- 基于物聯(lián)技術(shù)的多智能體制造系統(tǒng)
- 張澤群 朱海華 唐敦兵
- 6751字
- 2021-04-30 21:36:13
2.4 物聯(lián)制造系統(tǒng)組織架構(gòu)
2.4.1 物聯(lián)技術(shù)概述
隨著2009年“感知中國(guó)”概念的提出,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展起來(lái)。《中國(guó)制造 2025》中提出,要將新興的信息技術(shù)與制造業(yè)融合,實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程工序智能化、加工設(shè)備智能化、物流設(shè)備智能化以及生產(chǎn)過(guò)程管理智能化,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造車間的智能化。近年來(lái),傳統(tǒng)制造業(yè)與新一代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速融合發(fā)展,根據(jù)實(shí)時(shí)采集的制造車間現(xiàn)場(chǎng)信息可以實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備及時(shí)控制、狀態(tài)及時(shí)反饋、異常及時(shí)感知。
物聯(lián)網(wǎng)與制造車間的融合也加快了生產(chǎn)調(diào)度算法的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)高效獲取車間實(shí)時(shí)資源信息和生產(chǎn)信息的能力,為調(diào)度算法,尤其是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度算法提供了數(shù)據(jù)層面的支持,從而使得調(diào)度算法更加準(zhǔn)確實(shí)時(shí)。動(dòng)態(tài)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確定位事故地點(diǎn)和事故原因,及時(shí)調(diào)用相關(guān)人員或抗擾動(dòng)策略來(lái)解決問(wèn)題。
1995年比爾·蓋茨寫(xiě)的《未來(lái)之路》一書(shū)中提到了“物物互聯(lián)”一詞。1999年由麻省理工學(xué)院自動(dòng)標(biāo)識(shí)研究中心提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念:物聯(lián)網(wǎng)就是把所有物品通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別等信息互聯(lián)傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連接,實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別與管理。2005年國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)正式將物聯(lián)網(wǎng)定義為:通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
物聯(lián)技術(shù)被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后,世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一大熱潮,受到全球政界、商界和學(xué)術(shù)界的重視,已成為當(dāng)今信息技術(shù)研究關(guān)注的重點(diǎn)。各國(guó)政府相繼推出相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃。日本提出了“U-Japan”計(jì)劃,歐盟發(fā)表了歐洲物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃,美國(guó)將“智慧地球”上升為國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)也提出了“感知中國(guó)”計(jì)劃,并在十一屆全國(guó)人大三次會(huì)議的政府工作報(bào)告中將物聯(lián)網(wǎng)列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。
在物聯(lián)網(wǎng)的熱潮下,物聯(lián)技術(shù)開(kāi)始向制造業(yè)滲透,物聯(lián)技術(shù)與制造技術(shù)的融合勢(shì)在必行。典型的物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-17所示,主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其特點(diǎn)為動(dòng)態(tài)感知、穩(wěn)定傳輸、實(shí)時(shí)處理。感知層包括加工設(shè)備、機(jī)械手、AGV等制造執(zhí)行機(jī)構(gòu),以及紅外、RFID等傳感器組成的傳感網(wǎng)絡(luò)。感知層實(shí)現(xiàn)了物理制造資源的互聯(lián)、互感,確保制造過(guò)程中生產(chǎn)制造信息能夠?qū)崟r(shí)、精確和可靠地獲取。傳輸層的基本功能是利用多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),將感知層采集到的信息無(wú)障礙、可靠、安全地進(jìn)行傳輸。應(yīng)用層的基本功能是對(duì)物聯(lián)制造系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,為制造系統(tǒng)提供制造資源實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度、物料優(yōu)化配送等多種服務(wù),實(shí)現(xiàn)物聯(lián)制造系統(tǒng)執(zhí)行信息的全面溯源、動(dòng)態(tài)感知和智能管理。

圖2-17 物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)
