文摘

作为一个基本的制造业在中国,注塑行业面临着信息化和智能程度低的问题,导致生产效率低,成本高。迫在眉睫的是与新一代信息技术的深入整合实现转型和升级。本文综合工业网络架构的“集成的智能设备,智能生产线,智能车间,智能工厂,和智能格式”。注塑智能控制系统、生产管理、控制平台基于MES系统,和其他关键技术研究。同时,智能工厂架构建立了基于数字的双胞胎,和智能工厂的实现方法数字双系统阐述。该方法的可行性和有效性已通过工业应用验证,提供注塑工业网络系统的技术支持。最后,智能制造物联网云平台对注塑行业进行了展望。

1。介绍

近年来,中国注塑行业发展迅速,已经成为世界上最大的生产国和消费国的塑料产品,起着重要的作用在国民经济和社会发展(1]。然而,中国注塑行业的整体技术水平与发达国家仍有很大的差距,特别是在设备开发的智力水平低,生产情报,管理智慧,和服务情报,导致生产效率低,成本高,浪费严重等问题。这种情况下严格限制中国注塑行业的发展和转换效率高、成本低、集成、精度和环境保护(2,3]。随着国家的发展战略,如2025年“中国制造”和“新基础设施建设、“深度集成的制造业和新一代信息技术已经成为中国制造业的创新和发展的关键(4]。摘要注塑行业的物联网架构描述是基于中国的现状通过数字化,网络,和情报技术方法。智能工厂注塑系统基于数字双成立。注塑智能控制系统,生产管理和控制平台基于MES系统和其他关键技术研究。最后,智能制造系统的“智能设备、智能生产线、智能车间、智能工厂,和智能格式“注塑行业的设计和实现。

2。注塑行业的物联网平台的体系结构

2.1。工业网络

工业网络已经成为一种新型的工业生产和服务系统和与所有元素,产业链,并通过完整的价值链互连的人员、机器、材料、过程、生产过程和环境。它已成为基础设施支持第四次工业革命和智能制造5- - - - - -7]。物联网的本质是信息技术(IT)的三重积分,通讯技术(CT)和操作技术(OT) [8- - - - - -10]。它可以连接各种内部和外部的数据产品,设备,生产线,工厂,供应商,客户,和其他企业,实现跨设备的互连和互操作性,通过CT系统,工厂,和地区。我还可以和分析基于它,使无形的巨大的工业数据流程和明确的经验,数字,可重用和可预测的传统制造工艺与不相结合。最后,工业网络形式的工业经验的沉淀和机制模型,促进智能控制的变换,操作优化,生产组织,实现整个制造业的情报服务体系。

2.2。数字转换为注塑行业的价值分析

双螺旋模型基于三个视角和九个维度分析数字转换值用于注塑行业(见图1)。的深度集成应用物联网的行业价值重建为主线,采用two-wheel-driven two-way-iteration技术和业务实现业务价值和商业技术闭环。价值来看,工业网络平台连接并重建所有元素,产业链,注塑行业的价值链,最终达到质量改进和效率,节约成本,和生态种植。在技术视图,工业大数据收集,传输,计算,分析,通过边缘计算的关键技术与应用,人工智能,和数字的双胞胎。业务视图,工业网络平台可以实现完整的控制材料、设备、组件和产品,挖掘智能升级的痛点在设备层面,车间级、企业级,和产业链,实现逐步从单个设备或现场的应用系统或一个完整的生产管理流程。因此,最后进化协调工业资源实现智能生产、网络协作,个性化定制和服务产业的延伸。

