基于大數據的智能化制造系統

黃戈文+蔡延光

奧爾堡大學健康科學與工程系 蔡顥 深圳市亞視威電子科技有限公司 任中明

介紹了基于大數據的智能化制造系統的實施過程和實施效果，詳細描述了系統的總體結構、硬件結構和功能。闡述了大屏顯示系統在智能化制造系統中的重要作用。系統的建設對制造企業的設備透明監控、生產過程監控和大數據增值利用等方面具有重要意義。

一、引言

制造業是國民經濟的重要支柱和基礎。我國正在大力推進“中國制造 2025”，核心在于智能制造，綠色制造以及生產經營活動的智能化、網絡化和自動化。隨著物聯網、云計算和大數據等新一代信息技術向傳統工業領域的融合與滲透，企業需要打通端到端的信息數據鏈，實現從單個企業到產品全生命周期，乃至整個社會生產制造活動的實時數據感知、傳送、分析和處理，實現動態資源配置和智能化決策。企業應該抓住機遇，及時進行設備系統、信息系統升級改造，在新一代制造業革命中立于不敗之地，并且不斷發展壯大。迫切需要在工廠啟動以設備為核心的車間制造系統透明化、數字化和智能化改造。應用互聯網、大數據和云計算等技術，對車間設備進行設備、生產狀態、能源消耗及異常情況的透明化、數字化、網絡化、智能化、自動化與實時互動，提高產能利用率、設備開動率和生產訂單在車間設備層面安排的可行性與執行情況的透明度、提高生產管理的有效性與效率，最終實現企業產品生產的數字化、智能化，進而減少訂單生產的時間、提高質量、降低成本并提高客戶的滿意度。

某空調廠包括 1個供氣車間、3個裝配車間和 5個鈑金車間。在空調的生產中，鈑金工藝是一道重要的工藝，包括剪板、沖壓、電焊和噴涂等工序，實現設備的“透明監控”，實現該工藝流程的智能制造、綠色制造，能夠提高企業的生產效率和促進節能減排，為企業進行科學的量化管理提供決策依據。通過與MES、ERP及 PDM系統實時連通，形成生產的閉環管理，使生產計劃更準確、更科學，實現車間數字化管理。建設面向上下游合作伙伴的供應鏈智能管理，以“工業 4.0”理念為指引，把互聯網、云計算和機器人等進行融合，實現智能工廠、智能制造和智能物流，以分布式計算方法來整合生產過程、改變生產流程，最終縮短生產時間，減少中間環節，提高工業效率，使得整個生產更智能化、更綠色化。

二、基于大數據的智能化制造系統結構與功能

所謂智能制造，就是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。基于大數據的智能化制造系統是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術和擬人化智能技術、云計算及大數據等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化，實現產品的個性化定制和品質分析預測，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。基于大數據的智能化制造系統借鑒精益生產等先進理念，以打造數字化工廠為原則，以數控機床聯網及數據采集系統為基礎實現生產設備數據自動采集、智能精確排產，并實現生產現場交互管理、物料管理、設備管理、工具管理、過程質量管理及決策支持等，涵蓋車間生產管理的方方面面，達到全過程透明監控、生產加工閉環管理，體現協同制造、智能制造和綠色制造。

1.系統總體架構

主要系統總體架構如圖 1所示。除基礎通訊網絡外，本系統由 6個功能子系統組成：①設備（包括模具與主要工裝）監測、智能分析與控制子系統；②生產監測、智能分析與控制子系統；③能源動力狀態監測、智能分析與控制子系統；④車間狀態視頻監測、智能分析子系統；⑤大數據分析子系統；⑥生產計劃排程子系統；⑦異常事件監測、報警與處理子系統；⑧智能集成綜合報表子系統。

2.硬件總體結構

系統硬件由本地子系統、管理中心系統和遠程應用子系統組成。本地子系統由設備狀態采集與控制模塊、生產狀態采集與控制模塊、用電參數采集與控制模塊、用水參數采集與控制模塊、用氣參數采集與控制模塊、視頻監控模塊、智能交互終端與物聯網網關組成，管理中心系統由通信網絡、服務器群（包括 Web服務器、數據服務器、通信服務器、存儲服務器和流媒體服務器）、大屏幕顯示系統及 PC工作站組成；遠程應用子系子系統由 PC客戶端、移動智能終端等組成。系統硬件結構如圖 2所示。

