一種智能注塑工廠系統設計與應用

吳峻睿，謝仲銘，王立斌，葉桂良

（東莞信易電熱機械有限公司，廣東東莞 523770）

0 引言

以往的塑膠輔機一般都采用單機控制方式，各輔機與成型主機或車間監控系統之間都是相互獨立的，沒有任何聯系，對各個輔機的狀態監控、參數設定和數據記錄都必須單獨分別進行，從而限制了整個成型系統的智能化水平和生產效率的提高。隨著工業4.0時代的到來，市場對塑膠輔機的智能化和網絡化的需求越來越強烈，單機控制方式已無法滿足今后市場的需求[1-2]。如何提高塑膠輔機的網絡通訊功能，使成型主機或車間監控系統可以方便快捷實現對塑膠輔機的運行監控和數據采集，這已經成為許多輔機廠家需要解決的技術問題[3-4]。

國內塑膠輔機行業沒有統一的通信接口標準和規范，而且只有少數輔機產品具有通信功能，并且不同輔機產品的通信接口是不能相互兼容；在國外EUROMAP（歐洲塑料和橡膠工業機械制造商協會）有定義注塑機與周邊輔機的通信接口標準，但其通信協議復雜，應用和推廣并不普遍。所以國外不同輔機廠商也還存在著通信接口標準不統一的狀況。工業4.0時代塑膠輔機的發展趨勢是智能化、網絡化[5-6]。

本文提出的系統采用國際通用、簡單易懂的開放標準Modbus通訊協議，能更方便地實現塑膠輔機與成型機或車間監控系統的聯機通信功能，為實現整個成型系統或成型工廠的智能化提供基礎[7]。

1 系統工作原理

本系統通過對所有注塑機的聯網，實現對注塑機數據采集，制造流信息數據搜集，組建信息大數據庫，再結合客戶需求對這些大數據進行分析處理，以最直觀的形式展現出客戶需求（定制個性化報表），為企業管理層提供決策依據。系統綜合訂單管理模塊，實現計劃單與機臺、模具相關聯，可以根據各機臺工作生產情況以及機臺、模具維修保養時間合理安排訂單任務，從生產計劃直通機臺生產任務。系統還結合設備與模具維護保養功能，可根據設備與模具的工作時長或合模數，來自定義維護保養計劃，并且設置信息通知，根據時間或者完成情況對信息實現傳遞，從而完善車間的生產管理。最終為注塑機工廠提供先進的一體式的解決方案。智能工廠系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 智能工廠系統網絡拓撲結構

1.1 基于網絡的集成控制技術

針對注塑裝備種類繁多，數據接口、格式標準不統一導致的數據采集難、網絡化功能差、信息化水平低的問題，系統開展輔機、機械手等注塑輔機與注塑機之間數據實時通訊的研究。最終通過采用標準通訊接口，基于通用開放式協議，將輔機設備的監控功能全部都集成到注塑機的操作面板中，實現了對注塑機和輔機的集中監控功能。該技術不同于傳統的遠程對輔機的開機/關機或溫度控制等簡易操作，而是對輔機控制器內所有參數的數據采集和操作設定，可以遠程實現輔機本身的全部控制功能。與傳統注塑機和輔機單獨而零散的控制方式相比，集成控制技術的注塑控制系統使整個注塑作業流程更加高效及智能化，實現少人化生產，降低生產成本[8-9]。

1.2 注塑生產大數據平臺

在塑料機械行業中，存在大量有知識的數據無法采集、分析和提煉與有知識和經驗工人缺乏的矛盾，快速增長的人力成本和注塑裝備智能化水平低下的突出矛盾。本項目將通過設備數據采集，結合企業信息系統，實現銷售、設計、生產、物流等智能化的服務系統，構建注塑成型智能云服務平臺和大數據平臺，提供大數據云服務[10-12]。

1.3 成形過程動態感知與工藝智能管控技術

采用降維、特征提取、回歸分析等技術對注塑多源數據進行處理，使注塑成型裝備、加工工況和產品質量可以深度感知，在此基礎上，構建工藝優化的推理與決策模型，實現高效、高精、穩定生產。

