馬騰飛,楊志勇,谷長春
(南昌航空大學(xué) 軟件學(xué)院,江西 南昌 330063)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為企業(yè)、政府和社區(qū)不可或缺的一部分。我國對于制造數(shù)字化進行了積極研發(fā),重點是云制造(CM)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個開放的、全球化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),它將人、數(shù)據(jù)和機器連接,將工業(yè)、技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)深度融合[1]。
主要工業(yè)國家紛紛提出了新型制造業(yè)智能化升級發(fā)展戰(zhàn)略:以智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為核心,提出綜合性政策體系推動發(fā)展,搶占新一輪工業(yè)變革制高點。美國注重信息技術(shù)的創(chuàng)新引領(lǐng),推出了《先進制造伙伴關(guān)系計劃》《先進制造業(yè)戰(zhàn)略計劃》《美國先進制造領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》等。德國重視信息物理系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用,發(fā)布了《新高科技戰(zhàn)略(3.0)》《德國工業(yè)戰(zhàn)略2030》《信息物理系統(tǒng)驅(qū)動的交通、醫(yī)療、能源與制造創(chuàng)新》等,率先提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略[2-3]。我國將信息技術(shù)與工業(yè)制造融合作為發(fā)展重點,發(fā)布了《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》《國務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》等,將智能制造作為國家先進制造產(chǎn)業(yè)的重點突破方向,以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)化平臺,推動工業(yè)制造向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級[4-5]。
通過上述分析,本文以玻璃絕緣子生產(chǎn)車間為背景,綜合運用現(xiàn)代傳感技術(shù)、以5G和NB-IoT為代表的新一代通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等,實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗過程、裝備智能化以及產(chǎn)品的全過程可追溯,將生產(chǎn)線上的產(chǎn)品全部數(shù)字化,建成泛在感知條件下的透明工廠,推動機械制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級[6]。
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的鋼化玻璃絕緣子智能制造系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)應(yīng)用于一體的數(shù)據(jù)分析工具。通過現(xiàn)場安裝各種傳感器來準確獲取生產(chǎn)線產(chǎn)品及工廠環(huán)境的實時數(shù)據(jù),利用5G和NB-IoT[7]模塊將獲取的數(shù)據(jù)及時上傳到云端數(shù)據(jù)庫。其中獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)包括溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)量及質(zhì)量參數(shù)、窯爐參數(shù)、壓模機參數(shù)、鋼化機參數(shù)、原料參數(shù)和熱沖擊參數(shù)。這些數(shù)據(jù)參數(shù)可以在Web、APP端和LED屏顯示,保證工作人員及時了解工廠產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。將得到的數(shù)據(jù)通過機器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練出最佳配方模型及參數(shù)模型,框架設(shè)計如圖1所示。此系統(tǒng)融合了計算機嵌入式+5G+云服務(wù)器+機器學(xué)習(xí)+前端顯示等方面的開發(fā),實現(xiàn)了工廠的全面智能感知?;贜B-IoT、5G和傳感器,將工廠的感知信息和控制端口接入遠程數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)實時在線監(jiān)控[8],從而降低損耗,提高生產(chǎn)效益。同時,結(jié)合實際生產(chǎn)過程中新增的數(shù)據(jù),不斷對模型進行優(yōu)化訓(xùn)練,使玻璃絕緣子的生成具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等智能特性,逐步提升玻璃絕緣子良品率。
圖1 框架設(shè)計
為建設(shè)在生產(chǎn)過程中可全面實時采集信息并進行分析控制的透明工廠,實現(xiàn)絕緣子的智能制造,設(shè)計了玻璃絕緣子生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集和傳輸系統(tǒng),主要構(gòu)建生產(chǎn)要素信息采集子系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)境信息采集子系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制信息采集子系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)分為感知數(shù)據(jù)采集層、基于NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)融合云平臺[9]。
圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)態(tài)勢感知的關(guān)鍵,數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的基礎(chǔ)[10]。數(shù)據(jù)集成與可視化分析平臺的建設(shè)目標是構(gòu)建產(chǎn)品生命周期全過程的數(shù)據(jù)集成和可視化服務(wù)體系,幫助工廠車間實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的智能制造。其主要任務(wù)是通過車間數(shù)據(jù)的提取、整理、分析和展示將大量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換,為企業(yè)管理者決策提供支持。
