基于opcua的模具制造制造互聯(lián)互通技術(shù)研究

基于opcua的模具制造制造互聯(lián)互通技術(shù)研究

0《中國制造2025》模具制造概述隨著信息變革時代的到來，工業(yè)領(lǐng)域的信息競爭日益激烈。智能制造迎來了全球熱潮，以德國、美國為主的歐美發(fā)達(dá)國家分別提出了“德國工業(yè)4.0”和“美國先進(jìn)制造/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等制造發(fā)展戰(zhàn)略，力圖在新一輪競爭中保持領(lǐng)先。面對制造業(yè)信息革命帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我國制定了《中國制造2025》強(qiáng)國戰(zhàn)略模具制造屬于傳統(tǒng)離散型裝備制造業(yè)，相比于制造業(yè)中其他制造類型，模具制造具有零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單件生產(chǎn)、質(zhì)量要求高、過程復(fù)雜等特點(diǎn)。模具制造常用設(shè)備有CNC加工中心、電火花加工機(jī)床等，雖然加工制造設(shè)備正向智能化的方向發(fā)展以下從智能制造互聯(lián)互通角度出發(fā)，通過對數(shù)字化車間裝備與管理系統(tǒng)之間交互作用的分析，闡述了面向模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通技術(shù)物理和網(wǎng)絡(luò)層面的構(gòu)成，介紹了基于OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)的模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通信息模型，并對基于OPCUA模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通的研究方法進(jìn)行了探討。1針對制造業(yè)的連通性技術(shù)1.1國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)系建設(shè)指南互聯(lián)互通是國家工信部和國家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合發(fā)布的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)系建設(shè)指南》根據(jù)2018年國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化總體組發(fā)布的《智能制造基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)研究成果》1.2模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通技術(shù)分析按照工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品形態(tài)和生產(chǎn)工藝組織方式，可將工業(yè)行業(yè)分為流程工業(yè)和離散工業(yè)2種典型的類型模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通應(yīng)用層面就是實(shí)現(xiàn)裝備之間、裝備與生產(chǎn)管理系統(tǒng)間有效信息共享交互1.3基于兩大體系的模具制造過程管理實(shí)現(xiàn)模具制造過程中的互聯(lián)互通，其關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)模具制造裝備中電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工等單條自動線的加工制造信息的交互，實(shí)現(xiàn)以電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工為主的模具制造過程的自動化與信息化。智能制造系統(tǒng)的組成中，MES系統(tǒng)及其構(gòu)成部分是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在制造業(yè)信息化過程中起著協(xié)調(diào)和傳遞企業(yè)生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)信息的紐帶作用車間層主要負(fù)責(zé)模具加工制造的過程管理，包括排產(chǎn)、生產(chǎn)及物流調(diào)度等任務(wù)，主要由MES、WMS調(diào)度等系統(tǒng)組成。單元層負(fù)責(zé)模具制造過程中數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及控制，主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、人機(jī)界面（HMI）等，負(fù)責(zé)對工業(yè)機(jī)器人上下料邏輯執(zhí)行控制、加工機(jī)床的程序下載與運(yùn)行、條碼或RFID識別控制、HMI顯示等生產(chǎn)操作監(jiān)控。設(shè)備層負(fù)責(zé)完成模具加工、檢測、運(yùn)輸、存儲等任務(wù)，加工設(shè)備主要完成鋼件與電極加工，分為鋼件CNC加工、電極CNC加工、鋼件EDM加工等類型；檢測設(shè)備主要完成加工后的模具電極尺寸檢測任務(wù)，通常采用三坐標(biāo)測量儀；運(yùn)輸主要由工業(yè)機(jī)器人與AGV小車完成；存儲設(shè)備主要完成模具鋼件與電極整個制造過程的存儲任務(wù)，由料架、立體庫、預(yù)設(shè)平臺等組成。模具制造過程互聯(lián)互通，就是要實(shí)現(xiàn)從加工指令源頭到執(zhí)行過程的自動化和信息化，推動模具智能制造理念貫徹實(shí)施。