（1）大屏顯示系統。

數字化生產是智能制造的終極目標，管理者能夠在中央控制室通過實時采集的工廠信息實時調度安排設備、材料、人員等工作。在中央監控管理室考慮采用高清大屏系統，實時顯示所有設備及產品生產與人員等狀況，可以供領導決策層決策會議需要的、具有良好用戶體驗的各類決策信息及決策輔助方案供決策者選擇，大大提高生產、人員、訂單及設備任務安排等決策的透明度、可行性與效率。大屏幕系統最好選擇 SDLP（Super Digital LightProcession）無縫隙智能數字高清大屏系統，以滿足智能化制造系統對顯示的圖形文字顯示無縫隙分離、精細柔和、能耗低和第三方系統接入容易等要求。選用的 SDLP大屏系統需要采用全數字技術，支持圖像數據的網絡傳輸，系統支持多個光機高速并行處理技術實現高分辨率，可以完整顯示各類信號源，實現真正意義上的高清顯示；要求 SDLP大屏系統屏幕圖像無物理縫隙、無色差，整個屏幕可精細地顯示一張完整超大圖像；要求 SDLP大屏系統防水、防潮、節能、無電磁輻射且無熱輻射，有效保護操作人員的身心健康。

大屏顯示系統實時顯示生產現場視頻、設備生產狀況、顯示生產計劃進度、能耗信息、實時監控信息、實時統計信息、設備與視頻報警信息等，支持產品、人員和設備等信息的關聯顯示。大屏顯示系統可按按客戶需求進行任意劃分，實現視頻、數據綜合顯示。大屏顯示系統如圖 3所示。

（2）設備數據采集模塊。

設備狀態采集與控制模塊、生產狀態采集與控制模塊、用電參數采集與控制模塊、用水參數采集與控制模塊、用氣參數采集與控制模塊、視頻監控模塊和智能交互終端等通過工業以太網、現場總線與物聯網網關接入計算機網絡，把所采集的各種數據發送到管理中心，供管理中心實時監控、數據管理、遠程監控和大數據分析等。

（3）電能參數傳感器。電能參數傳感器是系統安裝在設備總電源接口，測量相應的輸入電能參數，是系統的電能參數數據采集裝置和發送裝置。該傳感器主要由電流互感器、電壓互感器、低通濾波器、電子電能計量芯片、單片機、存儲單元、LCD顯示器、電源模塊和 RS232接口等構成。

（4）智能交互終端。

設備層面智能交互終端是獲取設備、生產運行、質量和訂單流轉等信息的重要工具，以文字、圖、表、視頻、語音和動畫等可視化形式展現設備狀態、生產過程等設備操作人員所需的各種信息，供操作人員錄入或確認生產現場信息。

3.系統功能

基于大數據的智能化制造系統在對數控設備進行 DNC聯網的基礎上，以智能化排產為技術核心，以設備的數據自動采集形成閉環管理，建成程序編制、物料準備及刀具準備等相關工作的協同制造環境，對生產計劃進行管理、拆分和下達，將車間管理、質量檢測、庫存管理集于一體，達成了車間完工及時檢驗、及時入庫和及時反饋。實現了生產過程中各個環節中數據的信息共享，大大地降低了各種出錯率。

系統由 8大功能組成：①設備狀態功能：主要是實現設備監控與數據自動采集、網絡通訊、嵌入式程序開發與仿真等三部分內容。②生產過程功能：包括計劃管理、作業管理、協同制造管理、現場信息管理和質量管理等。③能源動力功能：包括能源動力監測、需求響應協同、能效分析和應急備案等。④視頻監控功能：包括生產現場與關鍵工位監控、視頻錄像存儲、檢索、回放和入侵監測等。⑤大數據分析功能：數據整合、預測分析和可視化等。⑥生產計劃排程功能：包括智能預排產、生產執行部門確認、生產計劃的調整和重新分配等功能。⑦異常事件功能：包括異常事件的匯集、報警、應急處理知識庫、預案生產和執行監控等。⑧智能集成綜合報表功能：該部分提供各類統計分析功能，為生產管理人員、計劃、調度、編程、設備、庫房、質量和操作工等各類人員提供豐富的報表、餅圖和柱圖等分析報告，并提供條碼掃描槍、手持終端、大屏顯示系統、智能交互終端和系統集成接口等各類輸入輸出功能。

