统构成。智能产线的构成包括了设计平台、立体仓库、定位平台、装配平台等构成。

系统在运行的过程中，是通过调度系统来实现的。首先在设计平台进行零部件的设计和模拟，设计和模拟完毕后智能仓库会根据设计的内容将材料交给无人搬运车，材料被无人搬运车运送到行走轴接物台，雕刻的材料会被传送到水晶内雕机，底座材料会被传送到加工中心，加工中心将底座材料进行了加工之后，六轴机器人将加工好的底座材料搬运到无人搬运车上，继而送到定位台。七轴机器人会把工件放到装配平台上，装配机器人就对处理好的雕刻材料和底座进行组装，得到成品。最终成品会在上位系统的指令下由七轴机器人放到无人搬运车上，继而运输到仓库中或者加工人员前。从产品的设计到成品的生产完毕，制造系统可以一键下单，全自动完成整个过程。

1.2控制及应用层

控制及应用层包括系统组件控制器、调度软件、系统访问端组成，以下对各个过程部分进行详细介绍。

系统组件控制器：因为智能制造系统是比较复杂的，其中诸多类型的控制器运用于其中，为了使得系统能够简化，本系统通过两个PLC来连接各个设备。上位机系统的构成包括智能看板、调度系统等。上位机的软件在收到订单之后，会按着流程来将命令下发给各个子站，子站就相应地运行。

调度系统软件:调度软件主要是在制造执行系统中和子站内部完成数据传输,同时还需要给子站下订单调度指令。软件基于ModbuS TCP、TCP/IP等多种不同的通信协议,使得软件能够与PLC互联,由此来获得PLC的数据,并且将相应的数据在PLC中写入。同时,还需要和无人搬运车通信,及时获取无人搬运车的信息,了解无人搬运车的状态,并且要把命令数据写到无人搬运车中。在与制造执行系统沟通时,将各个系统的信息在数据库当中写入,并同时从数据库当中读出制造执行系统的用户信息。

系统访问端:本研究为了便于系统的使用,开发了系统的APP端和Web端。在中国移动终端使用的是5G技术来实现数据通信,由于5G技术具有速率快、时延少、容量大的优点,系统的管理者能够进行即时监控跟踪和下单,使得生产调度能够准确地进行。Web端则是在阿里云服务器上安装的,包括了html服务,是通过go语言来编写的,使用的是angular框架。

1.3基于云技术的设备互联

本文对云服务器通信系统架构进行概述。在传统的制造执行系统中，其一般是比较封闭的，在工厂的内部使用，以至于整个工厂中有很多信息的孤岛，降低了运营的效率。云服务可以把企业当中的各种信息和资料都放在网络的空间里，有助于模块化管理和信息的共享，可以在任意的地点和实践通过不同的IT设备进行连接，由此来实现数据的随时读取和运算，可以快速地响应开发。与此同时,因为系统生产制造行业的信息系统设备是具有许多类型的,再加上各个场地设备的信息相对分散,在各系统之间也产生了各种通信协议,为改善在系统生产制造流程当中的信息传输率、安全性和异地使用的困难,系统采用了阿里云服务器进行信息管理。阿里云主机上可以配置有云数据库、Web服务等,在打开自己的服务器网页后就能够使用网页打开系统,完成资源调度任务。手机在和外网连接的时候,就可以登录到移动端,手机APP就可以下订单和查看相关的信息。

对于工业设备之间及其的通讯互联,本系统中总共有二个PLC,其中一个PLC与装配的共组站机器人、以及七轴工业机器人互联,打标机是通过I/O来通讯的,同时也是通过与输入输出设备的点之间连线的途径来交换信息,而内雕机作为客户端则使用TCP/IP来通讯,通过PLC也能够查询通信的协议列表。另一种PLC与,与六轴机器人技术、加工中心相连,加工中心之间是通过I/O来联系的,PLC中能够看到通信协议表。立体仓库与数据库是通过MySQL API来联系的,而仓储控制器则是通过ModbusTCP联系,其中控制器的服务端、立体仓库是客户端。还有就是寻磁无人搬运车,系统是通过磁导航来进行控制的,在地面铺设了导航磁条来对无人搬运车的路径进行引导。

1.4工艺流程

   智能生产线结构主要由立体仓储、出入库站台、行走轴、六轴智能机器人、装配机器人、定位站台、数控加工中心、机床在线检测设备、无人搬运车(AGV)、组装站台、水晶内雕机、激光打标机等设备构成。总控中心主要由上位机系统、迎宾机械人、电子智能看板等系统构成。