玻璃絕緣子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程:原料進廠→配料→熔制→成型→鋼化→冷熱沖擊→檢驗→裝配→養(yǎng)護→成品→抽樣試驗→合格品出廠。根據(jù)工廠的流水線生產(chǎn)流程,繪制簡易的流水線示意圖,從圖3中可以清楚看到各傳感器安裝部署位置及流水線運行過程,工作人員可以通過Web、APP端或LED顯示屏查看流水線各部位傳感器接收的數(shù)據(jù),以便于掌握每個階段的數(shù)據(jù)情況。
圖3 工藝流程及傳感器部署圖
現(xiàn)場布置的傳感器主要為溫濕度及PM2.5傳感器、激光計數(shù)傳感器以及殘次品統(tǒng)計臺。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的玻璃絕緣子智能制造系統(tǒng)的溫濕度及PM2.5傳感器、激光計數(shù)傳感器采用雙處理器協(xié)作方式,需要2種軟件開發(fā)。
(1)感知層系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為Keil C51,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、串口上傳程序等功能。STC89C52單片機主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、串口通信等功能。
(2)傳輸層軟件采用Sublime Text編輯程序代碼,通過GCC編譯器生成可執(zhí)行文件,實現(xiàn)BC26串口接收單片機數(shù)據(jù)的功能,再以TCP協(xié)議上傳至服務(wù)器。
采用現(xiàn)場總線、Modbus、ZigBee、RFID等技術(shù)構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)全面深化感知和生產(chǎn)系統(tǒng)集成管控,建成工廠的信息物理系統(tǒng)。基于Modbus網(wǎng)關(guān)和ESP8266等設(shè)備,設(shè)計制作從已有自動化設(shè)備到工廠網(wǎng)關(guān)之間傳輸感知和控制數(shù)據(jù)的軟硬件模塊[11],基于ZigBee技術(shù)設(shè)計制作采集工廠車間內(nèi)溫度、濕度、粉塵顆粒濃度等與生產(chǎn)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)節(jié)點模塊。建立工廠CPS系統(tǒng),實現(xiàn)工廠的全面智能感知。玻璃絕緣子質(zhì)量及良品率取決于原料配比,合理的配比需要不斷實踐與探索。在參數(shù)選取時采用一主多輔方式,以原材料配方數(shù)據(jù)為主,以生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、產(chǎn)品經(jīng)各環(huán)節(jié)爆裂數(shù)及控制臺統(tǒng)計的殘次品數(shù)為輔,通過機器學(xué)習(xí)得到最佳配比。在這一階段,實時采集劣品數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)量及廠區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù),其中劣品數(shù)據(jù)由人工在控制臺手動輸入,產(chǎn)品數(shù)量由安裝在各部位的激光計數(shù)傳感器實時獲取,爐窯溫度參數(shù)及原料配比參數(shù)由終端設(shè)備及時更新。采集數(shù)據(jù)后統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)標準化、格式化、規(guī)范化操作。處理完成的數(shù)據(jù)將作為應(yīng)用層的輸入數(shù)據(jù),供后續(xù)使用。
各傳感器模塊接收的數(shù)據(jù)包經(jīng)NB-IoT+5G模組上傳云平臺存儲。以BC26為核心設(shè)計的NB-IoT模塊常用于無線抄表、共享單車、智能停車等領(lǐng)域?;贜B-IoT和5G技術(shù)構(gòu)建絕緣子生產(chǎn)全過程中生產(chǎn)參數(shù)的實時采集和傳輸系統(tǒng),以樹莓派/香橙派作為嵌入式主控板,設(shè)計制作連接數(shù)據(jù)中心和智能工廠的網(wǎng)關(guān):對于上層網(wǎng)絡(luò),通過NB-IoT和5G技術(shù)連接遠程數(shù)據(jù)中心;對于底層網(wǎng)絡(luò),通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接工廠的環(huán)境監(jiān)測點,獲取傳感器數(shù)據(jù),與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。圖4所示為溫濕度及PM2.5數(shù)據(jù)收集上傳硬件框架。
圖4 溫濕度及PM2.5硬件框架
玻璃絕緣子生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫主要包括原材料、生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品缺陷控制信息數(shù)據(jù)庫,提供絕緣子智能制造和監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲、分析、維護等服務(wù)?;贛ySQL搭建數(shù)據(jù)庫[12],接收工廠網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)。通過需求分析和詳細設(shè)計提供工廠網(wǎng)關(guān)連接入口,借助NB-IoT+5G模組將數(shù)據(jù)傳入云平臺后存儲,流程如圖5所示。當(dāng)所有來自傳感器的數(shù)據(jù)均上傳至云平臺數(shù)據(jù)庫后,工作人員可通過云平臺深度挖掘數(shù)據(jù),構(gòu)建生產(chǎn)過程各參數(shù)與良品率間的關(guān)系模型,實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的智能控制,并給出提高品質(zhì)和良品率的建議。
圖5 數(shù)據(jù)傳入云平臺流程
為方便各層管理者及時了解產(chǎn)品生產(chǎn)概況,促進對產(chǎn)品生命周期質(zhì)量問題及質(zhì)量信息的閉環(huán)管理,平臺通過綜合數(shù)據(jù)看板方便企業(yè)決策者掌握產(chǎn)品從原料入爐到產(chǎn)品成型的總體態(tài)勢,對質(zhì)量問題進行分析和追溯,并快速做出決策。系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計為系統(tǒng)架構(gòu)的核心,采集的數(shù)據(jù)在此處進行分析,從而挖掘出數(shù)據(jù)的潛在價值。平臺主要對采集的數(shù)據(jù)進行模塊劃分、數(shù)據(jù)分類集成、生產(chǎn)參數(shù)可視化、配方模型建立等,云平臺主界面如圖6所示。應(yīng)用層將集成的數(shù)據(jù)進行建模和分析,如生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測及控制、窯爐溫度控制、配方生成、數(shù)據(jù)分析等。系統(tǒng)為管理者、客戶等提供訪問數(shù)據(jù)中心和查看生產(chǎn)狀態(tài)等服務(wù),便于他們及時了解工廠的生產(chǎn)情況。
