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(jīng)濟(jì)的重要支柱和基礎(chǔ)。我國正在大力推進(jìn)“中國制造 2025”，核心在于智能制造，綠色制造以及生產(chǎn)經(jīng)營活動的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)向傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)從單個(gè)企業(yè)到產(chǎn)品全生命周期，乃至整個(gè)社會生產(chǎn)制造活動的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)感知、傳送、分析和處理，實(shí)現(xiàn)動態(tài)資源配置和智能化決策。企業(yè)應(yīng)該抓住機(jī)遇，及時(shí)進(jìn)行設(shè)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(shè)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(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)

2、算等技術(shù)，對車間設(shè)備進(jìn)行設(shè)備、生產(chǎn)狀態(tài)、能源消耗及異常情況的透明化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化與實(shí)時(shí)互動，提高產(chǎn)能利用率、設(shè)備開動率和生產(chǎn)訂單在車間設(shè)備層面安排的可行性與執(zhí)行情況的透明度、提高生產(chǎn)管理的有效性與效率，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化，進(jìn)而減少訂單生產(chǎn)的時(shí)間、提高質(zhì)量、降低成本并提高客戶的滿意度。某空調(diào)廠包括 1個(gè)供氣車間、3個(gè)裝配車間和 5個(gè)鈑金車間。在空調(diào)的生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的“透明監(jiān)控”，實(shí)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(chǎn)效率和促進(jìn)節(jié)能減排，為企業(yè)進(jìn)行科學(xué)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(shí)時(shí)連通，形成生產(chǎn)的閉環(huán)管理，使生產(chǎn)計(jì)劃更準(zhǔn)確、更科學(xué)，實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化管理。建設(shè)面向上下游合作伙伴的供應(yīng)鏈智能管理，以“工業(yè) 4.0”理念為指引，把互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和機(jī)器人等進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)智能工廠、智能制造和智能物流，以分布式計(jì)算方法來整合生產(chǎn)過程、改變生產(chǎn)流程，最終縮短生產(chǎn)時(shí)間，減少中間環(huán)節(jié)，提高工業(yè)效率，使得整個(gè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)與功能所謂智能制造，就是面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。基于大數(shù)據(jù)的智能化制造系統(tǒng)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)和擬人化智能技術(shù)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化

4、的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程、制造過程和制造裝備智能化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化定制和品質(zhì)分析預(yù)測，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)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(chǎn)等先進(jìn)理念，以打造數(shù)字化工廠為原則，以數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集、智能精確排產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場交互管理、物料管理、設(shè)備管理、工具管理、過程質(zhì)量管理及決策支持等，涵蓋車間生產(chǎn)管理的方方面面，達(dá)到全過程透明監(jiān)控、生產(chǎn)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(gòu)主要系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1所示。除基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)外，本系統(tǒng)由 6個(gè)功能子系統(tǒng)組成：設(shè)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(chǎn)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(chǎn)計(jì)劃排程子系統(tǒng)；異常事件監(jiān)測、報(bào)警與處理子系統(tǒng)；智能集成綜合報(bào)表子系統(tǒng)。2.硬件總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件由本地子系統(tǒng)、管理中心系統(tǒng)和遠(yuǎn)程應(yīng)用子系統(tǒng)組成。本地子系統(tǒng)由設(shè)備狀態(tài)采集與控制模塊、生產(chǎn)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(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成，管理中心系統(tǒng)由通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器群（包括 Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、存儲服務(wù)器和流媒體服務(wù)器）、大屏幕顯

6、示系統(tǒng)及 PC工作站組成；遠(yuǎn)程應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖 2所示。（1）大屏顯示系統(tǒng)。數(shù)字化生產(chǎn)是智能制造的終極目標(biāo)，管理者能夠在中央控制室通過實(shí)時(shí)采集的工廠信息實(shí)時(shí)調(diào)度安排設(shè)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(shí)時(shí)顯示所有設(shè)備及產(chǎn)品生產(chǎn)與人員等狀況，可以供領(lǐng)導(dǎo)決策層決策會議需要的、具有良好用戶體驗(yàn)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(chǎn)、人員、訂單及設(shè)備任務(wù)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(xì)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(shù)，支持圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)支持多個(gè)光機(jī)高速并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率，可以完整顯示各類信號源，實(shí)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(gè)屏幕可精細(xì)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(hù)操作人員的身心健康。大屏顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)現(xiàn)場視頻、設(shè)備生產(chǎn)狀況、顯示生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度、能耗信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備與視頻報(bào)警信息等，支持產(chǎn)品、人員和設(shè)備等信息的關(guān)聯(lián)顯示。大屏顯

