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一种智能注塑工厂系统设计与应用
  浏览次数:8673  发布时间:2022年01月10日 17:25:09
[导读] 在注塑生产过程中,各个辅机和注塑机的状态监控、参数设定和数据记录都会对产品的质量、成本和生产效率有着重要影响。提出一种智能注塑工厂系统应用,能够对注塑车间的生产过程数据进行实时采集和存储,并对这些车间详细制造数据和过程 进行报表化和图表化的软硬件解决方案。
吴峻睿,谢仲铭,王立斌,叶桂良
(东莞信易电热机械有限公司, 广东东莞  523770)

摘要: 在注塑生产过程中,各个辅机和注塑机的状态监控、参数设定和数据记录都会对产品的质量、成本和生产效率有着重要影响。提出一种智能注塑工厂系统应用,能够对注塑车间的生产过程数据进行实时采集和存储,并对这些车间详细制造数据和过程 进行报表化和图表化的软硬件解决方案。系统基于Linux平台开发,容易部署,可以根据生产现场的实际情况自定义图表界面,通过多种灵活的方法获取生产现场的实时数据,并将其存储在Mongodb数据库,结合系统自带的专用计算、分析和统计方法,以报告和图表直观反映当前或过去某段时间的生产状况。实验结果表明采用此系统能帮助企业生产部门通过反馈信息做出合理有效的决策,节约了生产成本,提高了生产效率。
关键词: 监控系统; 数据; 采集; 智能注塑工厂; 通讯协议

0   引言
以往的塑胶辅机一般都采用单机控制方式,各辅机与成型主机或车间监控系统之间都是相互独立的,没有任何联系,对各个辅机的状态监控、参数设定和数据记录都必须单独分别进行,从而限制了整个成型系统的智能化水平和生产效率的提高。随着工业4.0 时代的到来,市场对塑胶辅机的智能化和网络化的需求越来越强烈,单机控制方式已无法满足今后市场的需求[1-2] 。如何提高塑胶辅机的网络通讯功能,使成型主机或车间监控系统可以方便快捷实现对塑胶辅机的运行监控和数据采集, 这已经成为许多辅机厂家需要解决的技术问题[3-4]。

国内塑胶辅机行业没有统一的通信接口标准和规范,而且只有少数辅机产品具有通信功能,并且不同辅机产品的通信接口是不能相互兼容;在国外EUROMAP(欧洲塑料和橡胶工业机械制造商协会)有定义注塑机与周边辅机的通信接口标准,但其通信协议复杂,应用和推广并不普遍。所以国外不同辅机厂商也还存在着通信接口标准不统一的状况。工业4.0时代塑胶辅机的发展趋势是智能化、网络化[5-6]。

本文提出的系统采用国际通用、简单易懂的开放标准Modbus通讯协议,能更方便地实现塑胶辅机与成型机或车间监控系统的联机通信功能,为实现整个成型系统或成型工厂的智能化提供基础[7]。

1   系统工作原理
本系统通过对所有注塑机的联网,实现对注塑机数据采集,制造流信息数据搜集,组建信息大数据库,再结合客户需求对这些大数据进行分析处理,以最直观的形式展现出客户需求(定制个性化报表),为企业管理层提供决策依据。系统综合订单管理模块,实现计划单与机台、模具相关联,可以根据各机台工作生产情况以及机台、模具维修保养时间合理安排订单任务,从生产计划直通机台生产任务。系统还结合设备与模具维护保养功能,可根据设备与模具的工作时长或合模数,来自定义维护保养计划,并且设置信息通知,根据时间或者完成情况对信息实现传递,从而完善车间的生产管理。最终为注塑机工厂提供先进的一体式的解决方案。智能工厂系统网络拓扑结构如图 1所示。

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图1    智能工厂系统网络拓扑结构

1.1   基于网络的集成控制技术
针对注塑装备种类繁多,数据接口、格式标准不统一导致的数据采集难、网络化功能差、信息化水平低的问题,系统开展辅机、机械手等注塑辅机与注塑机之间数据实时通讯的研究。最终通过采用标准通讯接口,基于通用开放式协议,将辅机设备的监控功能全部都集成到注塑机的操作面板中,实现了对注塑机和辅机的集中监控功能。该技术不同于传统的远程对辅机的开机/关机或温度控制等简易操作,而是对辅机控制器内所有参数的数据采集和操作设定,可以远程实现辅机本身的全部控制功能。与传统注塑机和辅机单独而零散的控制方式相 比,集成控制技术的注塑控制系统使整个注塑作业流程更加高效及智能化,实现少人化生产,降低生产成本[8-9] 。 