三、基于大數據的智能化制造系統運行效果

項目的實施，實現了設備聯機透明化，實現了作業狀態實時監控、實時產量、實時上報、實時效率分析和實時能耗統計分析，生產過程自動化；將網絡應用從 IT領域拓展到制造業和能源領域，提高制造靈活性和速度，提升設備綜合效率以及客戶滿意度，達到綠色制造、智能制造的目的。

1.設備透明監控

伴隨著制造業的透明度增加，適當的傳感器裝置可以提取各種信號，如振動、壓力等，同時也可以收集歷史數據用于進一步的數據挖掘。管理者可以通過掌握正確的信息，以確定工廠范圍內的設備綜合效率。通過該預測能力，設備通過適時維護可以有效地管理成本。最后，歷史健康信息可以反饋到設備設計者，用于閉環生命周期的重新設計。通過數據整合平臺、預測分析和可視化工具進行信號處理和特征提取、健康評估、性能預測和故障診斷。利用可視化工具，可通過雷達圖、故障圖、風險圖和健康退化曲線有效地傳達健康信息。

通過視頻數據智能分析和電能參數采集，實現加工工件數量和平均能耗的機器計算，實現生產線的流水作業智能化統計、生產過程工序監控，取代了傳統人工統計方式，最大限度的實現生產型企業的信息化、智能化，準確統計設備利用率，從海量數據中分析出制約生產的瓶頸原因所在。

實現生產進度在電力峰谷期的合理調度，實現對電力需求管理的自動響應，最大限度達到節能減排的目的。

2.生產過程監控

通過對工位實時監控，幫助用戶實現透明化生產過程管理，實時地獲知設備運轉情況，了解在制品的加工和裝配過程，減少異常處理時間，彌補了產品生產時，由于缺件、倒線所造成的工時空耗和空線現象，提高準時完工率和交貨率，提高生產線上的工時利用率和生產效率。

根據實時的生產進度制訂準確、科學的生產計劃；全過程實時狀態跟蹤。準確了解在制品的工位位置和狀態信息，為產品問題的跟蹤和質量追溯提供精確依據。

對生產本身進行進一步的監控，所產生的數據同樣經過快速處理、傳遞，反饋至生產過程及其涉及的產業鏈的鏈條中，從而使得生產過程高品質的進行。例如在過去，在設備運行的過程中，自然磨損本身會使產品的品質發生一定的變化。隨著個性化生產的推進，產品生產所涉及的自然環境因素、突發因素和設備條件等變量會進一步增多，這種磨損對整個生產帶來的影響會被放大。通過信息處理技術及互聯技術，生產過程中的這些因素才能被精確控制，從而真正實現生產的智能化。通過工廠層面的設備革新，產業鏈協作，大數據處理，產品能夠具有服務價值，從而使得智能制造設備根據處理后的信息，進行判斷、分析、自我調整、自動驅動生產加工和品質保持，直至最后的產出步驟。

3.大數據增值利用

在設備透明監控、生產過程監控的基礎上，實現大數據的存儲和挖掘利用，實現消費者個性化需求。由于消費者眾多，每個人的需求不同導致需求的具體信息也不同，加上需求的不斷變化，就構成了供應商的大數據。對這些數據進行處理，進而傳遞給智能設備，進行運算，設備調整，材料準備與自動加工等步驟，才能生產出符合個性化需求的產品。

消費需求的個性化要求傳統制造業突破現有的生產方式與制造模式，根據消費需求海量數據與信息，進行大數據處理與傳遞；而在進行這些非標準化產品生產過程中產生的生產信息與數據也是大量的，需要及時收集、處理和傳遞。這兩方面大數據信息流最終通過互聯網在智能制造設備交匯，由智能制造設備進行分析、判斷、決策、調整和控制開展智能制造過程，確保生產出高品質個性化產品。

四、結語

某公司的基于大數據的智能化制造系統通過建立設備用電監控、作業現場監控、現場生產信息管理等軟硬件模塊，采用大數據智能分析技術，實時獲取機床能耗、狀態、產量、生產效率及產品質量等信息，實時分析操作工的操作規范化水平，實現生產調度與用電需求側管理的協同優化；所有的結果可顯示在監控中心大屏幕上，必要時顯示在相關人員的移動終端上，并具有預警報警功能。通過本系統，實現生產過程透明化、成本核算實時化、決策管理科學化，提高產品質量、經濟和管理效益；實現制造智能化，能迅速地滿足前端消費者的個性化需求。 IM