智能制造車間實訓柔性制造系統方案設計

蘆紅霞，周成侯，李志遠

（江蘇中車數字科技有限公司，南京210031）

0 引言

職業教育與普通教育是兩種不同教育類型，具有同等重要地位。改革開放以來，職業教育為我國經濟社會發展提供了有力的人才和智力支撐[1]。進入新的發展階段以來，我國的工業化進程和經濟快速發展，各行各業對技能人才的需求量日益增長，目前已有的技能人才的的總量、結構和素質已不能適應經濟社會發展的需要，職業院校的重要地位和作用日益凸顯。但是與其他發達國家相比，目前我國職業院校的教育基礎薄弱、培養體系不完善，職業技能實訓基地不健全等問題日益凸顯[2]。因此，響應《中國智能制造2025》和《國家職業教育改革實施方案》的號召，積極探索職業教育產教結合、產學合作的有效機制，將網絡一體化和基于智能制造的實訓車間引入到職業院校人才實訓基地建設勢在必行。

基于以上現狀，本文介紹了一種職業院校智能制造車間實訓柔性制造系統，該系統是模擬工業現場環境，通過網絡及軟件管理系統把倉儲設備、檢測運輸設備、運輸設備、數控機床、機器人等所有設備實現互聯互通，并通過數據采集、分析，實現自動決策和精確執行命令的自組織生產的精益管理境界的車間，該實訓系統可滿足高職院校自動化專業、機器人專業、機械設計專業、數控專業及物流專業等的教學實訓需求，實現理論教學與實踐的結合，進而實現產教結合，讓學生提前進入企業。

1 智能制造車間實訓系統總體設計

智能車間是一個龐大的生產系統，包羅了諸多先進的技術，如通信技術、大數據技術、虛擬仿真技術、網絡技術、人工智能等。傳感器、機床、機器人等智能設備的發展是智能車間中數據采集和加工制造單元智能化的關鍵[3]。本文介紹的智能制造車間實訓制造系統框架如圖1所示，其通過現場總線網絡及MES（制造執行系統）實現機器人、數控機床、AGV、物流傳輸線系統、RFID、倉儲管理等系統的互聯互通，達到全面感知狀態（客戶需求、生產狀況、原材料、人員、設備、生產工藝、環境安全等信息），實時數據監控與分析，實現實訓過程中柔性排產、精確執行命令。系統主要涵蓋了企業管理、制造加工、物流倉儲等功能，是當代智能化工廠的縮影。

圖1 實訓制造系統框架

實訓制造系統通過MES系統控制，通過自動化立體倉庫、堆垛機完成生產物料的智能倉儲和上下料，通過AGV、傳輸帶等完成物料的自動配送，通過機器人、數控機床完成物料的自動裝配、自動加工，實現車間的無人化管理和生產，降低人力成本和人為誤差。MES是位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統[4-5]。MES系統能通過數據的交互，從生產工單下達、生產準備、生產執行、生產監控，進度管理、生產完工、成品入庫對整個產品的生產過程進行信息化管理，并通過對生產過程中的設備數據自動采集和上傳，對生產過程中發生的異常及時反饋，并對數據進行處理、分析，形成相應的異常處理意見[6]。MES彌補了管理層與控制層之間的斷層，既能實時監控車間的生產加工狀況，又能將車間的生產信息及時反饋給管理層，并且將多套系統集于一體，從而做到了數據統一和數據共享[7]。智能制造車間實訓系統現場布局如圖2所示。

2 智能制造車間實訓系統各模塊

智能制造車間實訓制造系統主要由全自動加工工作站、智能倉儲物流系統、總控可視化系統、電氣系統等組成的柔性智能制造系統[8]；將加工制造、物料流、信息流三個系統深度融合與高度集成，在加工自動化的基礎上實現物料流和信息流的自動化、數字化與智能化，是典型的信息技術與制造技術的深度融合。如圖2所示。

圖2 智能制造實訓車間布局

2.1 全自動加工工作站

全自動加工工作站主要完成物料的自動裝配、自動加工。該工作站主要由智能銑削自動上下料工作站和智能車削自動上下料工作站組成。智能智能銑削自動上下料工作站主要包括加工中心（配自動門、自動工裝夾具）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元組成；智能車削自動上下料工作站主要由數控車床（包含斜車和臥車，配自動門、自動工裝夾具）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元組成。如圖3所示。

圖3 全自動加工工作站現場

2.2 智能倉儲物流系統

智能倉儲物流系統主要由自動化立體倉庫、WMS倉儲管理軟件、出庫平臺、入庫平臺、AGV、阻擋定位機構等組成，主要負責生產物料的輸送、定位、分揀、出入庫等工作。該系統由PLC自動控制，各傳輸段的起停、頂升等動作由后臺系統全程自動控制，交流電機、變頻器的各種運行數據、報警信息均可以傳給系統，學生各種操作指令也可以在系統操作界面上方便的下達。如圖4所示。

圖4 智能倉儲物流系統實景

自動化立體倉庫是現代物流系統中迅速發展的重要組成部分，主要由高層立體貨架、巷道堆垛機、堆垛機控制器、一體式觸摸終端系統組成[9]，出入庫輔助設備及巷道堆垛機能夠在系統監管下，完成物料的自動出庫和入庫，并實現在庫物料的自動化管理。

