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面向模具装备制造业数字化车间互联互通技术的研究现状

时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:夏琴香,张少波,程秀全,王亚东   浏览次数:237

夏琴香1,张少波1,程秀全2,王亚东3

(1.华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室;2.广州民航职业技术学院飞机维修工程学院;3.珠海格力精密模具有限公司)

摘要:模具制造属于传统的离散型装备制造业,具有零件结构复杂、单件生产、质量要求高、过程复杂等特点,而模具装备制造车间设备与设备间、设备与系统间有效的信息交互相对薄弱。对互联互通概念进行了诠释,并对当前装备制造业互联互通技术的应用现状进行了阐述,基于OP CUA数字化车间装备信息模型的研究进行了探讨。通过对模具装备制造业特点的分析,给出了基于OP CUA模具装备制造车间互联互通的研究方法,可为模具装备制造业数字化车间互联互通技术的应用实施提供研究借鉴。

关键词:模具装备制造;数字化车间;互联互通;OP CUA

 

0 引言

随着信息变革时代的到来,工业领域信息化竞争日益加剧。智能制造迎来了全球热潮,以德国、美国为主的欧美发达国家分别提出了“德国工业4.0”和“美国先进制造/工业互联网”等制造发展战略,力图在新一轮竞争中保持领先。面对制造业信息革命带来的机遇与挑战,我国制定了《中国制造2025》强国战略[1],其“智能制造”核心理念不断推动着制造装备业向自动化与信息化方向发展。

模具制造属于传统离散型装备制造业,相比于制造业中其他制造类型,模具制造具有零件结构复杂、单件生产、质量要求高、过程复杂等特点。模具制造常用设备有CNC加工中心、电火花加工机床等,虽然加工制造设备正向智能化的方向发展[2],但对于离散制造车间中不同类型、不同厂家的设备信息通常是孤立的,有效的加工制造信息受限于整个生产线子控制系统,缺乏设备与设备间、设备与系统间有效的信息交互,因此解决以上问题就是要实现模具制造过程互联互通,促进整个模具装备制造产业升级换代。

以下从智能制造互联互通角度出发,通过对数字化车间装备与管理系统之间交互作用的分析,阐述了面向模具装备制造业互联互通技术物理和网络层面的构成,介绍了基于OP CUA统一架构的模具装备制造业互联互通信息模型,并对基于OP CUA模具装备制造业互联互通的研究方法进行了探讨。

1 面向模具装备制造业的互联互通技术

1.1 互联互通概念

互联互通是国家工信部和国家标准委联合发布的《国家智能制造标准系建设指南》[3](2018版)中智能制造系统架构的智能特征五层智能化要求之一,如图1所示,是指通过有线、无线等通信技术,实现装备之间、装备与控制系统之间,企业之间相互连接及信息交换功能的层级。

根据2018年国家智能制造标准化总体组发布的《智能制造基础共性标准研究成果》[4,5]阐释,互联互通可以是某一个工厂内部的生产设备和信息化设备间的物理网络连接(厂内互联),也可以是2个(或多个)工厂生产设备、信息化设施之间的物理网络连接(厂外互联)。互通更多强调上述物理网络连接能否为不同场景、不同设备和应用提供不同服务质量、不同类型的信息传输通道,包括物理网络和信息网络等。对于离散型制造业,互联互通可分为设备和软件两方面,设备互联互通是指通过统一的接口框架实现与各类硬件设备和装置的有效数据交互,软件互联互通是通过统一的数据中间件为各类应用软件提供数据接口和服务。

1.2 模具装备制造业互联互通技术分析

按照工业生产的产品形态和生产工艺组织方式,可将工业行业分为流程工业和离散工业2种典型的类型[6]。流程工业是指通过化学反应和/或物理分离而进行生产的行业,典型流程工业包括石油、化工等行业,具备较高自动化水平的流程;离散工业主要指通过对原材料物理形状的改变、组装而形成产品的行业,其产品形态为按件计量的物品,典型离散工业包括模具、汽车、航空航天等行业。对于离散工业应用,由于是离散加工,物料加工需要调度,产品的质量和生产效率较大程度依赖于人工的水平,自动化水平局部受限,整体上还是靠人工实现各生产环节的对接,而互联互通技术对于多品种、中小批量生产方式的离散制造车间的生产能力提升具有重要意义,不仅可实现柔性自动线的生产信息交互,而且通过对离散生产单元的信息集成使整个生产过程数字化,有利用统筹全局、降低能量消耗,实现人机协同方式的高效生产。

