基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)

1、基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)一、引言制造業(yè)是國民經濟的重要支柱和基礎。我國正在大力推進“中國制造 2025”，核心在于智能制造，綠色制造以及生產經營活動的智能化、網絡化和自動化。隨著物聯(lián)網、云計算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術向傳統(tǒng)工業(yè)領域的融合與滲透，企業(yè)需要打通端到端的信息數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)從單個企業(yè)到產品全生命周期，乃至整個社會生產制造活動的實時數(shù)據(jù)感知、傳送、分析和處理，實現(xiàn)動態(tài)資源配置和智能化決策。企業(yè)應該抓住機遇，及時進行設備系統(tǒng)、信息系統(tǒng)升級改造，在新一代制造業(yè)革命中立于不敗之地，并且不斷發(fā)展壯大。迫切需要在工廠啟動以設備為核心的車間制造系統(tǒng)透明化、數(shù)字化和智能化改造。應用互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)和云計

2、算等技術，對車間設備進行設備、生產狀態(tài)、能源消耗及異常情況的透明化、數(shù)字化、網絡化、智能化、自動化與實時互動，提高產能利用率、設備開動率和生產訂單在車間設備層面安排的可行性與執(zhí)行情況的透明度、提高生產管理的有效性與效率，最終實現(xiàn)企業(yè)產品生產的數(shù)字化、智能化，進而減少訂單生產的時間、提高質量、降低成本并提高客戶的滿意度。某空調廠包括 1個供氣車間、3個裝配車間和 5個鈑金車間。在空調的生產中，鈑金工藝是一道重要的工藝，包括剪板、沖壓、電焊和噴涂等工序，實現(xiàn)設備的“透明監(jiān)控”，實現(xiàn)該工藝流程的智能制造、綠色制造，能夠提高企業(yè)的生產效率和促進節(jié)能減排，為企業(yè)進行科學的量化管理提供決策依據(jù)。通過與ME

3、S、ERP及 PDM系統(tǒng)實時連通，形成生產的閉環(huán)管理，使生產計劃更準確、更科學，實現(xiàn)車間數(shù)字化管理。建設面向上下游合作伙伴的供應鏈智能管理，以“工業(yè) 4.0”理念為指引，把互聯(lián)網、云計算和機器人等進行融合，實現(xiàn)智能工廠、智能制造和智能物流，以分布式計算方法來整合生產過程、改變生產流程，最終縮短生產時間，減少中間環(huán)節(jié)，提高工業(yè)效率，使得整個生產更智能化、更綠色化。二、基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)結構與功能所謂智能制造，就是面向產品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造?；诖髷?shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)是在現(xiàn)代傳感技術、網絡技術、自動化技術和擬人化智能技術、云計算及大數(shù)據(jù)等先進技術的基礎上，通過智能化

4、的感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術，實現(xiàn)設計過程、制造過程和制造裝備智能化，實現(xiàn)產品的個性化定制和品質分析預測，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成?；诖髷?shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)借鑒精益生產等先進理念，以打造數(shù)字化工廠為原則，以數(shù)控機床聯(lián)網及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎實現(xiàn)生產設備數(shù)據(jù)自動采集、智能精確排產，并實現(xiàn)生產現(xiàn)場交互管理、物料管理、設備管理、工具管理、過程質量管理及決策支持等，涵蓋車間生產管理的方方面面，達到全過程透明監(jiān)控、生產加工閉環(huán)管理，體現(xiàn)協(xié)同制造、智能制造和綠色制造。1.系統(tǒng)總體架構主要系統(tǒng)總體架構如圖 1所示。除基礎通訊網絡外，本系統(tǒng)由 6個功能子系統(tǒng)組成：設備（包括模具與

5、主要工裝）監(jiān)測、智能分析與控制子系統(tǒng)；生產監(jiān)測、智能分析與控制子系統(tǒng)；能源動力狀態(tài)監(jiān)測、智能分析與控制子系統(tǒng)；車間狀態(tài)視頻監(jiān)測、智能分析子系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)；生產計劃排程子系統(tǒng)；異常事件監(jiān)測、報警與處理子系統(tǒng)；智能集成綜合報表子系統(tǒng)。2.硬件總體結構系統(tǒng)硬件由本地子系統(tǒng)、管理中心系統(tǒng)和遠程應用子系統(tǒng)組成。本地子系統(tǒng)由設備狀態(tài)采集與控制模塊、生產狀態(tài)采集與控制模塊、用電參數(shù)采集與控制模塊、用水參數(shù)采集與控制模塊、用氣參數(shù)采集與控制模塊、視頻監(jiān)控模塊、智能交互終端與物聯(lián)網網關組成，管理中心系統(tǒng)由通信網絡、服務器群（包括 Web服務器、數(shù)據(jù)服務器、通信服務器、存儲服務器和流媒體服務器）、大屏幕顯