物聯(lián)制造技術(shù)利用物聯(lián)、傳感和通信技術(shù)加強(qiáng)生產(chǎn)制造信息的管理和服務(wù),形成各類制造資源物物互聯(lián)、互感,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的工人、工序、工件、工時(shí)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和精確計(jì)算,從而減少人工干預(yù),提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性,實(shí)現(xiàn)車間實(shí)時(shí)化、透明化管理。在實(shí)現(xiàn)客戶高度個(gè)性化需求的同時(shí),保證產(chǎn)品的質(zhì)量和效率,并控制生產(chǎn)成本和制造時(shí)間,最終形成一個(gè)高效、敏捷、柔性的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。
在國(guó)外方面,Paulo等人研究了在信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,CPS)環(huán)境下工業(yè)系統(tǒng)的多智能體系統(tǒng)控制方案。McFarlane等人提出了帶有RFID標(biāo)簽的智能產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品與自身加工信息的耦合,方便了產(chǎn)品與加工單元之間的自主信息交互。Dimitropoulos等人結(jié)合MAS技術(shù),提出了基于Agent技術(shù)的物聯(lián)設(shè)備控制管理方式。許多傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭,也開(kāi)始嘗試物聯(lián)制造生產(chǎn)方式。例如,西門(mén)子數(shù)字化工廠利用物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物流和質(zhì)檢的高度自動(dòng)化,將產(chǎn)品交貨期縮短了50%;空客為所有關(guān)鍵零部件添加了大容量 RFID 標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、檢測(cè)、使用、維修、報(bào)廢的產(chǎn)品全生命周期信息檢測(cè)和管理;IBM提出了物聯(lián)3.0的概念,著重研究物聯(lián)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的融合,提升物聯(lián)制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和處理能力。
在國(guó)內(nèi)方面,雖然物聯(lián)制造技術(shù)仍處于發(fā)展的初級(jí)階段,但已經(jīng)受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,并且有越來(lái)越多的學(xué)者和企業(yè)參與到該領(lǐng)域的研究中。在政策層面,國(guó)家《“十二五”制造業(yè)信息化科技工程規(guī)劃》中已明確將制造物聯(lián)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用作為研究重點(diǎn),并提出要以制造智能化為目標(biāo),將物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到制造系統(tǒng)的各個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤、智能管理和優(yōu)化控制,提高生產(chǎn)效率、降低物流成本。在研究層面,西北工業(yè)大學(xué)的張映峰等人嘗試?yán)梦锫?lián)技術(shù)對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)進(jìn)行改造,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)技術(shù)的MES體系構(gòu)架,并提出了相應(yīng)的技術(shù)關(guān)鍵和實(shí)現(xiàn)框架。華南理工大學(xué)的姚錫凡等人研究了物聯(lián)制造的定義,并對(duì)物聯(lián)制造系統(tǒng)應(yīng)該具備的關(guān)鍵特征進(jìn)行了總結(jié)。中國(guó)海洋大學(xué)的侯瑞春等人從企業(yè)角度出發(fā),提出了面向車間、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的物聯(lián)制造技術(shù)構(gòu)架。香港大學(xué)的黃國(guó)全等人提出了一種基于“即插即用”式RFID設(shè)備的物聯(lián)制造系統(tǒng)構(gòu)建解決方案,并已經(jīng)開(kāi)始同企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目合作。
2.4.2 物聯(lián)制造車間的特點(diǎn)
物聯(lián)制造車間是基于物聯(lián)技術(shù),向制造工廠提供信息化、專業(yè)化、數(shù)據(jù)化的系統(tǒng)構(gòu)建方法,將信息技術(shù)利用至生產(chǎn)車間,進(jìn)一步對(duì)制造裝備進(jìn)行信息化構(gòu)建,從而使制造工廠更加透明,制造過(guò)程不再盲目。
物聯(lián)制造車間是數(shù)據(jù)獲取、處理與制造過(guò)程高度融合的車間,其具備以下特點(diǎn)。
(1)進(jìn)度監(jiān)控,在線調(diào)度。在傳統(tǒng)車間中,監(jiān)測(cè)人員每天會(huì)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)狀況,根據(jù)車間數(shù)據(jù)繪制生產(chǎn)報(bào)表,以此反映生產(chǎn)進(jìn)度,經(jīng)常出現(xiàn)上報(bào)延誤、生產(chǎn)異常處理不及時(shí)等情況,導(dǎo)致車間效率較低。在物聯(lián)制造車間中,設(shè)備都連接在同一局域網(wǎng)內(nèi),采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以及時(shí)反饋,并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)設(shè)備報(bào)警、負(fù)載異常、進(jìn)度問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè),車間管理人員根據(jù)預(yù)測(cè)情況及時(shí)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行跟蹤調(diào)度,保證交貨期。對(duì)于出現(xiàn)工藝故障、生產(chǎn)指令下達(dá)錯(cuò)誤的情況,通過(guò)物聯(lián)系統(tǒng)對(duì)車間設(shè)備直接鎖定,并根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度,保證生產(chǎn)質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。
