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      基于物理信息系統的工廠智能化

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-04-01   來源:上海電力大學   作者: 彭鵬; 楊寧;代作曉; 孫海銘   瀏覽次數:12901
      工廠信息化制造系統主要分為三個模塊,ERP系統、MES系統、PDM系統。工廠智能化改造就是要將三個系統整合為一體。實現從用戶下單到產品交付整個周期的高度智能化。本文以激光加工木藝產品工廠為了列,論述基于美國美國國家科學基金會信息物理系統(CPS)架構模型技術路線實現工廠智能化升級論題。
      1 引言
      隨著全球經濟結構的變化,工業領域在全世界范圍內作用越來越突出,是推動科技進步,經濟增長和社會穩定的中堅力量。在科技日新月異的當下,市場競爭也越來越激烈?蛻魧Ξa品的質量,個性化定制及交付周期等都提出了更高的要求。在這樣的壓力下,企業必須不斷提高生產力水平,以更少的能源和資源完成產品的生產才能在激烈的市場競爭中占有一席之地。生產力的提高就在于虛擬生產和現實生產環境相融合,采用計算機技術,嵌入式技術,自動化技術及服務,以此壓縮生產周期提高生產效率及靈活性。為此,對工業生產新模式的探索及傳統工廠智能化改造被提上日程,受到各國的高度重視。
       
      在全球范圍內看工業發展主要經歷了“工業1.0”蒸汽時代,“工業2.0”電氣時代,“工業3.0”信息化時代及“工業4.0”利用信息化技術促進產業變革的時代。為了適應快速發展的時代要求及在國際競爭中搶占話語權,世界主要工業強國和大國紛紛出臺了一系列的工業發展戰略計劃。2011年11月德國政府提出“工業4.0”計劃,旨在提升制造業的智能化水平。2012年美國通用電氣提出“工業互聯網”這一概念,本質是將虛擬網絡與實體連接,形成更加高效的生產系統,希望用互聯網激活傳統工業,保持制造業的長期競爭力。2015年5月8日我國政府公布了《中國制造2025》戰略,提出中國制造強國建設三個十年的“三步走”戰略中的第一個十年的行動綱領。無論是“工業4.0”“工業互聯網”還是《中國制造2025》其目的都是為了實現工業生產的智能化。隨著科技的發展虛擬世界與現實世界相融合的思想受到各國的高度重視,這一思想也將會助力工業生產邁上新的臺階。
       
      2 信息物理系統(CPS)

      CPS最早在2006年由美國國家科學基金會上由Helen Gill提出,從此多個國家和組織都給出了CPS定義,但是側重點各不相同。美國國家標準與技術研究院(NIST)對CPS定義則側重于獨立單元的功能與之間的交互,即將具有通信、計算、傳感等功能的驅動器作為最小單元,強調它們之間的實時交互。德國國家科學與工程院(A Catech)定義CPS更加強調數據獲取、處理和反饋。在之后對CPS的研究中德國希爾教授又提出過“Y”模型,NSF智能維護系統產學合作中心主任李杰教授又提出了“5C”技術架構。
       
      CPS全稱為“Cyber-Physical system”,學者趙敏認為其應該翻譯成“賽博物理系統”他的理由是信息是“賽博系統”的控制對象,而不是賽博系統本身。而更加普遍的觀點則是把CPS翻譯成“信息物理系統”。即信息世界與物理世界相融合的系統。無論是哪種觀點它們的共同點都提到了控制信息與物理世界,這也是CPS最大的特點即現實世界與物理世界相融合。同時CPS是一個具有控制屬性的網絡,且在控制對象種類和數量上尤其是網絡規模上遠遠超過現有的工控網絡。因為CPS是涉及人和生物等感知的智能控制系統,因此更加關注系統資源的合理利用和調度優化,力求對大規模復雜系統和環境的實時感知與動態監控;谶@樣要求CPS把通信放在了與計算和控制的同等地位上。
       