2.3。注塑行业的物联网平台的体系结构

注射成型是一种离散行业multivariety,小批量的生产,和复杂的过程。单机自动化和刚性生产线主要是使用,而柔性生产线。OT系统和IT系统难以实现互连。数据收集是非常困难和缺乏一个完整的数据集成应用程序框架,因为有很多类型和品牌的生产设备,也缺乏开放的接口和统一的互联标准。因此,结合数字转换的价值分析和特点对注塑行业,工业网络平台的架构建立如下(见图2):(1)智能感知与控制层:首先,控制器,传感器,和收藏家被用来实现注塑工艺的智能感知如注射压力、注射速度、桶温度和机器速度。通过工业数据实时收集和边缘的计算关键设备如注塑机、模具和数控机床,和聪明的设置和优化注塑工艺的关键工艺参数基于数据驱动,以及工业应用辅助生产机器人和无人驾驶的生产线,设备和生产线可以聪明。(2)网络连接层:注塑生产和制造环境的元素都是互联通过构建云服务器、数据中心、云计算中心,和其他基础设施。(3)云管理平台层:通过云计算体系结构和人机一体化的平台,专注于产品的全生命周期管理过程和设备,集成管理和优化的设计,生产,服务,和其他数据在云管理平台中实现。(4)数据分析层:收集到的工业大数据集成和分析。生产过程进行优化分析和反馈的实时生产数据在工业现场管理。形成的科学决策是基于大数据挖掘和分析的业务操作。最后,它意识到层次信息化,为工厂自动化智能管理和智能控制。(5)应用服务层:工业网络和工业大数据的注塑企业及其上游和下游配套企业建立了基于上述情况。然后,注塑行业的云平台通过协作共享的信息资源。它可以进行智能应用程序服务如订单调整,供应链事务,设计协作、人才培训和技术服务,促进构建一个智能格式最终注塑行业。

3所示。注射成型的体系结构基于数字双智能工厂

根据物联网的架构平台,必须构建企业级智能工厂促进注塑行业的智能格式。数字双能有效地贡献的互连和深度集成物理空间和信息空间的工厂,提高注塑生产和管理的智能化水平。

3.1。数字双定义

数字双,使用信息技术全面,如感知、建模和计算,构建一个高保真模型在虚拟空间与物理空间的数字形式一致。通过信息的实时交互反馈和数据融合的物理空间,它可以模拟对象的行为,监测、诊断、预测、决策的物理空间,实现交互式物理空间之间的映射和虚拟空间11]。因为数字双虚拟真实的集成和实时交互的特点,迭代操作和优化,和完整的元素/流程/业务数据驱动,广泛用于产品开发的整个生命周期过程,设计、制造、操作、维护和服务。它已成为数字转换的关键使能技术支持制造业,也是核心工业网络降落练习。

3.2。数字双模型

注塑工业应用的数字双模式必须首先创建。结合范陶教授的显示数字双模型(12- - - - - -14),注塑行业的数字双模型(见图所示3)。物理实体的基础和主要包括单元级和系统级的物理实体如注塑机、模具、数控机械、生产线、车间,企业。这些物理实体的虚拟实体数字模型,它可以描述上述物理实体和高保真,多个时间尺度,和多个空间维度。服务在重建的数字值的双胞胎。通过工业大数据的处理和分析,它可以提供功能,如智能设置和优化工艺参数,过程监控和跟踪,生产调度和协作,设备操作和维护,最后做出科学的决策。数字双数据是数字双胞胎的司机技术,主要包括物理实体数据,虚拟实体数据,服务数据,数据和知识,,同时,实现互连和迭代对象实体之间的交互优化,虚拟实体,和服务(15- - - - - -20.]。

3.3。智能工厂注塑的体系结构

根据数字双模型,建筑智能工厂注塑(见图4)。(1)数据层:数字双数据的基础。通过多源异构传感和多协议兼容的工业数据的实时采集与人员、产品、材料、设备、过程,和环境,建立了虚拟空间可以映射的物理空间元素,如设备、生产线、车间,企业。工业数据的关键是实现注塑过程的物理空间。(2)模型层:数字双模型是核心,它是数字重建生产活动的整个过程,并实现虚拟复制、分析、优化和决策功能的注塑生产活动在虚拟空间。(3)应用程序层:应用程序的目的。实时监控用户可以通过实时映射实现生产活动。的优化和科学决策过程可以通过工业数据的处理和分析实现交互式映射,促进双向动态相互作用的物理空间和虚拟空间。完整的生命周期应用服务从产品设计、模具设计、模具制造、注塑生产工业合作将会实现。

4所示。实现数字双系统的智能工厂注塑

为了实现应用程序层的功能,要素的充分物理空间的建模,数据采集和实时映射在生产活动的数字双系统的关键部分是注塑智能工厂(14,21- - - - - -26]。

4.1。数字双建模元素的物理空间

因为有不同的物理实体类型,多样化的功能,和entity-generated数据,需要建立一个统一的数字双逻辑结构建模:

在公式(1),(1) 是生产过程的数字双模型。(2) 数字双模型的人员,主要反映在运动和空间位置。人体结构映射到三维结构模型,并识别和位置定位是由射频识别或指纹图像识别。的位置和身份人员控制在数字空间。(3) 是数字双模型的材料,它主要的空间位置和库存状态塑料原材料、模具零件,工具等。它可以获得材料数据,实现物料管理通过仓储物料管理系统或ERP系统。(4) 是模具的数字双模型,主要是CAD / CAM / CAE / CAPP的数据,并可以直接通过PDM系统或CAX系统。模具的修改或变更可以实时互动。(5) 设备的数字双模型,这是最重要的和复杂的。注塑行业的设备主要用于模具加工和检验,注塑生产和装配,等等,包括数控机器,坐标测量仪器、注塑机械、工业机器人、无人搬运车和辅助设备。为了完成真正的数字双模型映射到的物理实体,必须确保三维模型尺寸和行为非常符合这些设备的物理实体。有必要建立一个虚拟和真实的实时通信控制接口获取数据并定义相关的虚拟服务来完成设备的动作和行为。(6) 是数字双模型环境,主要是物理空间环境的数字模型。

4.2。实时数据采集

注塑生产过程中,工业数据生成。有很多不同的类型,品牌,和模型的设备生产站点,和他们的接口协议也不同。为了解决异构设备数据收集的问题和虚拟现实互动融合,有必要建立一个统一的标准化的通信框架和协议。OPC UA协议支持复杂的内置数据和跨平台操作,并提供统一的地址空间和服务(27- - - - - -30.]。大多数的设备支持OPC UA协议,所以基于OPC通信体系结构的数字双UA协议采用注塑生产过程(见图5)。

在通信体系结构中,生产过程的基础数据是通过射频识别、数据收集器,模具传感器、注塑机控制器,等。基于OPC UA协议,收集到的工业生产数据实时传输到数据服务器通过工业现场总线和以太网。数据服务器后聚合字段数据和设备信息,转换成数据,支持了OPC UA协议后,为客户提供相应的服务数据管理和逻辑运算。作为OPC客户端UA,成型工厂服务体系从服务器获得相应的实时数据进行数据读写,存储和分析处理。在此条件下,它可以驱动各种元素模型,实时更新和监控各种元素,进一步进行统计分析和智能决策。

4.3。实时交互式地图和运行机制

交互式地图和数字双系统的运行机制注塑工厂(见图所示6)。(1)迭代优化生产要素管理:当注塑工厂收到订单任务,工厂服务体系是由历史数据工厂的生产要素管理双数据库并执行初始配置根据当前订单的生产任务。工厂服务体系获得生产实时数据的因素,如人员、模具、注塑机器和材料物理的工厂。通过分析、评估和预测这些生产要素的状态,系统优化的初始配置计划,订单生成控制指令和指导物理工厂生产要素配置。物理工厂将数据传送到工厂的服务体系过程中实时预测和优化生产要素配置到生产要素的最优配置管理实现生产订单和生产计划任务。数据生成的迭代优化过程中生产要素管理传播和保存在工厂两个数据库,可用于数据的基础和动力在随后的阶段。(2)迭代优化生产计划的自动调度:虚拟工厂收到生产计划后,由历史模拟工厂两个数据库中的数据和实时数据的物理工厂,工厂服务系统模拟和优化生产计划时间表基于逻辑和规则模型最优的时间和最低的生产成本和反馈优化自动安排工厂服务系统的结果。然后,系统优化这些结果并传播他们的虚拟工厂和迭代优化到最好的计划生产计划根据计划安排和生产操作指令。数据生成的迭代优化生产计划的自动调度也传播和保存在工厂两个数据库,可用于数据的基础和动力在随后的阶段。(3)生产过程的实时监控和迭代优化:物理工厂收到前一个阶段的生产操作指令组织生产。在实际生产过程中,工厂的物理传输生产过程数据实时虚拟工厂和虚拟工厂也监控实时物理工厂的生产过程。生产异常情况发生时,虚拟工厂进行生产调度仿真和综合评估,预测,和优化数字双数据仿真结果的基础上,实时生产数据,和历史生产数据。它生成的实时生产调度指令指导物理工厂的调度。在这个过程中产生的数据也传播和保存在工厂两个数据库,可用于数据的基础和动力在随后的阶段。(4)迭代模拟故障预测、诊断和预测能力:在生产过程中,工厂的物理传输生产过程实时数据到虚拟工厂。然后,虚拟工厂进行故障预测、诊断模拟、预测能力,等等,根据仿真结果评估和预测,实时生产数据和历史生产数据。实时监控指令生成实现设备维护,产能预测和评估。的迭代优化生产要素管理的指令是由迭代模拟预测能力。在这个过程中产生的数据也传播和保存在工厂两个数据库,可用于后续的数据基础和推动阶段。