(2)實(shí)時(shí)狀態(tài),全面監(jiān)控。在傳統(tǒng)制造車間內(nèi),生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要班組巡視、人工觀察獲取,隨著車間不斷擴(kuò)大,設(shè)備不斷增多,人員配備就更加龐大,而且數(shù)據(jù)上報(bào)不及時(shí)。在物聯(lián)制造車間,設(shè)備狀態(tài)可以自監(jiān)控。通過(guò)局域網(wǎng)連接,設(shè)備各種運(yùn)行狀態(tài)如開(kāi)關(guān)機(jī)、運(yùn)行狀態(tài)、加工過(guò)程等,可以直接采集并反饋。根據(jù)采集的數(shù)據(jù),制作多種類型對(duì)比分析圖表,支持各種終端顯示,一目了然,增強(qiáng)數(shù)據(jù)可讀性。
(3)標(biāo)準(zhǔn)接口,開(kāi)放集成。物聯(lián)制造車間中的制造裝備,會(huì)根據(jù)車間控制要求和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類提供需要的接口。該接口一般具有標(biāo)準(zhǔn)形式和統(tǒng)一規(guī)范,以便于調(diào)用統(tǒng)一接口實(shí)現(xiàn)不同種類設(shè)備的控制,并且可以與工控軟件系統(tǒng)集成。基于標(biāo)準(zhǔn)接口,可以進(jìn)一步實(shí)行車間層軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)制造環(huán)境的多設(shè)備控制系統(tǒng)。
(4)設(shè)備聯(lián)網(wǎng),狀態(tài)共享。傳統(tǒng)制造裝備只作為個(gè)體存在于制造車間中,自身狀態(tài)信息無(wú)法與其他制造裝備共享,同時(shí)不能根據(jù)環(huán)境信息及時(shí)進(jìn)行加工狀態(tài)調(diào)整。在物聯(lián)制造環(huán)境下,制造過(guò)程是通過(guò)制造裝備彼此協(xié)作完成的,制造裝備間必須實(shí)現(xiàn)狀態(tài)共享,包括當(dāng)前工件加工信息、工藝步驟信息以及裝備運(yùn)轉(zhuǎn)信息。通過(guò)狀態(tài)共享,能夠更好地獲得車間運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),及時(shí)進(jìn)行加工調(diào)整,提高制造裝備運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2.4.3 物聯(lián)環(huán)境下多源信息采集
在智能制造背景下,分散在制造系統(tǒng)獨(dú)立單元中的數(shù)據(jù)資源被重新賦值,把異構(gòu)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)類型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化采集、集成與挖掘等處理,實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)模式下的功能驅(qū)動(dòng)向工業(yè) 4.0 時(shí)代數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造模式變革。制造過(guò)程大數(shù)據(jù)在由客戶端產(chǎn)品需求到資源端產(chǎn)品輸出的完整生態(tài)鏈中,先后集成了研發(fā)設(shè)計(jì)、物料采購(gòu)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售及產(chǎn)品售后五個(gè)階段。通過(guò)物聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)分布式生產(chǎn)設(shè)備與工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)集成中間件公共模式,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中產(chǎn)生的制造資源數(shù)據(jù)、制造過(guò)程數(shù)據(jù)和制造任務(wù)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與集成。物聯(lián)環(huán)境下多源信息采集與集成方案如圖2-18所示。

圖2-18 物聯(lián)環(huán)境下多源信息采集與集成方案
1.完整制造生態(tài)鏈中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集
數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)大量原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集,為數(shù)據(jù)集成階段提供原始數(shù)據(jù)源。針對(duì)不同類型生產(chǎn)制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),采用不同的數(shù)據(jù)采集方法和工具。針對(duì)典型的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景,其結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用RFID、傳感器、設(shè)備控制系統(tǒng)自身接口等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法;而針對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),為滿足更加實(shí)時(shí)性、精確性的采集要求,利用腳本編程,開(kāi)發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),兼容多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(如Modbus、PROFIBUS、Ethernet等),將設(shè)備連接到服務(wù)器并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.產(chǎn)品制造生態(tài)鏈中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成