8、示系統(tǒng)可按按客戶需求進(jìn)行任意劃分，實(shí)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(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊。設(shè)備狀態(tài)采集與控制模塊、生產(chǎn)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(wǎng)、現(xiàn)場總線與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，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(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)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(shè)備總電源接口，測量相應(yīng)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(jì)量芯片、單片機(jī)、

9、存儲單元、LCD顯示器、電源模塊和 RS232接口等構(gòu)成。（4）智能交互終端。設(shè)備層面智能交互終端是獲取設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行、質(zhì)量和訂單流轉(zhuǎn)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(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程等設(shè)備操作人員所需的各種信息，供操作人員錄入或確認(rèn)生產(chǎn)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(shè)備進(jìn)行 DNC聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以智能化排產(chǎn)為技術(shù)核心，以設(shè)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(zhǔn)備及刀具準(zhǔn)備等相關(guān)工作的協(xié)同制造環(huán)境，對生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行管理、拆分和下達(dá)，將車間管理、質(zhì)量檢測、庫存管理集于一體，達(dá)成了車間完工及時(shí)檢驗(yàn)、及時(shí)入庫和及時(shí)反饋。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)

10、過程中各個(gè)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)的信息共享，大大地降低了各種出錯(cuò)率。系統(tǒng)由 8大功能組成：設(shè)備狀態(tài)功能：主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動采集、網(wǎng)絡(luò)通訊、嵌入式程序開發(fā)與仿真等三部分內(nèi)容。生產(chǎn)過程功能：包括計(jì)劃管理、作業(yè)管理、協(xié)同制造管理、現(xiàn)場信息管理和質(zhì)量管理等。能源動力功能：包括能源動力監(jiān)測、需求響應(yīng)協(xié)同、能效分析和應(yīng)急備案等。視頻監(jiān)控功能：包括生產(chǎn)現(xiàn)場與關(guān)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(yù)測分析和可視化等。生產(chǎn)計(jì)劃排程功能：包括智能預(yù)排產(chǎn)、生產(chǎn)執(zhí)行部門確認(rèn)、生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)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(bào)警、應(yīng)急處理知識庫、預(yù)案生產(chǎn)和執(zhí)行監(jiān)控

11、等。智能集成綜合報(bào)表功能：該部分提供各類統(tǒng)計(jì)分析功能，為生產(chǎn)管理人員、計(jì)劃、調(diào)度、編程、設(shè)備、庫房、質(zhì)量和操作工等各類人員提供豐富的報(bào)表、餅圖和柱圖等分析報(bào)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(yùn)行效果項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備聯(lián)機(jī)透明化，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)產(chǎn)量、實(shí)時(shí)上報(bào)、實(shí)時(shí)效率分析和實(shí)時(shí)能耗統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)過程自動化；將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用從 IT領(lǐng)域拓展到制造業(yè)和能源領(lǐng)域，提高制造靈活性和速度，提升設(shè)備綜合效率以及客戶滿意度，達(dá)到綠色制造、智能制造的目的。1.設(shè)備透明監(jiān)控伴隨著制造業(yè)的透明度增加，適當(dāng)?shù)膫鞲衅餮b置