      CPS強調信息世界與物理世界通信與相互控制,淡化了現實與虛擬世界的界限因此也被稱為“工業4.0”的實現技術。
       
      3 工廠生產方式的演變過程 
         
                                                                                                                                                                                                                                                          
      在蒸汽機發明以前工廠的生產主要依靠人力,生產效率非常低。直到1698年,英國工程師托馬斯.薩弗里【1】設計了第一臺蒸汽發動機。這臺機器最初是用來將礦井中的水抽出來的因此它被稱為“礦工的朋友”。蒸汽機在工業生產中的運用大大提高了生產效率。到了19世紀70年代各種新技術和發明被用于與工業中。1836年德國科學家韋伯和高斯發明了輸電能力技術。1866年西門子在法拉第電磁感應基礎上提出了發電機原理并制得了第一架工業級發電機,這些技術的成功運用使得工業生產進入了電氣時代。
       
      隨著數字技術的發展和可編程控制器的出現工業領域開始走向自動化。數字技術自身的高安全性及強穩定性為生產設備提供了可靠的運行保障。數字控制的單機設備的普遍使用及工業網絡技術的不斷發展,使得工業生產效率大大提升同時人力投入明顯下降。當下,在計算機技術、軟件技術、傳感器技術、物聯網技術、云計算、大數據等技術的支撐下,工業生產方式將再次揚帆起航向著高度自動化即智能制造的目標奮勇前行。
       
      4 工廠智能化改造思路設計

      目前工廠制造系統主要分為三個模塊,ERP系統、MES系統、PDM系統,F階段這三個系統大多處于獨立狀態,甚至一些中等企業都不具備MES系統。因為企業大多是請軟件公司來開發這些系統,而MES系統因其需要軟件開發人員對產線工藝有較高的了解,因此很難開發出較高效率的MES系統。
      圖1 傳統制造系統分工描述
       
      工廠智能化改造就是要將三個系統整合為一體。實現從用戶下單到產品交付整個周期的高度智能化。本文以激光加工木藝產品工廠為了列,為實現這一目標本文從以下幾個方面對工廠的智能化改造提出設計思路。
       
      首先,對加工原材料進行信息化管理。工廠通過條碼技術對每塊原材料進行基礎信息(產地,入庫時間,尺寸,形狀,密度,等級等)錄入原材料管理數據庫,使每塊原材料都有唯一與之對應的條形碼。然后將工廠的智能生產設備(智能激光雕刻機)與工廠服務器連接,用戶通過網絡訪問服務器上傳加工信息,由MES系統分配加工,實現柔性生產。
       
      為了實現加工產品信息的全生命周期可追溯,當AGV小車將原材料送入激光雕刻機之前,讀碼器將原材料上的條形碼信息復制到本地存儲器。加工完成材料離開雕刻機后,打碼器讀取本地存儲器內容并生成條形碼重新粘貼在加工后的工件上。同時服務器中的加工參數增添到與該原材料條形碼對應的原材料數據庫中的表中。其流程如圖二所示:
      圖2 化木藝加工智能化生產流程圖
       
      實現工廠智能化生產的關鍵在于實現信息世界和物理世界的相互融合。信息世界控制物理世界,物理世界的結果影響著信息世界。
       
      5 結束語

      制造業的發展水平是一個國家綜合實力具體體現,世界主要制造強國都紛紛提出了各自的發展戰略。歷史原因我國錯失了前幾次工業革命,為了在世界制造業中占有一席之地,2015年我國政府提出了《中國制造2025》的發展戰略。這一戰略的核心是實現兩化融合,將采取“總體規劃,分布實施,重點突破,全面推進”的發展策略。最終形成單機智能設備、智能產線、智能車間、智能工廠、不同地域行業企業的智能工廠互聯的制造系統。在該系統中工廠實現柔性制造,個性化定制成為主流。每件產品將實現全生命周期信息可追溯。
       
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      作者簡介:彭鵬 (1990 -)男 碩士 上海電力大學  研究方向:工件與設備信息交互系統在智能產線中的運用 
       
       
       
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