針對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)采集到動(dòng)輒幾PB(1PB=1 024TB)的制造數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)集成主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、清洗、轉(zhuǎn)換、降維等預(yù)處理以及構(gòu)建海量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù),為數(shù)據(jù)分析階段提供預(yù)處理后的數(shù)據(jù)源。整合來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù),屏蔽數(shù)據(jù)之間類型和結(jié)構(gòu)上的差異,解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的來(lái)源復(fù)雜、結(jié)構(gòu)異構(gòu)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理和分析,實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)差別訪問(wèn),以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。
3.工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)制造新模式
現(xiàn)有制造企業(yè)向數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型的常用做法是在生產(chǎn)線高度自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,通過(guò)各種工業(yè)管理軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通,屬于管理層橫向的業(yè)務(wù)互聯(lián),這些工業(yè)軟件各司其職,如ERP負(fù)責(zé)資產(chǎn)管理、MES負(fù)責(zé)任務(wù)下放、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)負(fù)責(zé)與設(shè)備通信等。基于工業(yè)軟件的制造模式從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是功能驅(qū)動(dòng)的,對(duì)于制造數(shù)據(jù)按需索取,這樣就會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)被忽略,難以發(fā)揮指導(dǎo)作用。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造模式通過(guò)對(duì)制造生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、集成與挖掘,能夠有效幫助管理者更加合理地規(guī)劃生產(chǎn)計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的科學(xué)決策,最大程度實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化、個(gè)性化、柔性化和自我優(yōu)化。
2.4.4 物聯(lián)制造車間的總體架構(gòu)
通過(guò)對(duì)物聯(lián)制造車間的特點(diǎn)進(jìn)行分析,物聯(lián)制造車間的選中架構(gòu)如圖2-19所示。
物聯(lián)制造車間的結(jié)構(gòu)主要分為制造裝備層、網(wǎng)絡(luò)信息層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及綜合應(yīng)用層。制造裝備層是車間的基礎(chǔ)硬件層,主要由車間中的加工設(shè)備、相關(guān)輔助裝備以及一些傳感設(shè)備、物流設(shè)備組成,具有信息感知和動(dòng)作執(zhí)行功能。信息感知主要由RFID、傳感器等為代表的硬件組成,是物聯(lián)制造車間的數(shù)據(jù)采集源。動(dòng)作執(zhí)行則是車間內(nèi)制造裝備的基本功能,主要由加工設(shè)備、物流設(shè)備、機(jī)械手等實(shí)現(xiàn),其中加工動(dòng)作、工件搬運(yùn)動(dòng)作是車間在制造過(guò)程中的基本動(dòng)作,其產(chǎn)生的動(dòng)作信息以及狀態(tài)信息是物聯(lián)制造車間的基本信息源。
網(wǎng)絡(luò)信息層的硬件部分主要由路由器、交換機(jī)組成,傳輸媒介則由數(shù)據(jù)總線、工業(yè)以太網(wǎng)組成,是物聯(lián)環(huán)境下設(shè)備信息交互的基礎(chǔ)部分。物聯(lián)制造車間在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,設(shè)備采集的信息會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息層進(jìn)行傳輸。在制造過(guò)程復(fù)雜多變的情況下,信息數(shù)據(jù)則會(huì)更加龐大,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性決定車間的物聯(lián)可靠性,因此優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信息層至關(guān)重要。

圖2-19 物聯(lián)制造車間的總體架構(gòu)
