基于柔性生產線的數字化工廠系統搭建

任 燕 許 輝

（1.河南工業職業技術學院柔性制造河南省工程實驗室，南陽 473009；2.江蘇匯博機器人技術股份有限公司，蘇州 215000）

1 建設背景

《中國制造2025》指出，智能制造工程要求推進生產過程的數字化、網絡化和智能化，建設重點領域的智能工廠和數字化工廠，實現我國從制造大國向制造強國轉變[1]。數字化工廠基于大數據、云計算以及三維GIS 等先進信息技術，是現代制造業前進的方向，能夠統籌規劃數據資源，為先進制造提供有效的業務支撐[2-3]。

依托行業辦學優勢，河南工業職業技術學院已經初步建成了一套小型的柔性生產線，作為智能制造技術研究及產業孵化基地。然而，現有柔性生產線呈現零散化和模塊化，急需搭建一套智能制造系統，整合各模塊資源以實現數字化、網絡化以及智能化。搭建數字化工廠是構建智能制造系統的基礎，將整個工廠和生產過程數字化，采集各種加工數據信息，形成和工廠及生產過程實際相對應的虛擬數字化工廠。

2 系統總體設計

智能制造系統可分為應用層、執行層、感知層和網絡層[4-5]。其中，應用層提供生產需求解決方案；執行層借助智能裝備實現生產過程自動化；感知層通過傳感器獲取生產過程數據；網絡層通過數據采集與監控系統SCADA 對數據實施采集監控或上傳到云端供用戶分析。數字化工廠網絡結構主要包括企業資源計劃系統ERP、制造執行系統MES、過程控制系統PCS 以及現場設備。通過數據采集，數字化工廠可實現對車間人、機、料、法、環等全面生產要素的監控和信息發布。它的系統架構如圖1 所示。

它在用戶端安裝數據采集與監控計算機作為信息采集終端，由通信系統將傳輸的網絡信息發送到信息管理平臺。搭建數字化工廠的關鍵是建立統一的數據庫，以方便數據查詢與使用。數據庫主要涵蓋產品設計數據、資源數據以及生產線集成仿真數據等。服務器的核心生產管理應用軟件是生產執行系統MES。MES 數據具備安全性、保密性、完整性、易用性和可用性的特點。

3 工廠建模

通過數字化工廠建模，在物理實體與數字層面建立閉環反饋，可有效防范產品缺陷及設備故障。相對同行業，數字化工廠建模還可縮短產品開發到投產的生產準備周期約5 個月，提高生產效率。工廠建模主要包含生產建模、制造作業組織邏輯建模、動態事件建模和基礎數據管理等過程。

建模能力和對象層次包括車間、生產線、生產單元、生產量組以及生產變量。制造作業組織邏輯建模主要包括工藝路徑、工藝流程組織、工藝過程參數、生產作業指導與防錯防呆模型等。基礎數據管理模塊為系統提供基礎數據的維護管理功能，包括系統在開發和使用過程中的一些基礎數據。系統通過工廠建模的形式實現對基礎數據的管理。工廠建模還包括對生產設備及路線上發生的各種生產過程事件的定義，如生產事件、設備停機事件、廢品事件、物料消耗事件以及更換產品事件等。

4 數字化工廠搭建

4.1 數據采集

圖1 數字化工廠系統架構圖

系統在數據采集上根據項目建設的需要，整合車間設備和控制系統的現狀，采取實際數據通信和仿真數據相結合的方式收集數據。對于現場能采集的數據，均采用數據通信的方式自動采集，結合系統功能展現的需要，建立部分數據仿真模型，通過仿真部分數據來補充部分數據。

4.1.1 物料數據信息

在DMG1 和DMG2 兩臺符合條件的機床旁分別設置一套計算機和RFID 讀寫終端，總體設置一臺條碼打印機。在機床上料時，RFID 讀寫終端可讀取物料的標簽，系統可通過標簽讀取該物料的原始信息，并與產品的生產過程信息進行綁定。當產品下線后，質量管理人員或用戶可在系統中通過錄入或掃描成品條碼標簽，追溯該產品所采用的原料信息和生產過程信息。

4.1.2 機床運行數據采集

泰鑫機床型號比較舊，因此采用硬接線的方式進行數據采集。分析機床的電氣回路，直接對機床的啟動、停止、產量計數，通過回路和干接點輸出信號。在PLC 中增加開關量輸入模塊，接收這些干接點新信號。上位機驅動軟件IGS 通過以太網與PLC 連接，可讀取相關機床的啟動、停止、生產計數信息。DMG 機床型號比較新，設備供應商能夠提供技術支持，因此數據可直接通過網絡進行通信，并讀取機床的相關運行信息，包括啟動、停止、產量計數以及過程參數等。將ABB 機器人相關運行信息接入PLC，計算機可通過IGS 驅動程序從PLC 自動獲取相關信息。

4.1.3 車間操作員信息數據采集

現場操作員操作時，需要錄入相關操作員信息。具體地，可以從系統界面手動錄入，或者通過手持終端掃描員工胸牌讀取其RFID 信息，從而錄入相關操作員信息。

4.2 數字化工廠

通過數據采集，系統擁有生產車間的所有實時信息。系統可通過多種數據展示手段，為管理和運行人員提供層次清晰的信息，幫助工作人員實時掌控車間的運行情況，從而及時協同調度現場的生產運營，提升車間的運行效率。

4.2.1 逐層深入的實時監控畫面

管理人員通過整個車間機床運行總貌圖，可看到整個車間各機床運行、停止、故障、當班生產計劃產量和實際產量等信息。點擊對應的機床，可深入查看該機床運行的詳細信息，包括詳細的運行、故障、故障代碼、計劃產量以及實際產量信息等信息。

4.2.2 生產計劃及計劃執行情況實時監控

系統可實時監控整個生產計劃的制定、下發、協同、執行反饋全過程的相關信息，實時掌握生產計劃執行進度。

4.2.3 車間、中控室電子信息看板

在車間現場及中控室分別設置液晶屏，作為車間生產信息的電子化生產看板。看板不僅可以顯示車間當班生產任務，還能夠監控和發布車間的相關管理信息，包括生產計劃任務、產量以及不良品數量等關鍵信息。

4.2.4 生產信息的Web 發布和移動發布

系統可采用Webspace 技術監控生產信息，并通過Web服務器進行發布。相關人員在網絡連通的情況下，通過約定的安全賬戶信息可遠程連接系統，以實時掌控生產狀況信息。

5 結語

目前，河南工業職業技術學院已經完成了工業現場柔性生產線物流全自動傳輸和數字化工廠的搭建。未來，學院將在數字化工廠的基礎上實現柔性化制造和卓越生產管理，構建智能制造系統。