5。关键技术

5.1。注塑一体化智能控制技术

注射成型是一种典型的间歇工业生产过程。熔融的塑料材料制成一定形状的塑料制品通过增压,注入,冷却和分离。塑料产品的质量取决于材料特性、注射机变量,成型过程中,这些参数和交互。注塑机和塑料模具的关键设备。的“大脑”注塑机,控制系统中发挥着重要作用过程的可重复性和稳定性。塑料熔体在模具型腔的状态也直接影响产品质量和生产效率。因此,为了实现注塑工艺的智能感知,注塑机的参数和状态数据必须收集的塑料模具。目前,有很多品牌的注塑机器缺乏开放接口,和模具传感器的功能很单一,这使得它难以实现在线对整个注塑过程的认知。结合注塑的工艺特点,如图7注射成型的应用集成智能控制技术,包括高精度注塑机控制系统和型内网络质量感知体系,可以感觉到和监控过程的参数和模具型腔熔融物料状态,分别实现智能设置和自动优化工艺参数的基于数据驱动的。最后,实时数据采集和过程质量闭环控制的整个过程。(1)高精度注塑机控制系统(见图8):基于EtherCAT架构硬件平台的可扩展性、兼容性,统一数据传输接口,控制系统可以应用到多个品牌的注塑机器。通过二维时间预测控制算法,它可以实现高精度控制关键的注射工艺参数如桶温度、注射速度、保持压力,模具打开位置(31日- - - - - -36]。结合当前形势下的高产量、低价值,和中国注塑机行业的控制精度,在不改变原机的力学机制,原机器的控制性能和可重复性只能更换控制系统,提高了和“精密注塑”可以实现。(2)基于电容测量型内的在线质量监控系统(37- - - - - -39)(见图9):在不同阶段的注塑,模具型腔中的熔融物料状态的变化其介电常数的变化引起的。因此,通过测量电容信号的智能处理,建立检测模型,实现在线监测的塑料熔体的流动状态,检测塑料制品的重量,和确定最佳的冷却时间,从而实现在线闭环的整个过程。(3)通过上述两个系统的集成应用,实现注塑过程的故障诊断,建立了注塑工艺和质量模型基于数据驱动的优化工艺参数(40,41),实现“智能注入。”

5.2。企业MES系统基于SaaS的云平台

生产管理和控制企业的MES系统云平台基于SaaS(软件即服务)42,43)(见图10)是为了实现生产计划和动态调度、设备监控和维护,生产过程故障预测和诊断等。注塑机控制系统是用于工业机器的数据集成和辅助生产设备。工业以太网和工业总线用于互连所有注塑机器在工厂和感知工业数据通过OPC (OLE过程控制)协议。从边缘层收集到的工业数据传输到云通过网络连接层基于MQTT协议(消息队列遥测传输)44- - - - - -46]。通过工业数据建模分析和实时互动的映射,生产过程动态控制、故障诊断、流程优化、设备监控、和其他功能实现。管理和控制信息可以准确、迅速转移到各级人员在公司等通过各种终端电脑,IOS和Android。平面和有效管理实现了通过系统的应用程序。

多租户SaaS的MES系统建立了基于弹簧启动和弹簧可以架构,共享数据库独立的模式模式。云平台实现动态数据源转换和采用的发展模式分离前后结束。前端开发是基于Vue和Element-UI框架集成,企业。由于云平台统一部署在云上,所以它可以直接通过访问云操作,降低了采购成本,构建和维护基础设施,也方便和快速升级和维护这个系统。

5.3。解构主义和应用的新型工业协作制造基于大数据

基于外部信息资源的共享的企业及其上游和下游企业通过云平台、物联网云平台建立了注塑行业(见图11)。通过这个平台,结合大数据分析和人工智能的应用,它可以开展创新服务,如模具技术服务,订单容量调整、生产资源共享,设计和生产协作,供应链集中交易和人才培训,降低身体健康企业的成本和分配资源来提高行业的整体效率。最后,智能生产、网络化协作,个性化定制,和面向服务转换为注塑行业最终将被提升。