1.2   注塑生产大数据平台
在塑料机械行业中,存在大量有知识的数据无法采集、分析和提炼与有知识和经验工人缺乏的矛盾,快速增长的人力成本和注塑装备智能化水平低下的突出矛盾。本项目将通过设备数据采集,结合企业信息系统,实现销售、设计、生产、物流等智能化的服务系统,构建注塑成型智能云服务平台和大数据平台,提供大数据云服务[10-12]。

1.3   成形过程动态感知与工艺智能管控技术
采用降维、特征提取、回归分析等技术对注塑多源数据进行处理,使注塑成型装备、加工工况和产品质量可以深度感知,在此基础上,构建工艺优化的推理与决策模型,实现高效、高精、稳定生产。

2   软件功能模块设计
根据注塑行业特点以及为了满足注塑工厂管理要求,系统主要划分为设备监控、生产过程管理、异常停机管理、设备模具管理、自动报表、系统设置6大软件功能模块。

2.1   模具管理
(1)模具识别管理:客户经常会出现换模后才发现模具错误问题,希望后期有模具自动识别功能来避免该问题,目前业内可以应用比较广泛的有RFID无线射频技术跟二维码扫码功能,通过每个模具上设置二维码或者识别芯片做到单独模具单独唯一性,通过机台侧设备识 别该信息,再与平台侧生产任务单中绑定的模具信息进行检验,检验不一致则系统报警,从而实现对该生产任务单模具的使用是否正确管理。

(2)模具基础信息管理:模具信息包括模具编号、名称、重量,当前合模数、单模产量等信息。

(3)模具保养计划的设定:模具保养在设备管理中属于常规性工作,可对每台机器和模具设置保养项目和保养周期。

(4)模具维护保养记录:根据制定的保养计划完成保养后,需在系统上记录维护保养完成情况,包括保养完成日期、保养日志等。

(5)模具维修记录:搭建设备、模具历次维修记录、维修时间、维修方案、维修人信息等的综合信息平台,为企业提供历史维护信息的查询库。

2.2   报表分析
(1)警报分析:每月各类警报出现次数的汇总统计表;所选时间段内各类警报出现次数的柱形图。

(2)机器利用率:以每月或每天作为常规统计周期统计机器每月利用率;以某一特定时间段作为统计周期 统计机器利用率。

(3)质量报表:以产品作为统计基础,汇总每个月各类报废原因的报废数量与总量;每个产品每月发生的质量报废率统计;每台机器每月发生的质量报废率统计。

2.3   系统设置
系统设置包括设备管理、机器登记、用户管理、系统日志、代码维护、邮件配置等。

2.4   设备监控
设备监控包括设备数据采集、设备集中实时监控、设备参数修改、机器警报、每模数据监测等。如图2~3

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图2    智能工厂系统设备状态监控1

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图3    智能工厂系统设备状态监控2

2.5   生产过程管理
生产过程管理包括投料管理、生产计划单、机台任务单、电子看板、现场实时反馈一体机等。如图4所示。

2.6   异常停机管理
设备停机自动记录、停机原因填写。

3   系统架构
本系统使用B/S 结构,所有客户端均无需安装其他软件即可实现远程访问与使用。因此无论在国内还是国外,本地还是外地,可使用手机、平板、PC机等打开浏览器输入网址,就能进入Shini智能工厂系统查看各注塑工厂的运行情况。

系统使用大型数据库进行后台数据存储,并进行每天备份工作,以使数据的安全性得到充分保证,数据库管理系统采用Microsoft SQL Server 2000或2005系统使用严格的权限控制来保证操作人员只能进行自己工作范围内的相关操作。

4   系统优点
面对注塑装备产业对注塑机的需求,希望提升注塑装备的信息全面感知和可靠传输,构建自感知、自诊断、自决策、自学习的智能制造系统,打造产品链、价值链、供应链协同的智能化的服务系统,从而提升注塑装备及系统的整体智能化水平,具体系统优点概括如表1所示。


