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工业互联网验证示范平台-软件定义的可重构智能制造

未知 2019-07-16 10:53

我国离散制造业正逐步从批量化生产阶段向个性化定制生产阶段转变。传统的批量化、刚性生产系统是针对一种或几种产品专门设计的,且机械结构、控制系统、网络系统都是刚性化的设计和部署,一旦产品设计和生产需求发生变化,则调整生产系统的周期和工作量将非常可观,无法满足消费者高度个性化定制产品快速、规模化生产的需求。

针对上述问题,中国科学院沈阳自动化研究所与中国信息通信研究院、SAP中国研究院合作,创新性地提出一种面向个性化定制的软件定义可重构智能制造验证示范平台。该系统以部件装配的个性化定制设计、工艺流程自动生成、机器人任务自主规划为例,实现消费者高度个性化定制、设备和生产过程信息无线化感知、自主规划生产计划和任务、智能运行管理、能源监测与管理等创新功能。不仅能够实现工业4.0提出的从电商平台、企业/车间管理系统到控制系统、生产设备的纵向集成,而且能够实现高度个性化定制、生产工艺流程和机器人任务在线自动重组、设备预测性维护等创新的制造模式,使生产装备和生产系统能够针对产品设计和生产需求的变化,自适应地进行调整,提升生产装备和生产系统的物联化、智能化水平,解决高度个性化定制产品的规模化生产与传统的刚性、大批量制造模式之间的矛盾。

中国科学院沈阳自动化研究所成立于1958年11月,是我国从事机器人、智能制造、工业物联网技术研究的领军机构。作为中国机器人事业的摇篮,在中国机器人事业发展历史上创造了二十多个第一,引领中国机器人技术的研究发展。中科院沈阳自动化研究所在高端智能化装备领域,自主研制了板材激光拼焊成套装备、双机械臂激光焊接装备、激光冲击强化等装备以及数字化车间动态管控平台与生产系统,并荣获国家科技进步二等奖,该项目成果引领了行业的技术进步,新增产值44亿。在工业物联网领域,沈自所突破了工业物联网核心技术,研发了WIA-PA和WIA-FA两项IEC国际标准和产品体系,围绕语义化数字工厂建模与动态服务组合,打通了跨协议、软件和系统的互操作接口,解决了跨系统信息集成的难题,并因此荣获国家科技进步二等奖。

【什么是软件定义的可重构智能制造】

软件定义的可重构智能制造,就是使生产制造系统能够通过软件定义的方式,针对产品设计和订单的变化,自动调整加工、装配环节的任务、工艺流程、路径规划与控制参数以及生产系统的结构和控制程序,大幅缩短生产系统软硬件调整以及产品的交付周期,使其快速响应高度定制化产品规模化生产的需求,实现小批量甚至单件化定制产品的规模化、经济型生产。

【行业困境】

离散制造业高度个性化定制的需求快速增长,但传统的刚性、用于大批量制造的生产系统是根据产品量身定制的。一旦产品设计或生产需求发生变化,生产线需要停产并人工调整生产系统的结构和控制系统,重置组态流程与设备配置,调整周期过长,难以快速响应变化。传统的制造模式和生产系统难以支持高度个性化定制产品的快速、规模化生产,因此,能够进行产线智能自适应调整的软件定义的可重构智能制造系统应运而生。

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【技术创新】

(1)总体架构

本平台的目标是通过构建软件定义可自重构的离散制造系统,使生产制造系统具有高度灵活性,可以针对产品设计和订单的变化,自动调整加工、装配环节的任务、工艺流程、路径规划与控制参数以及生产系统的结构和控制程序,大幅缩短产品的交付周期,使其快速响应高度定制化产品规模化生产的需求,实现小批量甚至单件化定制产品的规模化、经济型生产。

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图1 软件定义可重构智能制造系统的平台构成

本项目搭建的软件定义可重构智能制造验证平台的结构如图1所示。主要由:设计开发平台、虚拟制造支撑系统、基于工业SDN的自组织全互联网络系统、可重构模块化制造系统、检测系统、柔性智能物流系统和服务平台构成。

其中,设计开发平台、虚拟制造支撑系统、可重构模块化制造系统和服务平台构成了从设计、制造到服务的端到端数字化集成系统以及从销售到企业管理到车间生产管理和设备层的垂直集成,将用于验证产品的全生命周期管理以及智能制造系统的端到端集成技术;虚拟制造支撑系统、基于工业SDN的自组织全互联网络系统、可重构模块化制造系统、检测系统和柔性智能物流系统则构成了网络化生产系统,将用于验证智能制造系统的纵向集成技术。

(2)各个子系统和平台的组成与功能

1)基于云的企业与车间管理软件系统与服务系统

企业与车间管理软件系统如图2所示。该系统包括:由电子商务、ERP、MES、PLM等构成的企业管理软件系统。消费者通过电商平台,根据自己喜好来对产品的不同参数进行选配,并生成个性化订单。随后,该订单将被无缝集成到后台ERP系统中,系统随即进行物料的采购和生产准备,同时安排生产计划。当生产计划下达后,生产订单的所有相关信息会即刻传到MES系统中,并通过MES与车间控制系统完成信息交互。

此外,在系统在云平台上部署了生产服务子系统,可以基于检测系统提供的生产要素的温度、振动等状态信息,通过基于WIA的全互联制造网络快速传送至架于云端的大数据服务平台,用于分析设备运行状态和趋势,诊断设备故障、预测设备部件及整体的生命周期,从而实现生产装备的预测性维护,降低设备停机时间,提高生产效率。