2.3 總控可視化系統

總控可視化系統主要由總控臺、大屏顯示、監控電腦、攝像頭、網絡交換機、RFID無線射頻識別系統及MES（生產過程執行系統）軟件組成。具體功能：（1）總控臺為鐵板表面噴塑處理的定制臺，臺面上擺放監控電腦，下方柜體用于擺放電腦主機、網絡交換機、通訊線纜等；（2）監控電腦用于安裝MES軟件，可監視工廠的實時動態；（3）攝像頭用于監視三臺機床的加工狀態以及整條生產線的運行狀態，實現整條生產線的可視化；（4）RFID無線射頻識別系統由標準卡、讀寫器、電子標簽等組成，智能制造車間每個工位設有RFID無線射頻識別系統，能實時采集、記錄每個工位及工序的重要信息及完成情況，并主動推送給MES系統，實現與生產線MES系統的信息交換；（5）網絡交換機用于生產線系統的網絡數據互聯和傳輸，實施監控和處理；（6）MES系統包含倉儲管理、聯機管理、系統監控、系統管理四大模塊，如圖5所示。

圖5 MES系統倉儲管理模塊功能展示

其中，倉儲管理模塊主要實現物料的基礎信息管理（如物料編碼、物料名稱、物資類型等信息）、托盤管理、庫位管理、入庫管理、出庫管理和出入庫流水賬的記錄。聯機管理主要包含產線管理、設備模式管理、設備狀態管理、工作模式管理、訂單管理、聯機訂單看板、本地訂單看板、異常信息管理以及PLC讀寫異常管理。系統監控主要展示智能車間監控畫面，如圖6所示。

圖6 MES系統聯機管理模塊功能展示

2.4 電氣系統

電氣系統設有3臺就地控制柜，分別為放置于總控臺區域的1臺總控電氣柜和放置于銑削、車削區域各1臺的分系統電氣控制柜，主要負責數控加工設備、倉儲系統、AGV及機器人的I/O通訊控制，在觸摸屏的組態畫面上可以直接控制整個車間設備的運營。電氣控制柜均配有專用的PLC控制器及觸摸屏，PLC電氣控制及I/O通訊系統，既滿足實現銑削、車削、倉儲分揀等單個單元的工作，又可實現整條生產線的聯動。

銑削區電氣控制柜實時監測、記錄銑削區加工中心、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元、物料傳輸帶等的狀態，將其反饋給總控單元（總控電氣柜）；車削區電氣控制柜實時監測、記錄車削區數控車床（包含斜車和臥車）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元、物料傳輸帶等的狀態，將其反饋給總控單元。放置于總控臺區域的總控電氣柜作為總控單元，實時監測、記錄分系統（銑削、車削區域電氣控制柜）的當前狀態，將狀態提供給MES系統。在需要聯動執行時，MES系統獲取當前分系統狀態后，下達控制命令給分系統，并實時接受分系統的反饋信息。

銑削、車削區域電氣控制柜作為分系統控制單元，實時發送當前分系統的狀態信息，在獲得MES系統的執行命令后，執行相應控制程序，執行過程中的分系統狀態和執行后的結果實時上報給總控單元。

電氣系統可滿足高校開設的電氣自動化設備安裝與維修等專業的教學，培養學生PLC的編程、運行與故障診斷能力，以及柔性制造系統中的自動化集成、信息對接、設備改造與維護等能力。

3 實訓制造系統柔性工作流設計

實訓制造系統工作流通過計算機化，實現生產過程集中與生產過程自動化，并建立工作流管理系統從而將現有工作進行分解，按照一定的規則和過程來執行并監控工作流程[10]。實訓制造系統能實現智能生產車間各工位及工序柔性編排，學生在教學及實操過程中，可以近距離地模擬實踐智能制造車間生產環節中正常與異常過程工序調整，讓學生體現“所見即所得”的實訓體驗感官。系統支持整體聯動和單步運行2種模式。

3.1 整體聯動流程

系統可以預置一個正常工作場景，實現如圖7所示的軸類件全自動加工順序：（1）訂單投放，立體倉儲出料，出庫平臺上的RFID讀寫器讀取工件加工任務信息；（2）AGV物流小車運送工件至對應工序的加工設備上料區（物料存儲自動接貨平臺）；（3）加工設備上料區的RFID讀寫器讀取待加工零件工序任務，將其信息發送給加工設備及上下料機器人，設備自動開門，機器人根據程序選擇性的將工件放置于對應的工裝夾具上，工裝夾具自動夾緊，設備自動關門，開始自動加工；（4）零件加工完，設備自動開門，機器人取出工件，放置于吹氣單元對工件進行吹干處理，機器人將工件放回物料存儲接貨平臺，將托盤送回至AGV物流小車上，由小車負責物流將工件傳輸到下個加工設備區，進行下道工序的加工；（5）工件所有工序完成，入庫；如果沒有，則回到步驟（3）依次循環。通過圖形化界面設置如圖8所示的加工流程。

圖7 軸類零件成品

圖8 軸料加工流程

3.2 單步運行流程

系統也支持單步運行，例如智能倉儲物流模塊可以在其它工作站斷電或者離線狀態，進行正常工作，方便學生針對單個模塊進行裝調、編程、運行與維護等實訓。

4 結束語

針對智能制造車間典型應用的教學實訓要求，本文給出了智能制造車間實訓柔性制造系統的實施方案設計。該智能制造車間實訓柔性制造系統融合了光、機、電、氣以及信息一體化、物流管理訓練、計算機輔助制、工業造型、物聯網傳感技術、機器人、視覺圖像識別、數控制造等技術，在教學科研領域，將MES（生產過程執行系統）和WMS（倉庫管理系統）等系統有機地結合起來，能實現生產過程實時管控，信息可視化管理，且業務全過程自動記錄，事后可追溯，形成了全面協同的生產管理系統，將企業管理和先進制造融于一體。初步應用表明，該系統運行良好、性能穩定，可較好地滿足學生實訓實際應用需要，培養了學生的編程、運行與故障診斷能力，后期可推廣至其它智能制造的實訓基地。