2 軟件功能模塊設計

根據注塑行業特點以及為了滿足注塑工廠管理要求，系統主要劃分為設備監控、生產過程管理、異常停機管理、設備模具管理、自動報表、系統設置6大軟件功能模塊。

2.1 模具管理

（1）模具識別管理：客戶經常會出現換模后才發現模具錯誤問題，希望后期有模具自動識別功能來避免該問題，目前業內可以應用比較廣泛的有RFID無線射頻技術跟二維碼掃碼功能，通過每個模具上設置二維碼或者識別芯片做到單獨模具單獨唯一性，通過機臺側設備識別該信息，再與平臺側生產任務單中綁定的模具信息進行檢驗，檢驗不一致則系統報警，從而實現對該生產任務單模具的使用是否正確管理。

（2）模具基礎信息管理：模具信息包括模具編號、名稱、重量，當前合模數、單模產量等信息。

（3）模具保養計劃的設定：模具保養在設備管理中屬于常規性工作，可對每臺機器和模具設置保養項目和保養周期。

（4）模具維護保養記錄：根據制定的保養計劃完成保養后，需在系統上記錄維護保養完成情況，包括保養完成日期、保養日志等。

（5）模具維修記錄：搭建設備、模具歷次維修記錄、維修時間、維修方案、維修人信息等的綜合信息平臺，為企業提供歷史維護信息的查詢庫。

2.2 報表分析

（1）警報分析：每月各類警報出現次數的匯總統計表；所選時間段內各類警報出現次數的柱形圖。

（2）機器利用率：以每月或每天作為常規統計周期統計機器每月利用率；以某一特定時間段作為統計周期統計機器利用率。

（3）質量報表：以產品作為統計基礎，匯總每個月各類報廢原因的報廢數量與總量；每個產品每月發生的質量報廢率統計；每臺機器每月發生的質量報廢率統計。

2.3 系統設置

系統設置包括設備管理、機器登記、用戶管理、系統日志、代碼維護、郵件配置等。

2.4 設備監控

設備監控包括設備數據采集、設備集中實時監控、設備參數修改、機器警報、每模數據監測等。如圖2～3所示。

圖2 智能工廠系統設備狀態監控1

圖3 智能工廠系統設備狀態監控2

2.5 生產過程管理

生產過程管理包括投料管理、生產計劃單、機臺任務單、電子看板、現場實時反饋一體機等。如圖4所示。

圖4 智能工廠系統機器任務單

2.6 異常停機管理

設備停機自動記錄、停機原因填寫。

3 系統架構

本系統使用B/S結構，所有客戶端均無需安裝其他軟件即可實現遠程訪問與使用。因此無論在國內還是國外，本地還是外地，可使用手機、平板、PC機等打開瀏覽器輸入網址，就能進入Shini智能工廠系統查看各注塑工廠的運行情況。

系統使用大型數據庫進行后臺數據存儲，并進行每天備份工作，以使數據的安全性得到充分保證，數據庫管理系統采用Microsoft SQL Server 2000或2005系統使用嚴格的權限控制來保證操作人員只能進行自己工作范圍內的相關操作。

4 系統優點

面對注塑裝備產業對注塑機的需求，希望提升注塑裝備的信息全面感知和可靠傳輸，構建自感知、自診斷、自決策、自學習的智能制造系統，打造產品鏈、價值鏈、供應鏈協同的智能化的服務系統，從而提升注塑裝備及系統的整體智能化水平，具體系統優點概括如表1所示。

表1 系統優點

5 結束語

駐足塑料成型行業，制造業的信息鏈將會整合，從客戶訂單流到終端產品出貨，所有的數據都通過深度人工智能、先進的數據挖掘和神經網絡進行自動化和精細化管理。數據是實現這樣夢想的一個開始，而本文提出的智能工廠解決方案使產品都可以互聯互通，打造智能制造基礎。同時，通過實驗驗證在項目開發過程中建立相關標準和主持的路演，有效地促進我國橡塑工廠的智能化、無人化的升級，為實現注塑成型智能無人化制造工廠提供基礎條件；項目完成后，可為注塑廠降低最多80%工人，有效緩解勞動力問題。