12、可以提取各種信號，如振動、壓力等，同時(shí)也可以收集歷史數(shù)據(jù)用于進(jìn)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(nèi)的設(shè)備綜合效率。通過該預(yù)測能力，設(shè)備通過適時(shí)維護(hù)可以有效地管理成本。最后，歷史健康信息可以反饋到設(shè)備設(shè)計(jì)者，用于閉環(huán)生命周期的重新設(shè)計(jì)。通過數(shù)據(jù)整合平臺、預(yù)測分析和可視化工具進(jìn)行信號處理和特征提取、健康評估、性能預(yù)測和故障診斷。利用可視化工具，可通過雷達(dá)圖、故障圖、風(fēng)險(xiǎn)圖和健康退化曲線有效地傳達(dá)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(shí)現(xiàn)加工工件數(shù)量和平均能耗的機(jī)器計(jì)算，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的流水作業(yè)智能化統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)過程工序監(jiān)控，取代了傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)方式，最大限度的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)型企

13、業(yè)的信息化、智能化，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)設(shè)備利用率，從海量數(shù)據(jù)中分析出制約生產(chǎn)的瓶頸原因所在。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度在電力峰谷期的合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對電力需求管理的自動響應(yīng)，最大限度達(dá)到節(jié)能減排的目的。2.生產(chǎn)過程監(jiān)控通過對工位實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助用戶實(shí)現(xiàn)透明化生產(chǎn)過程管理，實(shí)時(shí)地獲知設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，了解在制品的加工和裝配過程，減少異常處理時(shí)間，彌補(bǔ)了產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，由于缺件、倒線所造成的工時(shí)空耗和空線現(xiàn)象，提高準(zhǔn)時(shí)完工率和交貨率，提高生產(chǎn)線上的工時(shí)利用率和生產(chǎn)效率。根據(jù)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)進(jìn)度制訂準(zhǔn)確、科學(xué)的生產(chǎn)計(jì)劃；全過程實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤。準(zhǔn)確了解在制品的工位位置和狀態(tài)信息，為產(chǎn)品問題的跟蹤和質(zhì)量追溯提供精確依據(jù)。對生產(chǎn)本身進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)控

14、，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過快速處理、傳遞，反饋至生產(chǎn)過程及其涉及的產(chǎn)業(yè)鏈的鏈條中，從而使得生產(chǎn)過程高品質(zhì)的進(jìn)行。例如在過去，在設(shè)備運(yùn)行的過程中，自然磨損本身會使產(chǎn)品的品質(zhì)發(fā)生一定的變化。隨著個(gè)性化生產(chǎn)的推進(jìn)，產(chǎn)品生產(chǎn)所涉及的自然環(huán)境因素、突發(fā)因素和設(shè)備條件等變量會進(jìn)一步增多，這種磨損對整個(gè)生產(chǎn)帶來的影響會被放大。通過信息處理技術(shù)及互聯(lián)技術(shù)，生產(chǎn)過程中的這些因素才能被精確控制，從而真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化。通過工廠層面的設(shè)備革新，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，大數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)品能夠具有服務(wù)價(jià)值，從而使得智能制造設(shè)備根據(jù)處理后的信息，進(jìn)行判斷、分析、自我調(diào)整、自動驅(qū)動生產(chǎn)加工和品質(zhì)保持，直至最后的產(chǎn)出步驟。3.大數(shù)據(jù)增值利用

15、在設(shè)備透明監(jiān)控、生產(chǎn)過程監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲和挖掘利用，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者個(gè)性化需求。由于消費(fèi)者眾多，每個(gè)人的需求不同導(dǎo)致需求的具體信息也不同，加上需求的不斷變化，就構(gòu)成了供應(yīng)商的大數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而傳遞給智能設(shè)備，進(jìn)行運(yùn)算，設(shè)備調(diào)整，材料準(zhǔn)備與自動加工等步驟，才能生產(chǎn)出符合個(gè)性化需求的產(chǎn)品。消費(fèi)需求的個(gè)性化要求傳統(tǒng)制造業(yè)突破現(xiàn)有的生產(chǎn)方式與制造模式，根據(jù)消費(fèi)需求海量數(shù)據(jù)與信息，進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理與傳遞；而在進(jìn)行這些非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)信息與數(shù)據(jù)也是大量的，需要及時(shí)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(wǎng)在智能制造設(shè)備交匯，由智能制造設(shè)備進(jìn)行分析、判斷、決策、調(diào)整和控制開展智能制造過程，確保生產(chǎn)出高品質(zhì)個(gè)性化產(chǎn)品。四、結(jié)語某公司的基于