基于opcua的模具制造制造互聯互通技術研究

基于opcua的模具制造制造互聯互通技術研究

0《中國制造2025》模具制造概述隨著信息變革時代的到來，工業(yè)領域的信息競爭日益激烈。智能制造迎來了全球熱潮，以德國、美國為主的歐美發(fā)達國家分別提出了“德國工業(yè)4.0”和“美國先進制造/工業(yè)互聯網”等制造發(fā)展戰(zhàn)略，力圖在新一輪競爭中保持領先。面對制造業(yè)信息革命帶來的機遇與挑戰(zhàn)，我國制定了《中國制造2025》強國戰(zhàn)略模具制造屬于傳統(tǒng)離散型裝備制造業(yè)，相比于制造業(yè)中其他制造類型，模具制造具有零件結構復雜、單件生產、質量要求高、過程復雜等特點。模具制造常用設備有CNC加工中心、電火花加工機床等，雖然加工制造設備正向智能化的方向發(fā)展以下從智能制造互聯互通角度出發(fā)，通過對數字化車間裝備與管理系統(tǒng)之間交互作用的分析，闡述了面向模具裝備制造業(yè)互聯互通技術物理和網絡層面的構成，介紹了基于OPCUA統(tǒng)一架構的模具裝備制造業(yè)互聯互通信息模型，并對基于OPCUA模具裝備制造業(yè)互聯互通的研究方法進行了探討。1針對制造業(yè)的連通性技術1.1國家智能制造標準系建設指南互聯互通是國家工信部和國家標準委聯合發(fā)布的《國家智能制造標準系建設指南》根據2018年國家智能制造標準化總體組發(fā)布的《智能制造基礎共性標準研究成果》1.2模具裝備制造業(yè)互聯互通技術分析按照工業(yè)生產的產品形態(tài)和生產工藝組織方式，可將工業(yè)行業(yè)分為流程工業(yè)和離散工業(yè)2種典型的類型模具裝備制造業(yè)互聯互通應用層面就是實現裝備之間、裝備與生產管理系統(tǒng)間有效信息共享交互1.3基于兩大體系的模具制造過程管理實現模具制造過程中的互聯互通，其關鍵是要實現模具制造裝備中電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工等單條自動線的加工制造信息的交互，實現以電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工為主的模具制造過程的自動化與信息化。智能制造系統(tǒng)的組成中，MES系統(tǒng)及其構成部分是實現智能制造的關鍵環(huán)節(jié)，在制造業(yè)信息化過程中起著協調和傳遞企業(yè)生產計劃和生產信息的紐帶作用車間層主要負責模具加工制造的過程管理，包括排產、生產及物流調度等任務，主要由MES、WMS調度等系統(tǒng)組成。單元層負責模具制造過程中數據采集、監(jiān)控及控制，主要包括數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、人機界面（HMI）等，負責對工業(yè)機器人上下料邏輯執(zhí)行控制、加工機床的程序下載與運行、條碼或RFID識別控制、HMI顯示等生產操作監(jiān)控。設備層負責完成模具加工、檢測、運輸、存儲等任務，加工設備主要完成鋼件與電極加工，分為鋼件CNC加工、電極CNC加工、鋼件EDM加工等類型；檢測設備主要完成加工后的模具電極尺寸檢測任務，通常采用三坐標測量儀；運輸主要由工業(yè)機器人與AGV小車完成；存儲設備主要完成模具鋼件與電極整個制造過程的存儲任務，由料架、立體庫、預設平臺等組成。模具制造過程互聯互通，就是要實現從加工指令源頭到執(zhí)行過程的自動化和信息化，推動模具智能制造理念貫徹實施。1.4ot與it融合的主要研究內容工業(yè)互聯網是實現系統(tǒng)工業(yè)通信網絡（OT）+連接信息系統(tǒng)與終端的數據通信網絡（IT）融合的重要載體和關鍵平臺目前主流工業(yè)互聯網機構以連接生產現場設備與OT+IT形式為主目前，工業(yè)物聯網（IIoT）、工業(yè)互聯網、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重點。隨著“互聯網+”不斷地滲透到工業(yè)領域，模具裝備網絡整體網絡布局可以直接以互聯網模式進行，具體實現方式是模具裝備通過以太網等方式在車間局域網進行串并聯，通過互聯網接入云平臺，實現模具裝備的互聯互通，如圖5所示。2模型與連接信息的連接研究及方法2.1opcua在通訊領域的應用制造系統(tǒng)內信息的互聯互通是實現智能制造的關鍵基礎，其核心是標準化的信息模型OPC統(tǒng)一架構（OLEforprocesscontrolunifiedarchitecture,OPCUA）是一套安全、可靠且獨立于制造商和平臺，并用于工業(yè)通訊的數據交互標準規(guī)范國內外對OPCUA在不同領域的應用研究取得了一些進展。在工業(yè)裝備制造領域，王立平等2.2基于opcua模具制造車間互聯網架構的實踐探索模具裝備制造業(yè)互聯互通目前研究還未見報道，對于利用OPCUA建立模具裝備信息模型來實現模具數字化車間制造互聯互通，可以從以下幾點進行研究。(1)OPC基金會已經發(fā)布了OPC信息模型規(guī)范，此外還有CNC系統(tǒng)信息模型、機器人信息模型、PLC設備信息模型等相關配套的規(guī)范。利用這些伴隨標準對模具制造數字化車間中CNC設備、EDM設備、工業(yè)機器人等進行加工制造信息的分析，對模具裝備制造信息模型進行設計，通過對具體實現方式選擇，如XML文件形式、信息模型建模工具等，對所建立的模型完整性進行評估和完善，最終構建模具制造車間實例化信息模型。(2)2020年7月發(fā)布的國家標準《基于OPCUA的數字化車間互聯網絡架構》（GB/T38869-2020），給出了面向機械加工行業(yè)的OPCUA架構應用導則。模具裝備制造領域涵蓋的設備有CNC機床、EDM機床、工業(yè)機器人、電極和鋼件的倉儲物流系統(tǒng)等。通過對模具制造車間裝備進行互聯網絡架構設計，如圖6所示，可實現以CNC機床、EDM機床等加工設備為主，上下料機器人、智能倉儲設備、AGV小車等為輔的模具裝備網絡的互聯互通。(3）利用OPCUA協議棧軟件進行互聯互通工作的開展。目前市面上OPCUA可用協議棧軟件已經相對成熟，商用的有MatrikonOPC、Softing、UnifiedAutomationOPCUA開發(fā)套件；開源的有open62541、UA-.NETStandard等開源OPCUA，其中open62541實現了OPCUA二進制協議棧以及客戶端和服務器SDK。最終服務器二進制文件的大小可低于100kB，具體取決于所選功能和信息模型的大小，所有代碼是經過OPC基金會認證的完全開源實現，建議使用基于開源的open62541來實現OPCUA3基于互聯網的模具制造新模式針對模具裝備制造業(yè)數字化車間互聯互通技術進行了剖析，通過對互聯互通概念的闡述，綜述了模具裝備制造業(yè)互聯互通技術的研究需求與研究現狀，得到如下結論。(1）實現模具制造過程中的互聯互通，其關鍵是要實現模具制造裝備中電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工等單條自動線的加工制造信息的交互，實現以電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工為主的模具制造過程的自動化與信息化。(2）目前，工業(yè)物聯網（IIoT）、工業(yè)互聯網、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重點。模具裝備制造業(yè)整體網絡可以直接