6、示系統(tǒng)及 PC工作站組成；遠程應用子系子系統(tǒng)由 PC客戶端、移動智能終端等組成。系統(tǒng)硬件結構如圖 2所示。（1）大屏顯示系統(tǒng)。數(shù)字化生產是智能制造的終極目標，管理者能夠在中央控制室通過實時采集的工廠信息實時調度安排設備、材料、人員等工作。在中央監(jiān)控管理室考慮采用高清大屏系統(tǒng)，實時顯示所有設備及產品生產與人員等狀況，可以供領導決策層決策會議需要的、具有良好用戶體驗的各類決策信息及決策輔助方案供決策者選擇，大大提高生產、人員、訂單及設備任務安排等決策的透明度、可行性與效率。大屏幕系統(tǒng)最好選擇 SDLP（Super Digital LightProcession）無縫隙智能數(shù)字高清大屏系統(tǒng)，以滿足智

7、能化制造系統(tǒng)對顯示的圖形文字顯示無縫隙分離、精細柔和、能耗低和第三方系統(tǒng)接入容易等要求。選用的 SDLP大屏系統(tǒng)需要采用全數(shù)字技術，支持圖像數(shù)據(jù)的網絡傳輸，系統(tǒng)支持多個光機高速并行處理技術實現(xiàn)高分辨率，可以完整顯示各類信號源，實現(xiàn)真正意義上的高清顯示；要求 SDLP大屏系統(tǒng)屏幕圖像無物理縫隙、無色差，整個屏幕可精細地顯示一張完整超大圖像；要求 SDLP大屏系統(tǒng)防水、防潮、節(jié)能、無電磁輻射且無熱輻射，有效保護操作人員的身心健康。大屏顯示系統(tǒng)實時顯示生產現(xiàn)場視頻、設備生產狀況、顯示生產計劃進度、能耗信息、實時監(jiān)控信息、實時統(tǒng)計信息、設備與視頻報警信息等，支持產品、人員和設備等信息的關聯(lián)顯示。大屏顯

8、示系統(tǒng)可按按客戶需求進行任意劃分，實現(xiàn)視頻、數(shù)據(jù)綜合顯示。大屏顯示系統(tǒng)如圖 3所示。（2）設備數(shù)據(jù)采集模塊。設備狀態(tài)采集與控制模塊、生產狀態(tài)采集與控制模塊、用電參數(shù)采集與控制模塊、用水參數(shù)采集與控制模塊、用氣參數(shù)采集與控制模塊、視頻監(jiān)控模塊和智能交互終端等通過工業(yè)以太網、現(xiàn)場總線與物聯(lián)網網關接入計算機網絡，把所采集的各種數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心，供管理中心實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、遠程監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析等。（3）電能參數(shù)傳感器。電能參數(shù)傳感器是系統(tǒng)安裝在設備總電源接口，測量相應的輸入電能參數(shù)，是系統(tǒng)的電能參數(shù)數(shù)據(jù)采集裝置和發(fā)送裝置。該傳感器主要由電流互感器、電壓互感器、低通濾波器、電子電能計量芯片、單片機、

9、存儲單元、LCD顯示器、電源模塊和 RS232接口等構成。（4）智能交互終端。設備層面智能交互終端是獲取設備、生產運行、質量和訂單流轉等信息的重要工具，以文字、圖、表、視頻、語音和動畫等可視化形式展現(xiàn)設備狀態(tài)、生產過程等設備操作人員所需的各種信息，供操作人員錄入或確認生產現(xiàn)場信息。3.系統(tǒng)功能基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)在對數(shù)控設備進行 DNC聯(lián)網的基礎上，以智能化排產為技術核心，以設備的數(shù)據(jù)自動采集形成閉環(huán)管理，建成程序編制、物料準備及刀具準備等相關工作的協(xié)同制造環(huán)境，對生產計劃進行管理、拆分和下達，將車間管理、質量檢測、庫存管理集于一體，達成了車間完工及時檢驗、及時入庫和及時反饋。實現(xiàn)了生產

10、過程中各個環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)的信息共享，大大地降低了各種出錯率。系統(tǒng)由 8大功能組成：設備狀態(tài)功能：主要是實現(xiàn)設備監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動采集、網絡通訊、嵌入式程序開發(fā)與仿真等三部分內容。生產過程功能：包括計劃管理、作業(yè)管理、協(xié)同制造管理、現(xiàn)場信息管理和質量管理等。能源動力功能：包括能源動力監(jiān)測、需求響應協(xié)同、能效分析和應急備案等。視頻監(jiān)控功能：包括生產現(xiàn)場與關鍵工位監(jiān)控、視頻錄像存儲、檢索、回放和入侵監(jiān)測等。大數(shù)據(jù)分析功能：數(shù)據(jù)整合、預測分析和可視化等。生產計劃排程功能：包括智能預排產、生產執(zhí)行部門確認、生產計劃的調整和重新分配等功能。異常事件功能：包括異常事件的匯集、報警、應急處理知識庫、預案生產和執(zhí)行監(jiān)控