1.4ot與it融合的主要研究內(nèi)容工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)（OT）+連接信息系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（IT）融合的重要載體和關(guān)鍵平臺目前主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)以連接生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備與OT+IT形式為主目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重點(diǎn)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷地滲透到工業(yè)領(lǐng)域，模具裝備網(wǎng)絡(luò)整體網(wǎng)絡(luò)布局可以直接以互聯(lián)網(wǎng)模式進(jìn)行，具體實(shí)現(xiàn)方式是模具裝備通過以太網(wǎng)等方式在車間局域網(wǎng)進(jìn)行串并聯(lián)，通過互聯(lián)網(wǎng)接入云平臺，實(shí)現(xiàn)模具裝備的互聯(lián)互通，如圖5所示。2模型與連接信息的連接研究及方法2.1opcua在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用制造系統(tǒng)內(nèi)信息的互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其核心是標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OLEforprocesscontrolunifiedarchitecture,OPCUA）是一套安全、可靠且獨(dú)立于制造商和平臺，并用于工業(yè)通訊的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范國內(nèi)外對OPCUA在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了一些進(jìn)展。在工業(yè)裝備制造領(lǐng)域，王立平等2.2基于opcua模具制造車間互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的實(shí)踐探索模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通目前研究還未見報道，對于利用OPCUA建立模具裝備信息模型來實(shí)現(xiàn)模具數(shù)字化車間制造互聯(lián)互通，可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行研究。(1)OPC基金會已經(jīng)發(fā)布了OPC信息模型規(guī)范，此外還有CNC系統(tǒng)信息模型、機(jī)器人信息模型、PLC設(shè)備信息模型等相關(guān)配套的規(guī)范。利用這些伴隨標(biāo)準(zhǔn)對模具制造數(shù)字化車間中CNC設(shè)備、EDM設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等進(jìn)行加工制造信息的分析，對模具裝備制造信息模型進(jìn)行設(shè)計，通過對具體實(shí)現(xiàn)方式選擇，如XML文件形式、信息模型建模工具等，對所建立的模型完整性進(jìn)行評估和完善，最終構(gòu)建模具制造車間實(shí)例化信息模型。(2)2020年7月發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)《基于OPCUA的數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》（GB/T38869-2020），給出了面向機(jī)械加工行業(yè)的OPCUA架構(gòu)應(yīng)用導(dǎo)則。模具裝備制造領(lǐng)域涵蓋的設(shè)備有CNC機(jī)床、EDM機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、電極和鋼件的倉儲物流系統(tǒng)等。通過對模具制造車間裝備進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，如圖6所示，可實(shí)現(xiàn)以CNC機(jī)床、EDM機(jī)床等加工設(shè)備為主，上下料機(jī)器人、智能倉儲設(shè)備、AGV小車等為輔的模具裝備網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。(3）利用OPCUA協(xié)議棧軟件進(jìn)行互聯(lián)互通工作的開展。目前市面上OPCUA可用協(xié)議棧軟件已經(jīng)相對成熟，商用的有MatrikonOPC、Softing、UnifiedAutomationOPCUA開發(fā)套件；開源的有open62541、UA-.NETStandard等開源OPCUA，其中open62541實(shí)現(xiàn)了OPCUA二進(jìn)制協(xié)議棧以及客戶端和服務(wù)器SDK。最終服務(wù)器二進(jìn)制文件的大小可低于100kB，具體取決于所選功能和信息模型的大小，所有代碼是經(jīng)過OPC基金會認(rèn)證的完全開源實(shí)現(xiàn)，建議使用基于開源的open62541來實(shí)現(xiàn)OPCUA3基于互聯(lián)網(wǎng)的模具制造新模式針對模具裝備制造業(yè)數(shù)字化車間互聯(lián)互通技術(shù)進(jìn)行了剖析，通過對互聯(lián)互通概念的闡述，綜述了模具裝備制造業(yè)互聯(lián)互通技術(shù)的研究需求與研究現(xiàn)狀，得到如下結(jié)論。(1）實(shí)現(xiàn)模具制造過程中的互聯(lián)互通，其關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)模具制造裝備中電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工等單條自動線的加工制造信息的交互，實(shí)現(xiàn)以電極CNC、鋼件CNC以及鋼件EDM加工為主的模具制造過程的自動化與信息化。(2）目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、基于云的部署等方面是OT和IT融合的研究重點(diǎn)。模具裝備制造業(yè)整體網(wǎng)絡(luò)可以直接