模具装备制造业互联互通应用层面就是实现装备之间、装备与生产管理系统间有效信息共享交互[7],如图2所示。实现模具装备制造业互联互通可分为物理和网络2个层面,物理层面是实现模具整个制造过程的互联互通,包含电极和钢件铣削加工(CNC)、钢件放电加工(EDM)等制造环节及控制系统互联,侧重在控制连接;网络层面是如何实现模具制造过程各子控制系统网络互通方式,侧重在网络通讯。

1.3 模具装备制造业控制系统的互联互通

实现模具制造过程中的互联互通,其关键是要实现模具制造装备中电极CNC、钢件CNC以及钢件EDM加工等单条自动线的加工制造信息的交互,实现以电极CNC、钢件CNC以及钢件EDM加工为主的模具制造过程的自动化与信息化。

智能制造系统的组成中,MES系统及其构成部分是实现智能制造的关键环节,在制造业信息化过程中起着协调和传递企业生产计划和生产信息的纽带作用[8]。结合模具柔性制造系统特点,车间中模具柔性制造系统结构可分为3层:车间层、单元层和设备层,如图3所示。

车间层主要负责模具加工制造的过程管理,包括排产、生产及物流调度等任务,主要由MES、WMS调度等系统组成。单元层负责模具制造过程中数据采集、监控及控制,主要包括数据采集与监控系统(SCADA)、人机界面(HMI)等,负责对工业机器人上下料逻辑执行控制、加工机床的程序下载与运行、条码或RFID识别控制、HMI显示等生产操作监控。设备层负责完成模具加工、检测、运输、存储等任务,加工设备主要完成钢件与电极加工,分为钢件CNC加工、电极CNC加工、钢件EDM加工等类型;检测设备主要完成加工后的模具电极尺寸检测任务,通常采用三坐标测量仪;运输主要由工业机器人与AGV小车完成;存储设备主要完成模具钢件与电极整个制造过程的存储任务,由料架、立体库、预设平台等组成。模具制造过程互联互通,就是要实现从加工指令源头到执行过程的自动化和信息化,推动模具智能制造理念贯彻实施。

1.4 基于工业互联网的模具装备制造业互联互通

工业互联网是实现系统工业通信网络(OT)+连接信息系统与终端的数据通信网络(IT)融合的重要载体和关键平台[9]。随着工业互联网的发展,构建模具装备设备端到云平台工业互联网体系已逐渐成为我国智能制造重点,对于推进模具制造技术发展和深化行业应用具有重要意义。

目前主流工业互联网机构以连接生产现场设备与OT+IT形式为主[10],其优点在于利用现场总线、工业以太网等形式将模具装备从底部设备层到车间层乃至企业层等范围连接,如图4所示。但整体结构复杂,导致成本高,实现各层级高程度连接融合较难,另外用户实用性较差。

目前,工业物联网(IIoT)、工业互联网、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重点。随着“互联网+”不断地渗透到工业领域,模具装备网络整体网络布局可以直接以互联网模式进行,具体实现方式是模具装备通过以太网等方式在车间局域网进行串并联,通过互联网接入云平台,实现模具装备的互联互通,如图5所示。

2 模具装备互联互通的信息模型研究及方法探讨

2.1 基于OPCUA模具装备制造信息模型的研究

制造系统内信息的互联互通是实现智能制造的关键基础,其核心是标准化的信息模型[11]。数字化车间制造装备一般来自不同的厂商,搭载不同控制系统,系统之间的数据结构不相同,设备系统存在异构性,对数据信息交互造成障碍,形成车间“信息孤岛”现象。对模具装备信息模型进行构建,实现设备间的互联互通和互操作,对于工业装备实现智能制造具有重要的基础作用。

OPC统一架构(OLE for process control unified architecture,OPC UA)是一套安全、可靠且独立于制造商和平台,并用于工业通讯的数据交互标准规范[12];以OP CUA标准为代表的标准化信息建模技术在工业装备领域获得广泛研究[13]。OPC基金会已经发布了OPCUA信息模型标准参考,近几年针对CNC机床、机器人等工业设备发布了系列标准化的信息模型。国内也建立了相应的《OPC统一架构》国家标准(GB/T 33863—2017),并发布了《数字化车间机床制造信息模型》(GB/T 37928—2019)等相关标准[14]