序号 项目 改善方向 实现结果
1
设备监控 实现注塑机运行状态的远程化、集中化、实 时化监控,并提供远程故障协助诊断功能。 可 查 看 实 时 机 器 状 态,看板管理,提升 机器利用率。
2
设备/模具 保养管理 实现设备模具基础信息和维修保养记录管 理,并提供维护保养的自动提醒功能,可按 工作时长或模具和模数使设备和模具得到合 理保养,最终延长设备模具的使用寿命。 预防设备模具非正常 状态下作业,提高设 备模具使用寿命。
3
生产管理 加强生产任务及过程的跟踪和管理,有利于 合理排产和调整生产资源,提高生产效率。 可查看实时生产进度 状态,追溯产品生产 信息,提升生产效率。
4
异常停机管理 实现生产过程中异常停机的记录与点检,有 利于督促相关人员及时分析和解决问题,减 少异常发生频次和缩短异常中断时间。 自动捉取停机时间, 分析异常信息,为下 次解决提升效率,减 少次品产品。
5
自动报表 提供计划完成率、机器利用率、废品率、 OEE等关键指标的统计报表,减少人工统计  工作量,并为管理者决策提供可靠依据。 可根据甲方算法实时 生成报表,减少50 ~ 70%的统计工作,节 省人工。
6
系统互联 MES系统可与ERP、SCM、PLM等企业管理 系统进行有效对接,并且可与机械人 (手)、 集中供料等自动化设备通信,协同服 务于企业 不同系统之间的数据 互联,减少企业系统 间繁琐操作。
7 辅助设备通讯 系统可连接信易辅机设备,实现在注塑机上 操控 便于操作,减少开关 机时间
8
多个品牌注塑 机互联 信易作为国内知名的辅机供应商,与国内外 多家注塑机厂家合作,如海天,博创,震 雄,东华等合作,可以把多家注塑机进行通 讯整合。
实现多家设备的五联 互通


5   结束语
驻足塑料成型行业,制造业的信息链将会整合,从客户订单流到终端产品出货,所有的数据都通过深度人工智能、先进的数据挖掘和神经网络进行自动化和精细化管理。数据是实现这样梦想的一个开始,而本文提出的智能工厂解决方案使产品都可以互联互通,打造智能制造基础。同时,通过实验验证在项目开发过程中建立相关标准和主持的路演,有效地促进我国橡塑工厂的智能化、无人化的升级,为实现注塑成型智能无人化制造工厂提供基础条件;项目完成后,可为注塑厂降低最多80%工人,有效缓解劳动力问题。

参考文献:
[1] 闫锴.智能工厂监控系统设计与实现[J].工程技术,2017,7(24):246.
[2] 曹银平. 大数据平台, 注塑装备行业实现智能化转型的关键 [J] .自动化博览,2017(2):58-60.
[3] 麦源振,谷刚,王志平.基于STM32和uCOS-II 的注塑车间MES 数据采集与监控系统设计[J].制造业自动化,2015(7):
[4] 常镜洳.基于大数据的智能工厂数据平台架构设计与研究[J] . 软件工程,2019(12):31-34.
[5] 阳恩贵, 曾毅.智能工厂在工业制造企业的推广[J].机电工程技 术,2020,49(8):157-159.
[6] EUROMAP 66-2002.与外围设备通信协议[S].
[7] GB/T 38687-2020.橡胶塑料机械外围设备通信协议[S].
[8] 王喜文. 中国制造2025 [M]. 北京:机械工业出版社,2015.
[9] 《现代塑料》 编辑部. 以威猛4.0 打造智能注塑工厂[J] .现代 塑料,2020(3):17-19.
[10] 梁泽逍,王界兵.基于智能注塑成型MES 系统的OPC数据采 集系统[J] .电子世界,2019(5): 131-132.
[11] 谢仲铭, 王立斌, 覃仁奇. 一种塑胶成型的控制系统: 201710147491.6 [P].2017.
[12] 蒋志坚,石长城,冯伟健.一种注塑机工业4.0联网系统以及监 控方法:201711492010.1 [P]. 2017.