裝備制造業智能制造技術研究及應用

李 寧

(山西春汾科創投資集團公司，山西 太原 030006)

0 引言

智能制造是在新一代信息技術與先進制造技術深度融合的基礎上產生的，它貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習等特征，是一種旨在提高制造業質量、效益和核心競爭力的先進生產方式。智能制造是新一輪工業革命的核心技術，是世界各國全力爭奪的技術制高點。以科技創新為主要驅動力，加快新一代信息技術與制造業深度融合，是我國從制造大國邁向制造強國的重要保障。

數字化網絡化智能化制造作為制造業創新發展的主要途徑，已成為實現機械產品創新的共性使能技術，能夠提高產品功能、性能和市場競爭力；智能化制造技術也是生產技術創新的共性使能技術，能夠提升制造業的設計、生產和管理水平；它還是產業模式創新的共性使能技術，能夠促進服務型制造業和生產性服務業的發展，變革制造業的生產模式和產業形態。

1 智能制造在冶金機械方面的研究及應用

在冶金機械方面，智能制造技術得到了較廣泛的推廣和應用。以三輥連軋管機組為例，其數字化控制系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 三輥連軋管機數字化控制系統總體結構圖

由圖1可以看出，三輥連軋管機數字化控制系統主要由生產管理級、生產控制級、過程控制級和基礎自動化級組成。通過采用數據采集與過程監控、軋制工藝管理系統、智能自動化網絡、PLC控制系統、連軋管機組HGC系統、數字化的傳動系統和智能監控系統，將數控技術與人工智能技術應用到基礎自動化和過程自動化系統中，實現了整個熱軋鋼管生產的數字化、網絡化、智能化和高效化。

2 智能制造在煤炭開采及深加工機械方面的研究及應用

山西省是煤炭大省，也是我國煤炭開采機械及煤炭深加工機械的重要產地。近年來，智能制造在煤炭開采及深加工機械方面的研究及應用也受到了廣泛的關注，并取得了一些成果。

2.1 在煤炭開采方面

在露天礦山采掘機械方面，以大型露天礦挖掘機為例，通過數字化設計，開發出礦用挖掘機多系統協調智能控制技術、集成控制系統、運行狀態監測及故障診斷系統，實現了大型礦用挖掘機的數字化控制、數字化運行。

在采煤機械方面，以千萬噸級采煤機為例，建立了采煤機分布式并行信息處理與控制數學模型，研發了基于CAN總線和DSP的分布式機載監測與控制系統，實現了采煤機的數據快速處理、信息可靠傳輸和狀態精確控制，提高了采煤機的智能化程度。建立了基于振動加速度包絡技術的采煤機搖臂傳動系統故障診斷模型，研發了采煤機傳動系統故障診斷系統，實現了井下開采工況的搖臂傳動系統狀態監測、故障識別與全生命周期管理。研究了基于地理信息系統(GIS)的采煤機定位與煤層識別技術，采用礦井狄正波CT探測方法首次建立了工作面煤層三維數字化GIS模型，利用采煤機定位裝置，實現了采煤機在工作面煤層的定位，獲得了采煤機截割煤厚的預判數據，實現了采煤機基于仿形截割的智能截割。采煤機監測系統如圖2所示，采用溫度、壓力、流量、液位等傳感器對采煤機的工作狀態進行實時監控，通過通訊系統將相關信息傳送到上位機進行處理，并根據采集到的信息制定控制策略，實現對采煤機的智能控制。

圖2 采煤機監測系統示意圖

在煤礦輸送機械方面，以刮板輸送機為例，采用了大功率刮板輸送機變頻調速技術，每臺電機均由一套獨立的變頻驅動系統單獨控制。在刮板輸送機上采用鏈條自動張緊技術，實現了對鏈條張緊力的實時監測，使得張緊力始終保持在合理范圍之內，增強了整機工作的可靠性。刮板輸送機采用了整機運行狀態監控技術，借助計算機的處理能力，實現了故障預警、歷史數據存儲、打印和查詢等功能。

2.2 在煤炭深加工方面

在煤焦化機械方面，以7 m焦爐成套設備為例，焦爐機械電氣系統為“上位人機界面+PLC現場總線+變頻傳動”組成的三級控制系統。上位人機界面監控整機的運行狀態及故障信息，實現運行狀態模擬顯示與故障自診斷；PLC通過現場總線實現控制系統之間的數據交換及整機運行的時序邏輯控制；采用變頻調速系統，實現對運行機構變頻電機轉矩與速度的精確控制。同時，通過無線數據通信技術、自動對位技術和遠程監控技術等數控技術的應用，大大提高了焦爐機械的數控水平。隨著電氣系統智能化、數字化的發展，焦爐機械將朝著智能化、無人操作的方向發展。

