智能工廠設(shè)計仿真 課件 第5章 智能工廠的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

智能工廠設(shè)計仿真第5章智能工廠的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)5.1智能工廠網(wǎng)絡(luò)化概述5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系5.2.1智能工廠設(shè)備資源的特點（1）分布多樣性這里的分布是指加工資源在地理位置上的分布。（2）異構(gòu)性企業(yè)聯(lián)盟中每一個成員企業(yè)的數(shù)控裝備包括數(shù)控機床、工業(yè)機器人、AGV等多種設(shè)備，其數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式不同，導(dǎo)致設(shè)備資源存在異構(gòu)性。（3）動態(tài)性對于某個加工任務(wù)而言，用來完成它的設(shè)備資源是特定的，但是隨著任務(wù)的轉(zhuǎn)變，所組成的資源組合也會隨之改變。5.2.2智能工廠網(wǎng)絡(luò)化加工系統(tǒng)的特點（1）一致性在網(wǎng)絡(luò)化制造過程中，數(shù)據(jù)加工資源本身具備各自的特點，為確保加工過程的順利進行，需要加工系統(tǒng)具備統(tǒng)一的資源表達方式和交換協(xié)議。（2）集成性加工系統(tǒng)對于一項加工任務(wù)的實施過程可在分布于不同的地理區(qū)域上執(zhí)行，但加工資源的信息和加工過程中所產(chǎn)生的信息必須實現(xiàn)集成化，只有實現(xiàn)了信息的集成才能為具體的加工5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系過程提供充足的信息保障，使信息的查詢與訪問簡便快捷。（3）安全性企業(yè)聯(lián)盟的各個成員企業(yè)經(jīng)常發(fā)生變動，因此合作關(guān)系也會隨之變化，競爭對手因為盟員的變動有可能成為合作伙伴，這就要求參與加工系統(tǒng)的各個成員的信息必須共享，但共享的過程并非是信息的全部公開，彼此之間的商業(yè)秘密仍要保留。（4）標(biāo)準(zhǔn)化確保系統(tǒng)具有高效能的適應(yīng)性，應(yīng)盡量參照規(guī)范性強的相關(guān)國際、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5.2.3智能工廠網(wǎng)絡(luò)化加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系5.2.4智能工廠網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的架構(gòu)5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系1.功能模型5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系（1）功能集成性根據(jù)企業(yè)聯(lián)盟的任務(wù)，將各成員企業(yè)單元加工系統(tǒng)的資源信息、加工過程情況、加工任務(wù)完成情況等信息進行集成，支持跨企業(yè)協(xié)同制造。（2）功能重構(gòu)性企業(yè)聯(lián)盟接到一個加工任務(wù)后，根據(jù)成員企業(yè)的資源信息將任務(wù)進行分解，并對單元加工系統(tǒng)進行優(yōu)化選擇，實現(xiàn)功能重構(gòu)，加工任務(wù)完成后重構(gòu)即結(jié)束。（3）監(jiān)督管理、調(diào)度各成員企業(yè)在加工過程中可以進行信息交互，為跨企業(yè)的車間調(diào)度提供信息支持，以實現(xiàn)監(jiān)督管理、調(diào)度等功能。2.資源模型5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系（1）基本信息成員企業(yè)的名稱、網(wǎng)址、電話、法人等。此類信息是動態(tài)的，會根據(jù)不同的任務(wù)需求組成不同的企業(yè)組合。（2）企業(yè)規(guī)模成員企業(yè)的規(guī)模直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)力。（3）產(chǎn)品類型現(xiàn)在的加工型企業(yè)越來越專業(yè)化，各成員企業(yè)都有自己的“拳頭”產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品恰恰反映了它們各自的資源優(yōu)勢。（4）信譽信譽是企業(yè)獲得成功的一個重要方面，是一個企業(yè)的寶貴財富。（5）地理位置地理位置對一個企業(yè)的限制隨著網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)的發(fā)展而逐漸得到解決，但是目前在現(xiàn)實中企業(yè)的合作伙伴往往在全國甚至全世界的范圍內(nèi)尋找，仍然會受到一定的地理位置影響（不能做到及時溝通與協(xié)調(diào)）。1）基本信息：主要包括設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)名稱、編號等。2）設(shè)備類型：這里主要指有關(guān)金屬加工類的數(shù)控設(shè)備，如圖5-6所示。5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系3）設(shè)備加工能力：主要指設(shè)備對可加工特征、可加工尺寸、可加工材料等加工要素的實現(xiàn)能力。