5 面向智能化生产的Control层规划研究

5．1 Control层控制系统发展简介

5．1．1 数控系统发展简介

普通机床的数控系统只控制刀具运动轨迹，不与网络连接。智能数控系统不仅控制刀具运动轨迹，还与MES、CAD／CAM等系统连接，可以实现自动编程、自动选择刀具、自动选择工艺、自动加工、自动检测产品、设备智能维护、加工任务规划、生产状态显示等功能。

5．1．2 过程控制系统发展简介

普通的过程控制系统多采用PID算法，PID算法的控制效果依赖于对研究对象的精准建模，所以对一些复杂的、不确定性的问题束手无策。随着大数据技术的发展，新的控制理论和控制方法层出不穷，典型的案例“阿尔法狗”利用深度学习，在海量棋谱的训练下，战胜了围棋世界冠军李世石，彰显了数据挖掘技术的魅力。数据挖掘技术能够把海量的工业数据转化为信息、信息转化为知识、知识转化为科学决策，并能够在正确的时间把正确的数据以正确的方式传递给正确的人和机器，实现在不完全了解具体因果关系的情况下就可以分析出接近事实的问题结论，从而解决那些PID无法解决的问题。

5．2 Control层规划研究

基于本文MBD、MBE、数字孪生、大数据等技术的应用介绍以及对MES功能的研究，Control层规划方案应考虑以下三个要素：

（1）考虑MES层对Control层的需求，为将来Control层与MES层的无缝对接打好基础。譬如Control层应该考虑：

● MES层需要的设备运行状态、耗能、部分生产管理信息等；

● Control层应具有与MES层对接的通信接口，如OPC UA等。

（2）考虑生产过程大数据的建设，为日后工艺优化、设备智能维护系统、质量管控系统、生产管理优化等研发工作打好基础。譬如Control层数据采集系统应考虑：

● 采集除当前工艺参数以外的所有可能影响产品质量的其它数据；

● 采集如设备振动／负载电流／电网参数／耗能等与设备故障有关的参数；

● 采集耗能等与生产管理相关的参数。

（3）应考虑MBD／MBE、数字孪生模型的建立及应用等需求。

5．2．1 Control层硬件结构研究

过程控制设备群与数控机床设备群的上位机最好分开，上位机通过仪表／变频器／PLC／数据采集终端等采集生产过程数据及设备点检参数等。Control层硬件规划可以考虑以下内容：

（1） 统一配置车间设备仪表（带通讯接口），以利于系统的稳定性和后期的维修维护工作。

（2） 上位机监测耗能信息：

● 为MES层的生产成本统计／生产管理优化提供数据源；

● 为设备状态（如开机／停机／空载／加工状态）的判断提供数据源；

● 为设备故障（如刀具状态）预测提供数据源。

（3）上位机监测环境温湿度，为MES层的质量分析／工艺优化／设备维护系统的研究提供数据源。

（4）上位机监测电网电压／频率／功率等参数，为设备智能维护系统的研发提供数据源。

（5）上位机监测设备的振动／位移／温度／转速／转矩／功率／电流／电压等数据，为预知性维修工作的开展及设备智能维护系统的研发提供数据源。

（6） 在智能仪表的选用上，选用某些寄存器具有可读功能的仪表，以便于MES层能够实时掌握现场生产情况及工序生产进度。例如：

●仪表状态信息：运行／暂停／停止等；

●控制方式信息：自动工作方式／手动工作方式／输出百分比等；

●工序生产进度信息：程序总段数／运行段号／本段剩余时间等；

●程序运行信息：设定值／PID／输出功率限幅值等。

5．2．2 Control层上位机监控管理软件功能研究

5．2．2．1 过程控制设备群上位机监控管理软件可包括以下功能模块：

（1） 仪表工艺程序库管理：可以在上位机上编辑、保存工艺数据及控制参数，并保存在工艺库中。

（2） 系统总览：显示设备群内所有设备的主要生产状态信息。

（3） 生产过程管控：针对某一单台设备，在实现生产控制的同时还可提供以下生产信息：

a）生产工艺调用：

● 本模块可输入产品名称／产品型号／工艺编号／原材料编号／工装模具编号／数量／生产班次／操作者等信息；

● 可调用仪表工艺程序库中的控制程序，并将调用的工艺数据及控制参数下传到指定设备中。

本模块信息可上传给MES层以满足制造资源管理／工艺质量管控的需求。

b）工艺运行参数显示：

● 显示仪表状态信息：如运行／暂停／停止等；

● 显示控制方式信息：自动／手动／输出百分比等；

● 显示工序进度信息：如工序开始时间／工序耗时预警／工序完成时间预警／工序总段数／当前运行段号／本段剩余时间／工序结束时间等；

● 显示工艺状态信息：如各参数的设定值／实际值／偏差值；

● 定时扫描工艺参数及控制参数的初始设置值及相应的当前实际值：如工艺设定值／PID参数／输出功率限幅值等，以观察是否存在人为干扰因素，便于及时纠正。

本模块信息可上传给MES层，以满足质量管控／生产监控管理／综合查询／设备管理等模块的需求。

c）工艺过程控制：操作员可根据工艺要求实行运行／暂停／恢复／跳步／结束等操作。

本模块信息可上传给MES层以满足工艺质量管控／设备管理等模块的需求。

d）设备运行状态监测：上位机监测设备运行状态，例如：工作台是否运行到位、炉门是否关好以及旋转轴的振动、电机／加热管的负载电流、电机转速、电机输出转矩、电网电压、环境温湿度等信息。

本模块信息可按需上传给MES层以满足设备管理、工艺质量管控的需求。

e） 报警显示管理：具有设备报警和工艺超差报警等功能。

本模块信息可上传给MES层以满足生产监控管理模块的需求。

f）生产工艺数据管理：生产工艺数据尽可能实现自动采集，实在不能实现自动采集的环节可手工录入生产数据。

本模块信息可上传给MES层以满足工艺质量管控／设备管理模块的需求。

g）耗能及生产环境管理：显示生产过程的耗能（包括耗电量／耗水量／耗气量等）、生产环境信息。

本模块信息可按需上传给MES层，以满足制造资源管理／设备管理／工艺质量管控／综合查询／统计报表等模块的需求。

5．2．2．2 普通数控机床设备群上位机监控软件可包括以下功能：

（1）根据CAD设计模型自动编制加工程序、仿真加工过程、自动检测产品数据；

（2）上位机与数控系统之间能够互传加工程序、系统参数等；

（3）具有自动选刀功能；

（4）可参考过程控制设备群监控软件开发工艺库管理、系统总览、生产工艺调用、工艺运行参数显示、工艺控制、设备运行状态监测、报警显示管理、生产工艺数据管理、耗能及生产环境管理等模块。

结束语

为了实现产品快速低成本高质量的研制目标，产品研制的相关企业要齐心协力，尽早制定产品设计平台、模型集成、智能工厂系统集成、数字化信息集成、软件系统集成、数据管理、业务流程管理、设备管理等标准或规范，以避免重复性投资。