注塑行业的物联网云平台服务subplatforms可以分解为以下5个。(1)模具技术应用subplatform:它提供了应用程序服务,如产品设计,模具设计,注塑过程中,CAD / CAM / CAE服务、测试服务,降低企业的运营成本,促进创新发展,为各种行业企业合作创新。(2)顺序调整和能力分配subplatform:连接设备和制造资源等成型工艺,注塑生产,设备维护形成了云计算资源池。结合平台推广新设备和销售服务代表提出代理分配生产能力需求,调整生产任务,交易能力和秩序调整平台设备就可以形成。根据物品的模型,从大规模集中生产过渡到分布式生产可以实现。(3)产品和模具设计协作服务subplatform:通信和连接终端产品研发企业,上游企业支持,模具生产企业。通过产品和模具设计的统一标准,产品和模具设计的协作服务可以嵌入到网络生态系统,促进协同设计和个性化定制的上游和下游企业产业链。(4)模具供应链贸易subplatform:模具零件、塑料原料、成型和其他材料制造商和供应商将构成一个基于云计算的资源池。通过建立严格的供应商选择平台,集中集团采购和物流的材料,回收缓慢材料可以降低企业的采购成本。(5)技术培训subplatform:通过整合行业资源,一个专家小组,工程师和技术工人可以建立注塑行业。基于行业知识的知识人才库、流程情况下,也可以建立和提供技术和经验交流和培训,企业技术咨询和服务。

云平台,开放应用程序服务的接口可以用来扩大不断根据产业发展需要,促进形成一个智能注塑行业格式。它还可以扩展到其他离散制造业,如金属冲压行业。

6。应用和验证

在这个应用程序示例中,该公司主要从事开发、塑料模具成型,组装笔记本电脑和办公设备。它有两个生产工厂相隔70公里。有许多品牌和型号的注塑机如海地,陈Hsong, Yizumi。它也应用ERP,工业机器人,其他信息系统和自动化设备。然而,仍有问题如离散的数据存储、生产计划和车间生产脱节,难以实时跟踪和管理订单的生产进度和材料使用,和繁琐和低效的人事管理。这是紧急应用MES生产管理和控制云平台实现互连和集中式智能管理和控制跨地区的注塑生产设备和工厂。

工业网络系统架构构建结合公司的生产过程实施如下(见图12):(1)取代原来的注塑机控制系统的高精度控制系统,从而提高重复稳定性和产品合格率,并实现数据采集和设备网络的过程。数据采集模块是用来获得数控机器设备状态参数。(2)工业网络系统的网络拓扑结构如图13。注塑机器和数控机器连接到车间通过工业以太网开关和边缘服务器,这两个生产工厂和工业数据传输到公司的云服务器实时基于OPC和MQTT协议。(3)虚拟工厂服务系统建立了基于数字双上执行逻辑处理的工业数据通过实时采集生产过程和仿真优化的工业数据驱动模型。它可以实现自动调度、实时监控、故障预测和诊断优化生产计划并保存数据传输到数字双数据库后续数据的基础和动力。(4)基于SaaS的MES生产管理和控制企业云平台可以查看生产状况,生产计划、工艺参数、生产统计、设备维护、库存管理、成本核算和人员绩效的车间实时通过各种终端。它还可以实现互连和内部通信人员和机器的事情,这有可能解决问题的设备信息岛屿和通信延迟,实现跨区域扩张的集中管理和控制的工厂,并减少冗余配置人员的成本。

概述公司的模具生产管理和控制(见图所示14)。通过近18个月的项目研究、开发和实现,137年的互连和集中管理注塑机器在两个工厂已经实现。人均产能增加4.8%,收益率增加1.6%,总质量检验增加了8.9%,削减和32名员工,为公司创造了一定的效益。

7所示。结论

本文构造了一个注塑行业的工业网络系统,提供基于数字双智能工厂的解决方案,阐述了实现方法,验证了该方法的可行性和有效性通过工业应用。情报和中国注塑企业信息化水平相对较低,所以深入集成和创新应用与工业网络将成为未来的主要发展方向。物联网的应用将扩展数字双胞胎的价值链和生命周期,这也将促进物联网的发展。自中国主要是中小型注塑企业,建立企业级的工业网络系统不仅可以提高这些企业的生产效率和管理也是实现集中管理和控制跨地区的大型企业集团,减少重复的人员配置,提高操作效率。通过注塑行业的物联网云平台,它将有助于促进智能生产、网络化协作,个性化定制,和面向服务的转型,形成新的行业格式丰富的应用价值和广阔的发展前景。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究工作是由广东省(没有的关键领域的研发项目。2020 b090925002),联合研究基金(没有。U1813222)中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)和深圳,和国家重点研发项目中国没有。2018 yfb1309403)。