數(shù)據(jù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)車間的數(shù)據(jù)管理和通信保障,主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)解析、網(wǎng)絡(luò)管理等。是基于網(wǎng)絡(luò)信息層而實(shí)現(xiàn)的服務(wù)層,該層為綜合應(yīng)用層提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)以及信息管理渠道。數(shù)據(jù)服務(wù)層是物聯(lián)制造車間的數(shù)據(jù)中心,將網(wǎng)絡(luò)信息層的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),并進(jìn)行相關(guān)解析后傳遞至綜合應(yīng)用層。同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)信息層與綜合應(yīng)用層解耦、應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)硬件分離。
綜合應(yīng)用層是物聯(lián)制造車間運(yùn)行應(yīng)用軟件的部分,主要包括車間云端訂單應(yīng)用軟件以及車間綜合信息管理軟件。管理人員通過(guò)應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)車間信息化管理。綜合應(yīng)用層為制造車間提供了初始加工信息,同時(shí)也監(jiān)測(cè)車間的整體運(yùn)行狀況。
2.4.5 物聯(lián)制造車間的物理架構(gòu)
根據(jù)上一小節(jié)的物聯(lián)制造車間總體架構(gòu),再結(jié)合實(shí)際搭建的車間實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立了如圖2-20所示的通用車間層物聯(lián)制造的物理架構(gòu)。

圖2-20 通用車間層物聯(lián)制造的物理架構(gòu)
生產(chǎn)車間的物理資源環(huán)境由自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)械手、加工設(shè)備、工件緩沖區(qū)、AGV、檢測(cè)設(shè)備以及任務(wù)工件等組成,除了任務(wù)工件外其他制造裝備都配備一個(gè)嵌入式工控機(jī)。嵌入式工控機(jī)是一種在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下使用的計(jì)算機(jī)。車間物理資源上的感知設(shè)備描述如下。
1.任務(wù)工件
任務(wù)工件放置在工件托盤(pán)上,工件托盤(pán)上粘有一個(gè)RFID芯片,該RFID芯片在工件加工流程中與工件綁定,存儲(chǔ)著唯一標(biāo)識(shí)該工件的訂單編號(hào)、工件種類、工藝路線、當(dāng)前工序編號(hào)及當(dāng)前工序狀態(tài)等信息。
2.自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)
自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的出庫(kù)位和入庫(kù)位都加裝了紅外線傳感器和 RFID 讀寫(xiě)器。原料出庫(kù)時(shí),紅外線傳感器感知到工件托盤(pán),通過(guò) RFID 讀寫(xiě)器將該工件的固定信息如訂單編號(hào)、任務(wù)序號(hào)等信息和非固定信息如當(dāng)前工序編號(hào)寫(xiě)入托盤(pán)RFID電子標(biāo)簽中。
3.物流設(shè)備
物流設(shè)備即AGV,AGV上加裝了RFID感應(yīng)器。該感應(yīng)器的作用是實(shí)時(shí)感知地圖上的RFID電子標(biāo)簽,通過(guò)解析標(biāo)簽數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身定位,為上層系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流調(diào)度和沖突管理提供實(shí)時(shí)位置信息。
4.工件緩沖區(qū)
工件緩沖區(qū)用來(lái)為加工設(shè)備存儲(chǔ)原料,可以提高加工效率,減少物流系統(tǒng)壓力。工件緩沖區(qū)上的感知設(shè)備包括壓力傳感器和 RFID 讀寫(xiě)器。壓力傳感器用來(lái)感知工件托盤(pán)是否運(yùn)送到位。工件托盤(pán)運(yùn)送到位后,RFID讀寫(xiě)器讀入托盤(pán)標(biāo)簽信息,與接收到的任務(wù)信息進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。工序加工完成后,RFID讀寫(xiě)器負(fù)責(zé)更新托盤(pán)標(biāo)簽中的工序狀態(tài)信息,并根據(jù)工藝路線查詢下一道工序信息。
5.機(jī)械手
機(jī)械手負(fù)責(zé)將緩沖區(qū)的工件夾持到加工設(shè)備上。由于機(jī)械手內(nèi)置了機(jī)器人系統(tǒng),通過(guò)機(jī)器人廠商提供的軟件接口可實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人各個(gè)軸的位置和夾爪狀態(tài),在應(yīng)用層處理后可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手姿態(tài)控制和狀態(tài)監(jiān)控。
6.加工設(shè)備
加工設(shè)備除了承擔(dān)加工工件的職責(zé)外,還需要提供給應(yīng)用層實(shí)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層可以將加工設(shè)備信息如各主軸位置、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、加工進(jìn)度和加工影像等信息實(shí)時(shí)顯示在加工設(shè)備配備的電子看板上,供車間工人巡查。
7.檢測(cè)設(shè)備
工件加工完后,通過(guò) AGV 將工件運(yùn)輸?shù)綑z測(cè)設(shè)備進(jìn)行質(zhì)檢,通過(guò)光學(xué)傳感器對(duì)其切削面進(jìn)行測(cè)量,判斷其加工精度是否符合要求。將測(cè)量結(jié)果通過(guò)傳輸層上傳到檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于上層應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控診斷。
