装备车间智能制造自动化体系设计与应用

王芬琴

摘要：以设计一套包含资源层、信息感知与处理层、信息传输层、系统功能层和用户层为体系结构的装备车间智能制造自动化控制体系为目的，采基于IPv6信息交互装置的制造过程信息感知，实现对制造现场的实施管控，利用无线传感网络WSN布局制造现场，实现信息的交互。设计装备车间智能制造自动化控制系统，该系统能够实现装备车间的计划、运行、质量、资源及安全智能化管理，具有较好的普适性和推广价值。

关键词：装备车间  智能制造  自动化技术 体系结构  应用系统

中图分类号：TH18  文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

随着信息技术、人工智能技术、物联网、大数据等新一代信息的技术的不断发展，在制造领域传统固定模式加工的生产自动化技术正向具有自主學习、自动组织和自我控制的智能制造方向转型。结合装备车智能制造需求设计以物联网为支撑，多元信息流为基础，构建具备信息感知、动态传输、智能控制的自动化制造体系，对于提升生产效率和生产水平具有非常重要的研究价值。

1装备车间智能制造自动化控制体系的总体架构

装备车间智能制造自动化体系技术架构包括资源层、信息感知与处理呈、信息传输层、核心功能层和用户层。用户层根据用户职责权限划分系统操作任务，用户可以通过系统CUI界面操作，操作方式可以是通过Web览器、移动终端、系统应用客户端等。核心功能层是在装备车间智能制造支持体系支持下实现对智能制造生产过程的可视化管理，具备的功能有知识管理、DNC管理、任务管理、物理管理、生产成本分析、生产数据实时监控等内部集成功能。同时，还支持与制造企业生产过程执行MES管理系统、产品数据PDM管理系统、企业资源计划管理ERP管理系统等集成，实现整个制造过程的信息互联互通、统一协调和智能管控。信息传输层对智能制造空间的无线传感网络节点进行统一管理，并对多源异构信息进行动态传输。信息感知与处理层实现对不同数据类型的信息进行采集、转化和描述，实现软硬件接口通信。资源层对装备车间智能制造自动化体系中的各类资源进行统一管理。装备车间智能制造自动化体系技术架构如图1所示。

2基于IPv6信息交互装置的制造过程信息感知

装备车间智能制造自动化控制体系的关键在于能够完整、准确地对制造过程进行实时运行状态、制造进度、制造质量等多源信息进行动态的采集。IPv6（Internet Protocol Version 6）协议可以连接智能制造中的各种信息外界设备，集成中央处理器、嵌入式操作系统、制造设备支持系统及各种标准化数据传输接口[1]。IPv6信息交互装置，比如：传感器、RFID等对制造现场信息进行采集，再由局域网或现场总线将信息传递到管理系统或平台，以便于对制造过程进行可视化的管理。

基于IPv6技术的装备车间智能制造自动化技术体系中，每一个底层设备都被建立一个专属的IP地址，以便于准确地记录各设备的活动信息，RFID及各类传感器所构成的信息交互装置对制造现在的设备状态、物料情况、制造进度、制造质量、人员等资源信息进行实时采集，利用信息交互装置进行信息转化与描述，使不同信息源的信息能够以标准的格式传输给管理系统，再经过信息的加工与处理，将控制信息传送给制造设备，实现对整个制造过程的智能管控[2]。

基于IPv6信息交互装置设计包括硬件和软件两个部分。第一，硬件部分，包括电源模块、传感模块、处理模块、通信模块、接口模块、网络模块、存储模块和显示终端等，从硬件层面实现智能制造自动化生产过程信息的动态采集、自动变化和有效传输。电源模块为各终端提供电源;传感模块由各类传感器和A/D转化器构成，负责对制造自动化过程的信息感知与采集，并通过A/D转化器将信息转换为数字信息;处理模块由处理器和存储器构成，负责节点模块之间的信息处理与存储;通信模块由收发器和网络模块构成，负责各终端的网络通信;接口模块由各种异构的接口终端（串口、并口、网络接口等）构成，负责异构通信的连接;显示终端由控制台构成，负责智能制造的可视化管理[3]。第二，软件部分，鉴于系统应用的广度，采用Linux内核构建硬件资源层，进行进程/线程、电源、接口、驱动的管理[4]。采用Java类库、SQL和虚拟机开发功能层，进行组建管理、窗口管理、系统数据管理、控件管理、资源管理等。应用层采用Java、Eclipse等工具开发，实现可视化应用。