4）加工結(jié)果：指設(shè)備加工可達到的精度、加工所用的時間和費用等。5）設(shè)備狀態(tài)：一般指設(shè)備的使用情況、老化程度和更新淘汰情況等。3.信息模型（1）聯(lián)盟企業(yè)共享信息主要包括聯(lián)盟成員企業(yè)的基本信息、聯(lián)盟企業(yè)的經(jīng)營策略和規(guī)范措施，以及要完成項目的規(guī)劃、目標(biāo)、約束等信息。（2）任務(wù)管理協(xié)調(diào)信息主要是針對某項任務(wù)，成員之間關(guān)于任務(wù)分配的協(xié)商信息和解決任務(wù)進行過程中所產(chǎn)生沖突的協(xié)調(diào)與調(diào)度信息，是聯(lián)盟企業(yè)在任務(wù)管理過程中必不可少的信息。（3）工程技術(shù)信息由制造計劃系統(tǒng)定義的被加工產(chǎn)品的工藝要求、技術(shù)文檔、圖紙信息，以及聯(lián)盟企業(yè)對某項子任務(wù)的技術(shù)要求。（4）制造能力信息人員的能力、技能；材料的位置、使用和質(zhì)量情況；設(shè)備和工具的特性、使用成本與利用率；廠房、能源的使用狀況。5.2智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)體系（5）運行監(jiān)控信息使用的材料和資源成本，空閑和調(diào)整時間；在制品、成品的數(shù)量、狀態(tài)等跟蹤數(shù)據(jù)和過程控制參數(shù)；產(chǎn)品的合格率、廢品率等質(zhì)量信息；任務(wù)的完成進度，項目的進展情況。4.組織模型5.過程模型5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3.1智能工廠大數(shù)據(jù)的類型與特征5.3.2基于NC-Link的智能工廠大數(shù)據(jù)采集技術(shù)（1）NC-Link概述NC-Link是由數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（以下簡稱聯(lián)盟）研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)盟由中國機床工具工業(yè)協(xié)會牽頭，截至2021年8月，成員有武漢華中數(shù)控股份有限公司（以下簡稱華中數(shù)控）、華中科技大學(xué)等33家企事業(yè)單位、研究機構(gòu)與高校，旨在打造中國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供更加適合數(shù)控機床的互聯(lián)互通協(xié)議，解決物理設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)賦能問題，讓物理設(shè)備具備計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)、自治、數(shù)據(jù)采集等功能，從而實現(xiàn)與推動中國智能制造。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)（2）基于訂閱/發(fā)布模式的數(shù)據(jù)主動傳輸數(shù)控機床動態(tài)數(shù)據(jù)的采樣周期是影響機床數(shù)字化映射精確度的一個關(guān)鍵因素，因數(shù)據(jù)密度越高，越能精確地描述物理機床。1）在數(shù)控系統(tǒng)端，采用環(huán)形緩存提供數(shù)據(jù)緩存能力，并控制數(shù)據(jù)容量，以避免因采樣數(shù)據(jù)過多占用數(shù)控系統(tǒng)的資源，而影響數(shù)控系統(tǒng)原有的加工性能。2）采用緩存映射技術(shù)，將數(shù)控系統(tǒng)的環(huán)形緩存區(qū)映射到數(shù)據(jù)采集模塊的環(huán)形緩存區(qū)。3）在數(shù)據(jù)采集模塊中實現(xiàn)數(shù)據(jù)組合算法，將各個緩存區(qū)的數(shù)據(jù)按照既定規(guī)律組合?！耙淮蝹鬏敗彪A段：1）將組合后的多行采樣數(shù)據(jù)一次性向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上傳，實現(xiàn)以太網(wǎng)性能約束條件下的采樣大數(shù)據(jù)傳輸。2）數(shù)據(jù)服務(wù)器將數(shù)據(jù)順序存儲在數(shù)據(jù)庫中。從采樣數(shù)據(jù)的形成與傳輸過程來看：采樣數(shù)據(jù)的組合方式具備既定規(guī)則，規(guī)則變動頻率較低，但采樣數(shù)據(jù)傳輸頻率較高，如果采用傳統(tǒng)的請求/響應(yīng)模式進行交互，無疑會增加生產(chǎn)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，數(shù)據(jù)的丟包率也會隨之增大。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)1）應(yīng)用層向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)訂閱一次采樣數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將訂閱消息向數(shù)控機床轉(zhuǎn)發(fā)。3）數(shù)控機床周期性地將采樣數(shù)據(jù)主動向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)發(fā)布。4）數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將采樣數(shù)據(jù)定期即時向應(yīng)用層轉(zhuǎn)發(fā)。