11、等。智能集成綜合報表功能：該部分提供各類統(tǒng)計分析功能，為生產管理人員、計劃、調度、編程、設備、庫房、質量和操作工等各類人員提供豐富的報表、餅圖和柱圖等分析報告，并提供條碼掃描槍、手持終端、大屏顯示系統(tǒng)、智能交互終端和系統(tǒng)集成接口等各類輸入輸出功能。三、基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)運行效果項目的實施，實現(xiàn)了設備聯(lián)機透明化，實現(xiàn)了作業(yè)狀態(tài)實時監(jiān)控、實時產量、實時上報、實時效率分析和實時能耗統(tǒng)計分析，生產過程自動化；將網絡應用從 IT領域拓展到制造業(yè)和能源領域，提高制造靈活性和速度，提升設備綜合效率以及客戶滿意度，達到綠色制造、智能制造的目的。1.設備透明監(jiān)控伴隨著制造業(yè)的透明度增加，適當?shù)膫鞲衅餮b置

12、可以提取各種信號，如振動、壓力等，同時也可以收集歷史數(shù)據(jù)用于進一步的數(shù)據(jù)挖掘。管理者可以通過掌握正確的信息，以確定工廠范圍內的設備綜合效率。通過該預測能力，設備通過適時維護可以有效地管理成本。最后，歷史健康信息可以反饋到設備設計者，用于閉環(huán)生命周期的重新設計。通過數(shù)據(jù)整合平臺、預測分析和可視化工具進行信號處理和特征提取、健康評估、性能預測和故障診斷。利用可視化工具，可通過雷達圖、故障圖、風險圖和健康退化曲線有效地傳達健康信息。通過視頻數(shù)據(jù)智能分析和電能參數(shù)采集，實現(xiàn)加工工件數(shù)量和平均能耗的機器計算，實現(xiàn)生產線的流水作業(yè)智能化統(tǒng)計、生產過程工序監(jiān)控，取代了傳統(tǒng)人工統(tǒng)計方式，最大限度的實現(xiàn)生產型企

13、業(yè)的信息化、智能化，準確統(tǒng)計設備利用率，從海量數(shù)據(jù)中分析出制約生產的瓶頸原因所在。實現(xiàn)生產進度在電力峰谷期的合理調度，實現(xiàn)對電力需求管理的自動響應，最大限度達到節(jié)能減排的目的。2.生產過程監(jiān)控通過對工位實時監(jiān)控，幫助用戶實現(xiàn)透明化生產過程管理，實時地獲知設備運轉情況，了解在制品的加工和裝配過程，減少異常處理時間，彌補了產品生產時，由于缺件、倒線所造成的工時空耗和空線現(xiàn)象，提高準時完工率和交貨率，提高生產線上的工時利用率和生產效率。根據(jù)實時的生產進度制訂準確、科學的生產計劃；全過程實時狀態(tài)跟蹤。準確了解在制品的工位位置和狀態(tài)信息，為產品問題的跟蹤和質量追溯提供精確依據(jù)。對生產本身進行進一步的監(jiān)控

14、，所產生的數(shù)據(jù)同樣經過快速處理、傳遞，反饋至生產過程及其涉及的產業(yè)鏈的鏈條中，從而使得生產過程高品質的進行。例如在過去，在設備運行的過程中，自然磨損本身會使產品的品質發(fā)生一定的變化。隨著個性化生產的推進，產品生產所涉及的自然環(huán)境因素、突發(fā)因素和設備條件等變量會進一步增多，這種磨損對整個生產帶來的影響會被放大。通過信息處理技術及互聯(lián)技術，生產過程中的這些因素才能被精確控制，從而真正實現(xiàn)生產的智能化。通過工廠層面的設備革新，產業(yè)鏈協(xié)作，大數(shù)據(jù)處理，產品能夠具有服務價值，從而使得智能制造設備根據(jù)處理后的信息，進行判斷、分析、自我調整、自動驅動生產加工和品質保持，直至最后的產出步驟。3.大數(shù)據(jù)增值利用

15、在設備透明監(jiān)控、生產過程監(jiān)控的基礎上，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲和挖掘利用，實現(xiàn)消費者個性化需求。由于消費者眾多，每個人的需求不同導致需求的具體信息也不同，加上需求的不斷變化，就構成了供應商的大數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行處理，進而傳遞給智能設備，進行運算，設備調整，材料準備與自動加工等步驟，才能生產出符合個性化需求的產品。消費需求的個性化要求傳統(tǒng)制造業(yè)突破現(xiàn)有的生產方式與制造模式，根據(jù)消費需求海量數(shù)據(jù)與信息，進行大數(shù)據(jù)處理與傳遞；而在進行這些非標準化產品生產過程中產生的生產信息與數(shù)據(jù)也是大量的，需要及時收集、處理和傳遞。這兩方面大數(shù)據(jù)信息流最終通過互聯(lián)網在智能制造設備交匯，由智能制造設備進行分析、判斷、決策、調整和控制開展智能制造過程，確保生產出高品質個性化產品。四、結語某公司的基于