3基于WSN技术的信息传输

无线传感网络（Wirelss Sensor Network，WSN）是新一代的物联网应用技术，在远程控制领域具有很好的应用[5-6]。WSN网络结构如图2所示。

装备车间智能制造自动化体系中的网络节点按功能可分为终端/传感节点、路由节点、调节器节点和网关节点这4个部分。终端/传感节点是具有感知和采集功能的节点，在智能制造体系中由安装在设备上的IPv6移动终端、各类传感器、电子标签等组成。路由节点是由路由器群所构成，它的作用是转发和处理数据，在网络节点中起到中间节点协调调度的作用。解调器节点具有分配所有节点地址的功能，负责对节点的添加和删除，维护网络拓扑，组织协调网络节点的信息。网关节点是连接智能制造体系主干网络的中心节点，由其将所有节点的信息传送到管理平台，并接收来自平台的指令。

4装备车间智能制造自动化控制体系应用

为了检验装备车间智能制造自动化控制体系的可用性与实用性，按照装备车间智能制造自动化控制体系设计思路构建一套支持系统，该系统要求具有生产过程信息实时采集与传输、智能调度、生产过程跟踪、自动预警等功能。

4.1系统开发

采用J2EE搭建开发环境，JBoss应用服务器，Windows操作系统和Oracle数据库系统进行系统开发。基于IPv6信息交互装置构建系统框架，系统主要功能包括计划管理、运行管理、质量管理、资源管理和安全管理。系统功能结构如图3所示。

计划管理功能由任务制定、任务下达、任务调度、任务查看、任务执行这5个子模块组成，以生产任务为核心，完成自动化生产全过程生命周期的任务管理。

运行管理功能由自动化程序传输、自动化程序管理、设备状态监测和生产质量检验管理这4个子模块组成，实现物理设备的智能化互联互通。

质量管理功能由维修管理、质量分析、质量预警这3个子模块组成，实现自动化生产过程中的质量检验与异常事件处理。

资源管理功能由设备管理、工具管理、人员管理和物料管理这4个子模块组成，实现对自动化生产的资源进行管理。

安全管理功能由用户管理、角色管理、权限管理、日志管理这4个子模块组成，实现对系统用户的管理和系统运行安全信息的记录。

4.2系统应结果分析

所构建的装备车间智能制造自动化控制系统能够围绕复杂的生产制造过程以智能制造模式控制自动化生产加工设备，按照既定的要求实现信息的交互，制定任务内容、下达任务指令、进行任务调度和执行任务都能够按照计划实施，信息通信具有交互的即时性和准确性，在设备运行管理中，自动化控制程序的传输、管理与设备状态的监测都能做到准确无误地完成，当生产质量出现问题自主调整质量控制参数，当遇到超出設定参数范围的质量问题及时发出警告，完整地实现了质量管理功能。通过资源管理能够及时获得自动化设备、生产工具、人员及物料的信息，动态管理生产资源。通过对系统人员的添加与删除和权限的设定，能够保证使用者的安全管理，系统日志中按生产时间倒序记录系统的各种操作信息。证明了在智能制造自动化控制体系下所构建的系统具有良好的实用性。

5 结语

智能制造是新一代的制造技术综合应用，融合了信息处理技术、自动化技术、人工智能技术等多方面的学科知识，推动制造业的快速发展。通过对装备车间智能制造自动化技术体系的设计与应用研究，分析智能制造的特点，将信息采集技术、信息处理技术、信息传输技术、自动化控制技术进行有机的融合，提出基于IPv6信息交互装置的制造过程信息感知和基于WSN技术信息传输构建装备车间智能制造自动化技术体系，并基于该体系的应用系统，极大地提高了自动化制造的智能性，具有良好的应用推广价值。

参考文献

[1] 田丽，李颖.基于IPv6人脸识别考勤管理系统的设计与实现[J].深圳大学学报：理工版，2020，37（S1）：165-168.

[2] 谢欣妍.物联网环境下舰船通信网络异常数据检测系统设计[J].舰船科学技术，2020，42（8）：118-120.

[3] 周江，李贺武.一种面向Portal认证的IPv6可信地址分配机制[J].电信科学，2019，35（12）：8-14.

[4] 王晨宇，汪定，王菲菲，等.面向多网关的无线传感器网络多因素认证协议[J].计算机学报，2020，43（4）：683-700.

[5] 闫斌斌.基于气路性能混合模型的燃气轮机叶片故障预警及诊断方法研究[D].北京：北京化工大学，2021.

[6] 张维庭.数据驱动工业互联网资源适配与隐私保护方法研究[D].北京：北京交通大学，2021.