5）基于訂閱/發(fā)布模式的數(shù)據(jù)被動傳輸采樣通道是非常寶貴的資源，因此無法將數(shù)控機床的所有數(shù)據(jù)都放入采樣通道中。對其他時序完整性要求不高的數(shù)據(jù)，如任務(wù)數(shù)據(jù)G代碼、邏輯數(shù)據(jù)PLC（可編程控制器）點位、數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)等，需要設(shè)計同步方法。1）數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)向數(shù)控機床訂閱一次。2）應(yīng)用層向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)請求發(fā)布一次。3）數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)向應(yīng)用層訂閱一次。4）數(shù)控機床被動地向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)響應(yīng)發(fā)布一次，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用層。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3.3智能工廠的大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)（1）大數(shù)據(jù)中心的體系架構(gòu)工業(yè)數(shù)據(jù)的實時性使得邊緣計算在工業(yè)大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域變得至關(guān)重要，其核心是如何保障設(shè)備邊緣端應(yīng)用的低延時問題。1）所有設(shè)備都需要向系統(tǒng)廠進行注冊，形成機床廠分組或用戶廠分組，機床廠與用戶廠數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，設(shè)備數(shù)據(jù)被采集后備份至用戶廠云數(shù)據(jù)中心。2）一個用戶廠分組包含若干個工業(yè)設(shè)備，一個機床廠分組又可包含一個或多個用戶廠分組。3）設(shè)備數(shù)據(jù)通過用戶廠云數(shù)據(jù)中心上傳至機床廠云數(shù)據(jù)中心，繼而傳輸?shù)较到y(tǒng)廠云數(shù)據(jù)中心。4）用戶廠具備最高的數(shù)據(jù)訪問和管理權(quán)限，可設(shè)置向機床廠或系統(tǒng)廠開放的數(shù)據(jù)類型，如報警信息、狀態(tài)信息、調(diào)機信息、設(shè)備位置等，從而保護機密生產(chǎn)信息，如加工件數(shù)、G代碼文件等。5）機床廠具備二級數(shù)據(jù)訪問和管理權(quán)限，也可設(shè)置向系統(tǒng)廠開放的數(shù)據(jù)類型，如出廠檢測信息、工藝知識庫，從而同樣達到保護機密數(shù)據(jù)的目的。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)加工設(shè)備的生產(chǎn)過程是嚴(yán)格按照時間維度進行的，因此工業(yè)大數(shù)據(jù)具備很強的時序性，時序數(shù)據(jù)庫對于工業(yè)數(shù)據(jù)存儲是一個不錯的選擇。1）海量處理能力。2）經(jīng)濟性好。3）具有數(shù)據(jù)生命周期控制功能。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)MetaData存儲以下“元數(shù)據(jù)”：1）Id：工業(yè)設(shè)備的DEVICEID，標(biāo)識該行的數(shù)據(jù)記錄來自哪一臺設(shè)備。2）Version：模型文件的版本號。3）Model：模型文件的具體內(nèi)容。4）SampleChannel：采樣通道設(shè)置。5）SampleData：針對采樣通道的各個數(shù)據(jù)項，根據(jù)模型文件生成對應(yīng)的線性路徑。6）DataPoint：針對非采樣數(shù)據(jù)項，根據(jù)模型文件生成對應(yīng)的線性路徑。5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.3智能工廠的大數(shù)據(jù)技術(shù)5.4指令域大數(shù)據(jù)技術(shù)及其智能化應(yīng)用5.4.1指令域大數(shù)據(jù)的特征5.4指令域大數(shù)據(jù)技術(shù)及其智能化應(yīng)用5.4.2指令域大數(shù)據(jù)的智能感知技術(shù)5.4指令域大數(shù)據(jù)技術(shù)及其智能化應(yīng)用5.4.3基于指令域大數(shù)據(jù)實現(xiàn)的智能化應(yīng)用（1）基于指令域分析方法的工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)框架工藝參數(shù)優(yōu)化的本質(zhì)是根據(jù)質(zhì)量提高、效率提升、成本降低和節(jié)能環(huán)保等目標(biāo)，通過調(diào)整進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度等工藝參數(shù)，達到單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化的過程。5.4指令域大數(shù)據(jù)技術(shù)及其智能化應(yīng)用5.4指令域大數(shù)據(jù)技