裝備車間智能制造自動化體系設計與應用

王芬琴

摘要：以設計一套包含資源層、信息感知與處理層、信息傳輸層、系統功能層和用戶層為體系結構的裝備車間智能制造自動化控制體系為目的，采基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知，實現對制造現場的實施管控，利用無線傳感網絡WSN布局制造現場，實現信息的交互。設計裝備車間智能制造自動化控制系統，該系統能夠實現裝備車間的計劃、運行、質量、資源及安全智能化管理，具有較好的普適性和推廣價值。

關鍵詞：裝備車間??智能制造??自動化技術?體系結構??應用系統

中圖分類號：TH18??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

隨著信息技術、人工智能技術、物聯網、大數據等新一代信息的技術的不斷發展，在制造領域傳統固定模式加工的生產自動化技術正向具有自主學習、自動組織和自我控制的智能制造方向轉型。結合裝備車智能制造需求設計以物聯網為支撐，多元信息流為基礎，構建具備信息感知、動態傳輸、智能控制的自動化制造體系，對于提升生產效率和生產水平具有非常重要的研究價值。

1裝備車間智能制造自動化控制體系的總體架構

裝備車間智能制造自動化體系技術架構包括資源層、信息感知與處理呈、信息傳輸層、核心功能層和用戶層。用戶層根據用戶職責權限劃分系統操作任務，用戶可以通過系統CUI界面操作，操作方式可以是通過Web覽器、移動終端、系統應用客戶端等。核心功能層是在裝備車間智能制造支持體系支持下實現對智能制造生產過程的可視化管理，具備的功能有知識管理、DNC管理、任務管理、物理管理、生產成本分析、生產數據實時監控等內部集成功能。同時，還支持與制造企業生產過程執行MES管理系統、產品數據PDM管理系統、企業資源計劃管理ERP管理系統等集成，實現整個制造過程的信息互聯互通、統一協調和智能管控。信息傳輸層對智能制造空間的無線傳感網絡節點進行統一管理，并對多源異構信息進行動態傳輸。信息感知與處理層實現對不同數據類型的信息進行采集、轉化和描述，實現軟硬件接口通信。資源層對裝備車間智能制造自動化體系中的各類資源進行統一管理。裝備車間智能制造自動化體系技術架構如圖1所示。

2基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知

裝備車間智能制造自動化控制體系的關鍵在于能夠完整、準確地對制造過程進行實時運行狀態、制造進度、制造質量等多源信息進行動態的采集。IPv6（Internet?Protocol?Version?6）協議可以連接智能制造中的各種信息外界設備，集成中央處理器、嵌入式操作系統、制造設備支持系統及各種標準化數據傳輸接口[1]。IPv6信息交互裝置，比如：傳感器、RFID等對制造現場信息進行采集，再由局域網或現場總線將信息傳遞到管理系統或平臺，以便于對制造過程進行可視化的管理。

基于IPv6技術的裝備車間智能制造自動化技術體系中，每一個底層設備都被建立一個專屬的IP地址，以便于準確地記錄各設備的活動信息，RFID及各類傳感器所構成的信息交互裝置對制造現在的設備狀態、物料情況、制造進度、制造質量、人員等資源信息進行實時采集，利用信息交互裝置進行信息轉化與描述，使不同信息源的信息能夠以標準的格式傳輸給管理系統，再經過信息的加工與處理，將控制信息傳送給制造設備，實現對整個制造過程的智能管控[2]。

基于IPv6信息交互裝置設計包括硬件和軟件兩個部分。第一，硬件部分，包括電源模塊、傳感模塊、處理模塊、通信模塊、接口模塊、網絡模塊、存儲模塊和顯示終端等，從硬件層面實現智能制造自動化生產過程信息的動態采集、自動變化和有效傳輸。電源模塊為各終端提供電源;傳感模塊由各類傳感器和A/D轉化器構成，負責對制造自動化過程的信息感知與采集，并通過A/D轉化器將信息轉換為數字信息;處理模塊由處理器和存儲器構成，負責節點模塊之間的信息處理與存儲;通信模塊由收發器和網絡模塊構成，負責各終端的網絡通信;接口模塊由各種異構的接口終端（串口、并口、網絡接口等）構成，負責異構通信的連接;顯示終端由控制臺構成，負責智能制造的可視化管理[3]。第二，軟件部分，鑒于系統應用的廣度，采用Linux內核構建硬件資源層，進行進程/線程、電源、接口、驅動的管理[4]。采用Java類庫、SQL和虛擬機開發功能層，進行組建管理、窗口管理、系統數據管理、控件管理、資源管理等。應用層采用Java、Eclipse等工具開發，實現可視化應用。