智能产线还可进行水晶内雕、底座机加工技术、企业徽标激光雕塑等零配件单机加工生产技术,及零件组装等智能化工艺。各领域的工业设备都分布在各个区域(如图一所示)。

图1智能制造学习工厂布局图

图片来源：基于云服务平台的智能制造系统设计与实现

利用调度系统软件可以实现以下自动化流程:从智慧粮仓中抓取将雕塑物料交至AGV(AGV按照指示从目标仓位提取);AGV输送至步行轴接物台;机器人将雕塑材质从接物台送至水晶内雕机加工处理;智慧粮仓将底座物料交AGV;AGV将底座物料送至机械加工中央接物台,由六轴机器人送至机械加工中央工序;六轴机器人将加工处理好的物料置于AGV上,由AGV送至行走轴位置台;七轴机器人将工件物料抓取存放于组装平台,由组装机器人(四轴机器人)完成组装;按照上位控制系统的指示,由七轴机器人将成型物料置于AGV运至加工机器人前面,或者完成入库。主体流程如图二所显示。从物料输出到生产成品入库管理,全智能生产管理系统实现一键式下单、自动完成全过程。按照已有场所和设施布置,AGV物料输出,并进行信息传递。

图1智能制造工艺流程

图片来源：基于云服务平台的智能制造系统设计与实现

2.智能制造的内涵及系统框架

智慧制造业云数据计算网络平台,是指利用云计算技术、物联网技术、大数据分析和人工智能等现代信息,构建的智造行业互联网平台。网络平台把生产企业、研究院校与高校之间各种分散的生产、工艺、加工、测试和实验等软硬件资源整合为逻辑上统一的整体,并利用云平台的多种功能,即时地向终端用户提供了一系列的信息支持、仿真试验、制造工艺、测试实验和资源配置等多种业务,以做到供需双方的快速精确配对,跨公司异地业务共享、能力互补和智造合作。

云服务平台,是集云金融服务、云采购和云生产于一身的社会化公共服务平台。平台建设后将形成供需牵引、灵活应用、横向合作、纵向管控和军民深度融合的工作系统,并能够高效支持和全面运用互联网+的智慧生产技术,为中小企业提供全产品生命周期的智能化服务,

最后达到互惠共赢和合作发展。

智慧制造业云服务平台的具体构建目标主要有:以网络为基础设施,通过进行信息物理融合、集成共享与智慧协作,可以完成企业信息与资源需求的高效互动,使之更具备明显的制造业领域特征;具有健全的应用机制,给各种实体分配不同的角色,并合理管理应用权限,以确保各应用私有信息和平台间共享信息的安全;以智造需求信息为核心,实现了包括智造协同、智造资源、知识共享、3D打印和科技创业等服务功能,并具有一定的服务推广能力;同时支持对各种实体上有效信息内容的发送和更新,具有智能推荐,精准匹配等功能,并支持用户对需求信息内容的搜索与订阅。

智慧生产云业务网络平台主要分为各种资源提供者、各种资源需要商以及生产云业务网络平台运行商,在网络平台上登记注册公司后即可直接向网络平台提交本公司的生产信息资源,也即可透过网络平台提交生产信息资源需要,由网络平台运行商根据海量的生产信息资源池选择最优化生产服务实现信息资源优化组化,从而达到与企业资源供需的高效衔接。

智能制造云服务平台由服务云、制造云和采购云三个相互连通的部分组成，如图 3 所示。

图4 智能制造云服务平台功能要素构成图

3.云服务及其对制造智能的作用机理

信息云,是互联互通信息、数据共享的一种平台。服务云具备了从公司入驻到计划、技术、服务信息、技术转让、知识产权交易等共享与增值业务的综合能力,可向社区、公司、大专院校、科研机构以及其他组织等提供开放性的多元化服务。

制造云则是打造了数据共享,功能协作的主体,通过资源供应商和产品制造商提供的数据来整合行业资源与能力,完成功能匹配与技术功能协作的功能。借助数字化、服务化、个性化和柔性化的智慧生产方式,中国制造云将能够提供以客户为核心、高效率、精准、低耗和柔性的生产制造全生命周期服务。