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图2 企业与车间管理软件系统组成

2)设计开发平台

设计开发平台由CAD、CAM、CAPP等设计开发软件系统组成,是一个集成了产品设计、生产系统设计、生产工艺设计、生产过程离线仿真等多种功能为一体的综合数字化协同设计平台。可用于开展数字化协同产品设计、数字化样机、产品生命周期数据管理、并行协同研制流程等研究,测试、验证不同设计软件的接口集成等技术。

3)CPS智能管控系统

CPS管控系统由数字工厂模型库、动态服务合成引擎等部分构成。可以支撑数字工厂生产资源虚拟化、建模、关联、检索,生产过程实时模拟仿真与优化,生产要素与生产系统动态组织与重构等信息空间的虚拟工厂管理、运行、控制等研究。可用于开展不同厂商生产设备互联互操作、基于语义化的制造资源建模、智能制造车间参考模型、CPS型智能制造系统架构、实时在线仿真与优化、软件接口集成等技术的测试与验证。

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图3 CPS管控系统架构图

4)基于WIA的智能工厂全互联网络

该全互联网络如图4所示,该系统以中国科学院沈阳自动化研究所自主知识产权的面向工业应用的高可靠、高实时性无线通信技术:WIA-FA(目前世界上唯一一个面向工厂高速自动控制应用的IEC无线技术国际标准)为支撑(如图5),通过自主研制的工业无线路由器、工业无线交换机、基于工业SDN的管控全互联无线网关等工业无线通信产品,构建出工业物联网产品体系,实现了生产装备振动和温度等信息感知、生产过程信息的实时采集、高实时高可靠性控制系统网络通讯的无线化和模块化。该系统用于开展工业无线通信技术的高并发、可靠性、实时性等性能的测试和验证,开展基于工业SDN全互联网关的管理、控制系统中控制信号、音频、视频等多类型数据混流传输性能的测试与验证以及工业信息安全的测试与验证。

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图4 智能工厂全互联网络结构

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图5 WIA-FA——面向工厂高速自动控制应用的IEC无线技术国际标准

5)可重构模块化加工装配系统

由3D打印系统、工业机器人、AGV、小型立体仓库、输送系统、柔性加工系统、可移动式装配工位和固定式装配工位组成。可支持由软件定义的可重构模块化生产模式,其生产系统布局、生产工艺流程和机器人操作任务调度可根据实际生产情况动态重组,提供高度定制化、围绕单件产品定制工艺流程的高度柔性制造能力。为智能化、柔性化及自组织生产提供验证条件,并且还可以用于测试、验证不同厂商生产设备互联互操作、实时在线仿真与优化、可重构模块化制造等技术。

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图6 可重构模块化加工装配系统结构图

【应用场景】

(1)颜色、部件等属性和配置自由组合的定制化产品全自动单件生产

客户在电子商务平台上选择配置;

订单迅速下达至ERP系统;

ERP系统立刻将订单分发至MES系统;

MES系统将生产任务下达至控制系统;

通过RFID系统,每个生产单元都可以与产品“交流”,完成个性化加工和装配;

车间设备生产状态和生产进度实时监控;

最终智能系统快速完成了个性化配置产品的单件生产任务。

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(2) 生产系统根据订单变化动态调整结构

生产系统的结构模块化、可移动;

基于无线通信的工业SDN网络使控制系统可以灵活重构;

订单数量激增时,系统自动判断生产瓶颈;

生产控制系统在数字工厂虚拟资源库中查询备用工位;

CPS智能管控软件重新组合虚拟的生产资源,并自动调用备用、可移动工位;

可移动工位自动融入生产系统;

订单数量减少时,可移动工位退出生产系统。

(3)基于预测性维护的生产系统动态调整和快速维修服务

基于WIA-FA无线通信技术实时监测设备状态信息;

在HANA云平台上对数据进行实时分析和诊断;

预测设备的故障和生命周期;

当设备需要预防性维护时,CPS智能管控软件自动启用可移动备用工位,替换故障设备;

与后台维护系统集成,进行维修订单管理;

利用移动方案,提高维修人员工作效率;

大幅减少设备由于故障引起的停机时间。

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(4)基于CPS动态管控的工艺流程和机器人任务在线重组

利用语义化建模技术将生产资源虚拟化、设备能力模型化;

通过统一模型实现工艺到控制的自适应贯通;

由用户自由选择装配组件,生成高度定制化产品订单;

生产系统根据产品配置,动态生成装配工艺流程;

根据物料供给和订单优先级,动态重构生产工艺,在线优化机器人装配任务和程序;

使生产系统智能、自主地适应需求的变化,提升系统智能化和综合生产效率。

预估价值:软件定义可重构智能制造验证示范平台的收益

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兴制造,创未来

融合中德领先技术,中国科学院沈阳自动化研究所与中国信息通信研究院、SAP中国研究院合作提出的软件定义的可重构智能制造平台是面向未来个性化定制生产模式的制造系统智能管控解决方案,它融合了中科院研发的生产系统自主重构技术和德国领先的工业云管控技术,被评为15项世界互联网领先科技成果之一,实现了“中国制造2025”智能工厂自主核心技术与“德国工业4.0”领先技术的系统性对接,为中国制造与德国制造在技术、标准和市场方面的全面对接提供了坚实基础。

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