3基于WSN技術的信息傳輸

無線傳感網絡（Wirelss?Sensor?Network，WSN）是新一代的物聯網應用技術，在遠程控制領域具有很好的應用[5-6]。WSN網絡結構如圖2所示。

裝備車間智能制造自動化體系中的網絡節點按功能可分為終端/傳感節點、路由節點、調節器節點和網關節點這4個部分。終端/傳感節點是具有感知和采集功能的節點，在智能制造體系中由安裝在設備上的IPv6移動終端、各類傳感器、電子標簽等組成。路由節點是由路由器群所構成，它的作用是轉發和處理數據，在網絡節點中起到中間節點協調調度的作用。解調器節點具有分配所有節點地址的功能，負責對節點的添加和刪除，維護網絡拓撲，組織協調網絡節點的信息。網關節點是連接智能制造體系主干網絡的中心節點，由其將所有節點的信息傳送到管理平臺，并接收來自平臺的指令。

4裝備車間智能制造自動化控制體系應用

為了檢驗裝備車間智能制造自動化控制體系的可用性與實用性，按照裝備車間智能制造自動化控制體系設計思路構建一套支持系統，該系統要求具有生產過程信息實時采集與傳輸、智能調度、生產過程跟蹤、自動預警等功能。

4.1系統開發

采用J2EE搭建開發環境，JBoss應用服務器，Windows操作系統和Oracle數據庫系統進行系統開發?；贗Pv6信息交互裝置構建系統框架，系統主要功能包括計劃管理、運行管理、質量管理、資源管理和安全管理。系統功能結構如圖3所示。

計劃管理功能由任務制定、任務下達、任務調度、任務查看、任務執行這5個子模塊組成，以生產任務為核心，完成自動化生產全過程生命周期的任務管理。

運行管理功能由自動化程序傳輸、自動化程序管理、設備狀態監測和生產質量檢驗管理這4個子模塊組成，實現物理設備的智能化互聯互通。

質量管理功能由維修管理、質量分析、質量預警這3個子模塊組成，實現自動化生產過程中的質量檢驗與異常事件處理。

資源管理功能由設備管理、工具管理、人員管理和物料管理這4個子模塊組成，實現對自動化生產的資源進行管理。

安全管理功能由用戶管理、角色管理、權限管理、日志管理這4個子模塊組成，實現對系統用戶的管理和系統運行安全信息的記錄。

4.2系統應結果分析

所構建的裝備車間智能制造自動化控制系統能夠圍繞復雜的生產制造過程以智能制造模式控制自動化生產加工設備，按照既定的要求實現信息的交互，制定任務內容、下達任務指令、進行任務調度和執行任務都能夠按照計劃實施，信息通信具有交互的即時性和準確性，在設備運行管理中，自動化控制程序的傳輸、管理與設備狀態的監測都能做到準確無誤地完成，當生產質量出現問題自主調整質量控制參數，當遇到超出設定參數范圍的質量問題及時發出警告，完整地實現了質量管理功能。通過資源管理能夠及時獲得自動化設備、生產工具、人員及物料的信息，動態管理生產資源。通過對系統人員的添加與刪除和權限的設定，能夠保證使用者的安全管理，系統日志中按生產時間倒序記錄系統的各種操作信息。證明了在智能制造自動化控制體系下所構建的系統具有良好的實用性。

5?結語

智能制造是新一代的制造技術綜合應用，融合了信息處理技術、自動化技術、人工智能技術等多方面的學科知識，推動制造業的快速發展。通過對裝備車間智能制造自動化技術體系的設計與應用研究，分析智能制造的特點，將信息采集技術、信息處理技術、信息傳輸技術、自動化控制技術進行有機的融合，提出基于IPv6信息交互裝置的制造過程信息感知和基于WSN技術信息傳輸構建裝備車間智能制造自動化技術體系，并基于該體系的應用系統，極大地提高了自動化制造的智能性，具有良好的應用推廣價值。

參考文獻

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