3 智能制造在起重機械方面的研究及應用

在起重機械方面，以鋼廠起重機為例，采用高精度定位技術、遠程控制技術和計算機應用技術，結合對起重機運行工藝的研究，實現起重機高精度全自動(無人值守)運行。面對起重機所在廠房的整體工藝進行研究，并編制自動化控制程序，對工廠內搬運設備進行集中控制，從而實現智能工廠、智能搬運的系統工程方案。同時采用先進的傳感器技術，全面采集起重機的各種數據、信息，并進行計算、分析，達到對起重機全壽命周期監控的目的。通過以上手段，全面提高了起重機的自動化、智能化、信息化水平。

4 智能制造在新能源裝備方面的研究及應用

在新能源裝備方面，以大型風力發電機組為例，通過運用計算機輔助設計及仿真軟件實現了風電機組模型建立、特性分析及數字化仿真計算；通過PC控制和變流傳動技術實現對風機的自動化運行控制；通過遠程SCADA系統對風電機組進行實時監控、信息共享、故障診斷及維護，從而建立“數字化設計、計算、控制以及管理”的一體化平臺。圖3為風電機組變槳系統狀態總圖。對于風電系統而言，今后的工作重點是繼續深入研究風場大數據和平臺技術、風機全生命周期管理技術等。

圖3 風電機組變槳系統狀態總圖(多環雙冗余模式)

5 智能制造在紡織機械以及機械基礎件制造產業方面的研究及應用

5.1 在紡織機械方面

以數控自動集體落紗細紗機為例，細紗機近年來發展呈現智能化、柔性化、模塊化和復合化特點，以數控技術、信息技術為主導，以高精度自動化機械加工技術為基礎，綜合運用機、電、儀、光、氣等先進技術手段，用數字化電機技術產品替代傳統的復雜機械機構，并采用集體落紗氣架升降伺服系統、卷繞成型電子凸輪等，使其具備準確可靠的數字化自動控制功能，進而實現細紗紡織工序的全過程自動化。

5.2 在機械基礎件制造產業方面

在機械基礎件制造產業方面，應用先進的設計計算手段，在結構有限元、多體動力學、疲勞耐久性分析、振動與聲學仿真、氣動/液壓等流體傳動系統仿真、機電一體化分析、多學科協同仿真等方面進行了廣泛研究，并針對數字化工廠發展要求，在CAD/CAE/CAPP/CAM技術上進行了深入的研究分析。同時，結合實際產品應用，逐步實現產品的全生命周期設計管理。結合信息化、智能化、數字化工作的開展和應用，通過遠程監控中心建設，實現對裝備的遠程監控、診斷和分析等工作。

6 智能制造在軌道交通裝備方面的研究及應用

在軌道交通裝備方面，以新型內燃調車為例，新型內燃調車主要用于地鐵列車、運輸車輛及無動力軌道車輛的牽引、調車及車輛救援牽引作業，采用了基于CAN總線的自動換擋微機控制系統，具有換向保護、自動換擋、超速保護、故障診斷及數據顯示和記錄、雙機重聯等功能，具有起步平穩、換擋平順及無沖擊等優點，能有效提高車輛操作的簡潔性、經濟型和安全性。

7 結束語

各類裝備制造企業結合各自專業領域，針對感知、控制、決策和執行等環節的短板弱項，采用先進工藝、信息技術與制造裝備深度融合，通過智能車間/工廠建設，帶動通用、專用智能制造裝備的加速研制和迭代升級；推動數字孿生、人工智能等新技術創新應用，研制了一批先進的新型智能制造裝備，培養了智能制造人才隊伍，并積累了大量經驗。

然而，山西省裝備制造業智能制造推進工作與國內先進省份相比總體上仍有較大的差距。近年來，在智能制造方面的產業基礎薄弱、研發投入不足、專業化人才缺乏、產業鏈配套技術支撐短缺，大多智能制造研究及應用局限在點或面上，高水平系統化的智能制造占比較少，努力空間較大。

推進智能制造難以一蹴而就，任重道遠。關鍵要立足制造本質，緊扣智能特征，以工藝、裝備為核心，以數據為基礎，依托制造單元、車間、工廠、供應鏈和產業集群等載體，構建虛實融合、知識驅動、動態優化和安全高效的智能制造系統。促進工業互聯網在裝備制造業中實現全面貫通，加速推進生產過程智能化，引導和推動企業以市場為導向實施更大規模、更高層次的自動化、智能化改造，建成一批自動化、數字化生產線，推動山西省裝備制造業加速向數字化、網絡化、智能化發展。