圖6 系統(tǒng)展示平臺主界面
(1)模塊劃分。在設(shè)計系統(tǒng)平臺時,將系統(tǒng)流程劃分為多個子模塊,包括窯爐工作日記、生產(chǎn)產(chǎn)品各項指標、產(chǎn)品缺陷統(tǒng)計以及用料統(tǒng)計,各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行可視化處理,便于科學(xué)管理。
(2)配方模型建立。通過搭建的數(shù)據(jù)庫收集生產(chǎn)過程各參數(shù)和良品率數(shù)據(jù),采用主成分分析、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)方法,對生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進行挖掘分析,結(jié)合實際生產(chǎn)中新增的數(shù)據(jù),不斷對模型進行優(yōu)化訓(xùn)練。玻璃絕緣子的生成具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等特性,可逐步提升玻璃絕緣子良品率。
(3)數(shù)據(jù)分析。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背景下,通過數(shù)據(jù)核心平臺進行數(shù)據(jù)可視化分析界面設(shè)計,工作人員從界面圖表中對數(shù)據(jù)進行觀察和分析,深度挖掘數(shù)據(jù),從而提高企業(yè)產(chǎn)值。工作人員可以通過各模塊的數(shù)據(jù)變化及時發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題并處理。另外,通過數(shù)據(jù)分析,以二維碼作為信息載體對產(chǎn)品進行質(zhì)量追溯。
通過大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)對系統(tǒng)和信息進行優(yōu)化、整合,構(gòu)建自動化和信息化集成管理和交互平臺,以實現(xiàn)信息和流程透明、智能控制、智能決策[13]。大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用是智能制造和機器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵,它利用數(shù)據(jù)勘探技術(shù)發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)改進的機會將是智能化時代為工業(yè)制造提供持續(xù)改進的主要手段。云平臺的構(gòu)建是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ),為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)收集和分析平臺。
本項目中對系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)主要為原材料配方、爐溫、生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)量以及殘次品種類。為驗證這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的準確性,分別對其進行分析測試。實驗設(shè)定各傳感器以固定周期向服務(wù)器端發(fā)送一次數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行提取、封裝和校驗碼計算。經(jīng)過24小時不間斷供電,激光傳感器、數(shù)碼管顯示、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、殘次品統(tǒng)計數(shù)據(jù)、原材料配方與爐溫數(shù)據(jù)顯示均正常,數(shù)據(jù)準確率達100%。圖7所示為殘次品數(shù)量統(tǒng)計界面。
圖7 殘次品數(shù)量統(tǒng)計界面
在溫濕度數(shù)據(jù)測試中,將溫濕度模塊插入接口后,將燒錄好程序的NB-IoT模塊對接到控制板上,開啟遠程桌面查看私人服務(wù)器,可以看到溫濕度系統(tǒng)接收的溫濕度數(shù)據(jù)準確無誤。每5 min接收一次溫濕度值和PM2.5值,每次只上傳一條給服務(wù)器。通過對溫濕度值和PM2.5值進行不間斷收集,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)準確率達99.9%。圖8、圖9分別為PM2.5與溫濕度變化圖。
圖8 PM2.5變化圖
圖9 溫濕度變化圖
為驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,收集一天的生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)上傳云平臺,測試表明,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,各功能模塊數(shù)據(jù)可視化程度較高,工作人員可在網(wǎng)頁端或點陣顯示屏查看實時數(shù)據(jù)?;跈C器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的配方模型得到的原材料配方比可以很好地解決良品率不足的問題。圖10所示為系統(tǒng)機器學(xué)習(xí)模型生成的原料配方比。
圖10 原料配方比
本文設(shè)計并實現(xiàn)了工廠的全面智能感知,基于NB-IoT和5G技術(shù)將工廠的感知信息和控制端口接入遠程數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)實時在線監(jiān)控;運用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立質(zhì)量控制模型,自動配料系統(tǒng)和成型系統(tǒng)在生產(chǎn)中具有節(jié)能高效、配料均勻、成型穩(wěn)定等優(yōu)點;將數(shù)控加工中心、數(shù)控車床、自動化裝配檢測流水線等制造設(shè)備接入數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)工廠全面感知和聯(lián)網(wǎng)等。
目前該行業(yè)機械化程度高,但有部分工作還需人工完成,實現(xiàn)智能制造生產(chǎn)后,可以提高產(chǎn)品品質(zhì),使生產(chǎn)能力達到國際領(lǐng)先水平。