国内外对OP CUA在不同领域的应用研究取得了一些进展。在工业装备制造领域,王立平等[15]通过分析数字化车间架构、功能要求和信息流,建立基于OP CUA的机床制造加工数字化车间的信息模型架构,并进行了数字化车间现场应用试验验证,验证数字化车间信息模型的实用性,解决机床制造加工数字化车间信息的互联互通的问题。王民等[16]针对数控机床数字化制造过程中信息传递,提出了一种基于OPCUA信息交互工单定义格式文件模型,通过实现机床数字化制造车间各层级间的信息交互和开放共享来解决信息异构问题。针对产品全局离散制造过程中不同任务和阶段,S GRÜNER等[17]提出了一种基于PackML和OP CUA的离散制造系统状态模型互联与统一的方法,实现了离散制造系统状态的互联互通。J M GUTIERREZ-GUERRERO等[18]从工业设备与基本以太网络互联初始设置进行研究,提出了一种OP CUA系统自动配置机制,能实现自动在同一以太网上使用Modbus协议直接与OPCUA信息的交互。综上所述,基于OP CUA的互联互通不仅具有对于设备底层间信息互操作性,还能实现以代表设备抽象状态与系统、系统与系统层级间的互联互通。

2.2 基于OP CUA模具装备互联互通研究方法探讨

模具装备制造业互联互通目前研究还未见报道,对于利用OP CUA建立模具装备信息模型来实现模具数字化车间制造互联互通,可以从以下几点进行研究。

(1)OPC基金会已经发布了OPC信息模型规范,此外还有CNC系统信息模型、机器人信息模型、PLC设备信息模型等相关配套的规范。利用这些伴随标准对模具制造数字化车间中CNC设备、EDM设备、工业机器人等进行加工制造信息的分析,对模具装备制造信息模型进行设计,通过对具体实现方式选择,如XML文件形式、信息模型建模工具等,对所建立的模型完整性进行评估和完善,最终构建模具制造车间实例化信息模型。

(2)2020年7月发布的国家标准《基于OPCUA的数字化车间互联网络架构》(GB/T 38869—2020),给出了面向机械加工行业的OPCUA架构应用导则。模具装备制造领域涵盖的设备有CNC机床、EDM机床、工业机器人、电极和钢件的仓储物流系统等。通过对模具制造车间装备进行互联网络架构设计,如图6所示,可实现以CNC机床、EDM机床等加工设备为主,上下料机器人、智能仓储设备、AGV小车等为辅的模具装备网络的互联互通。

(3)利用OPCUA协议栈软件进行互联互通工作的开展。目前市面上OPCUA可用协议栈软件已经相对成熟,商用的有MatrikonOPC、Softing、Unified Automati on OPC UA开发套件;开源的有open62541、UA-.NETStandard等开源OPCUA,其中open62541实现了OP CUA二进制协议栈以及客户端和服务器SDK。最终服务器二进制文件的大小可低于100kB,具体取决于所选功能和信息模型的大小,所有代码是经过OPC基金会认证的完全开源实现,建议使用基于开源的open62541来实现OPCUA[19]

3 结束语

针对模具装备制造业数字化车间互联互通技术进行了剖析,通过对互联互通概念的阐述,综述了模具装备制造业互联互通技术的研究需求与研究现状,得到如下结论。

(1)实现模具制造过程中的互联互通,其关键是要实现模具制造装备中电极CNC、钢件CNC以及钢件EDM加工等单条自动线的加工制造信息的交互,实现以电极CNC、钢件CNC以及钢件EDM加工为主的模具制造过程的自动化与信息化。

(2)目前,工业物联网(IIoT)、工业互联网、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重点。模具装备制造业整体网络可以直接以互联网模式进行布局,具体实现方式是将模具制造装备通过以太网等方式在车间局域网进行串并联,通过互联网接入云平台,实现模具装备的互联互通。

(3)基于OPCUA技术对模具装备制造业数字化车间进行各类物理设备的信息模型构建,有望实现模具装备制造数字化车间各模具制造装备直接信息的互联互通。

参考文献(略)

 
 
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