在應(yīng)用層主要通過(guò)下層上傳的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的服務(wù)和應(yīng)用,如用戶訂單進(jìn)度實(shí)時(shí)查看、物流優(yōu)化、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度和車間制造資源實(shí)時(shí)監(jiān)控等。
在物聯(lián)制造車間體系架構(gòu)下,感知設(shè)備和制造裝備的協(xié)同合作保證了生產(chǎn)數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性、一致性和實(shí)時(shí)性,為車間生產(chǎn)過(guò)程的智能、精益管控提供了數(shù)據(jù)支撐。
2.4.6 物聯(lián)制造軟件系統(tǒng)總體框架
裝備智能體構(gòu)建主要分為三層:適配層、交互層、分析決策層。裝備智能體軟件系統(tǒng)構(gòu)建主要分為兩個(gè)部分。第一部分是根據(jù)基本的適配層實(shí)現(xiàn)的管理軟件。管理軟件是對(duì)單體設(shè)備進(jìn)行管理,包括控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、相關(guān)文件傳輸?shù)龋煌瑫r(shí)調(diào)用適配層的監(jiān)測(cè)層接口,從裝備智能體獲取數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)更新至相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中,并可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)整。
軟件系統(tǒng)構(gòu)建第二部分是裝備智能體整體運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)。整體運(yùn)行軟件是裝備智能體在試驗(yàn)平臺(tái)執(zhí)行加工任務(wù)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)裝備智能體的控制、交互和分析決策的功能。整體運(yùn)行軟件以適配層為基礎(chǔ),并基于適配層開(kāi)發(fā)交互層和分析決策層,實(shí)際加工過(guò)程中,該軟件運(yùn)行在工控機(jī)中,用于實(shí)現(xiàn)制造裝備加工過(guò)程運(yùn)動(dòng)控制、加工任務(wù)選擇以及 NC (Numerical Control,數(shù)字控制)文件的選擇與傳輸?shù)裙δ堋N锫?lián)制造試驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)總體框架如圖2-21所示。
1.硬件層
硬件層是軟件系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ),主要包括試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)控裝備以及以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。數(shù)控裝備配備嵌入式工控機(jī),工控機(jī)用于運(yùn)行軟件系統(tǒng),并通過(guò)以太網(wǎng)將平臺(tái)中的裝備進(jìn)行連接,形成局域網(wǎng),負(fù)責(zé)裝備間的集成與信息交互。

圖2-21 物聯(lián)制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)總體框架
2.數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層主要由兩部分組成,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)平臺(tái)中的信息進(jìn)行持久化操作,存儲(chǔ)內(nèi)容包括裝備智能體狀態(tài)信息、裝備智能體控制信息以及工件任務(wù)信息。數(shù)據(jù)通信協(xié)議是不同廠商提供的用于實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)通信的基本協(xié)議,試驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)使用到的主要有 SIEMENS 系統(tǒng)的 OPC UA 協(xié)議與 FANUC 系統(tǒng)的FOCASII協(xié)議。將數(shù)據(jù)層單獨(dú)作為一層,與適配層和硬件層解耦,提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信的靈活性與可變性。
3.適配層
適配層是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)層,基于數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)最基本的控制、監(jiān)測(cè)、文件傳輸功能;并根據(jù)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)模式,設(shè)計(jì)成統(tǒng)一接口。軟件系統(tǒng)中的所有高級(jí)功能都是以適配層為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),是對(duì)適配層功能進(jìn)行更加復(fù)雜的邏輯化過(guò)程。
4.功能層
功能層是基于適配層進(jìn)行開(kāi)發(fā)的具有特定功能需求的軟件層,主要包括交互層與分析決策層。交互層是根據(jù)交互模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)的交互功能系統(tǒng),依據(jù)規(guī)定的信息格式,負(fù)責(zé)平臺(tái)中裝備智能體狀態(tài)信息、加工任務(wù)信息等的交互。分析決策層的主要功能是對(duì)裝備智能體的動(dòng)作信息與加工任務(wù)信息進(jìn)行分析,依據(jù)構(gòu)建的分析模型,進(jìn)行軟件層編寫(xiě)和計(jì)算分析結(jié)果。
5.應(yīng)用層
應(yīng)用層是根據(jù)功能層以及適配層開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互、總體執(zhí)行功能,并對(duì)用戶操作進(jìn)行響應(yīng)。
本書(shū)試驗(yàn)平臺(tái)中主要針對(duì)裝備智能體開(kāi)發(fā)管理軟件與運(yùn)行軟件。
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