采购云服务是外包商与原物料提供商之间快速采购的有效途径,并且具备了产品开发与贸易促进,招投标与网络竞标和快速找源下订单等的功能。可利用外包订单式业务或物资供应的配餐式业务,进行公司间研发外包与物资供应的高效合作。西北智慧制造云服务网络平台在构建过程中,始终贯彻实用性与可行性的原则,即方便用户使用,也要方便企业系统管理。具有高度前瞻性和成熟性的设计特征,贯彻了开放式产品设计和规范化原则,并且进一步提高网络平台的可信度和稳定能力。并通过多层次平台产品设计和模组产品设计,进一步提高网络平台的扩展和可订制性。最后,还有充分考虑对信息安全资料的防护与隔离措施,进一步提高云平台的安全与保密性。

4. 云服务驱动下的智能制造运行与控制机制

  目前,中国现代设备制造业已经有了实现设备智能化的技术基础,通过利用设备已有的机器人或增加机械手、可编程逻辑控制器(PLC)和控制系统软件,可以实现装置智能化;通过机器人和专门定制的智能化装置单元,能够完成对各种数字控制装置的智能化改造,使以数字化、网络化、柔性化和系统集成等信息技术为特征的现代智能制造业技术装备实现了重要飞跃。因为重点行业装置的数控化率很高,且大批新型的信息监控装置的运行,所以就形成了许多安全监测数据。而这些安全检测数据通过各种管理方式存放于各地的安徽省建设工程质量监督检查站,构成了一个个"数据孤岛",彼此间无法互相接触和使用,如何把这些信息加以综合利用便变得十分麻烦。

一个基于云服务的独立安全域联的大数据和信息共享架构来集中管理所有监测站点的大数据资源,使各级监控系统之间的大数据资源可以互联互通,从而实现更多源息融合,以便于为上层决策体系进行大数据的综合分析和故障智能检测,提供大数据层面的技术支撑。该架构把所有数据源都当作一个单独的国家安全盟友加以集中管理,盟国间能够利用网络进行数据交换和资源共享;并利用数据容器形成了一种全局的虚拟数据库视图,从而赋予了各个盟国自由访问该虚拟数据库系统的权利与能力,从而实现了各盟国间对历史数据的透明访问。

至于一些带有时效性的信息,如实时信息、定时消息等,可借助盟友用户事先建立的各种信息发布订阅平台来完成信息的主动发布和收集。每位盟友用户均能够掌握当前该盟友用户的所有发布信息;如果这些更新的信息中,可能有一些信息是该盟友在开展联合数据分析时所需要的信息,那么它应当按照要求对这些信息加以订阅;在这些发布信息更新后,该盟国能够有效的获取更新信息。提高了系统的灵活性和可扩展性。

5.基于云服务平台的智能制造系统的应用

本文设计的基于云服务平台的智能制造系统可以分模块运行也可以自动运行。在分模块运行的模式下，可以进行物料出库入库、机器人控制等内容的教学。自动运行的时候，系统是以智能制造和云技术为基础，将机器人技术、5G技术、云服务技术等充分融合起来，把各种软件、数据、设备等硬件领域统一起来，由此来使得信息技术和制造业达到深入的融合。本文继而对云服务平台的智能制造系统的应用进行具体阐述，主要是运用系统生产内雕水晶摆件摆件，工作的流程如图1，从产品的设计到成品的生产完毕，制造系统可以全自动完成整个过程。

图1 工作流程

首先，可以将想做的图片输入到系统中，选择图片如下图2。设计和模拟完毕后，智能仓库会材料运送到无人搬运车，本次摆件使用的材料包括用于制作水晶雕塑的水晶方体和用于制作底座的有机玻璃板，如图3。无人搬运车将材料运输到行走轴接物台，其中，用于制作水晶雕塑的水晶方体被运送到水晶内雕机中进行雕刻，底座材料会被运送到加工中心进行加工，底座加工后会被六轴机器人送到无人搬运车上，送到定位台。七轴机器人会把工件放到装配平台上，装配机器人就对已经雕刻好的水晶内雕和底座进行组装，得到成品，如图4。

图2 水晶内雕摆件设计图

图3 制作原材料

图4 水晶内雕摆件成品

6.总结

本文对基于云服务平台的智能制造系统设计和应用进行了研究，文章基于云服务平台设计出智能制造系统，系统以云服务器为平台，融合5G通信技术和智能算法，系统主要由总控中心、教学区域、智能产线、AR实训区构成，核心部分是总控中心和智能产线。通过系统可以进行产品的设计、模拟和生产。本文通过水晶摆件产品的设计和生产来对系统的应用进行了说明，通过应用发现，系统生产方便快捷，可以流畅地生产出既定的产品。

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