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3.1 异构制造装备智能体集成 |
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传统制造业中，消费者与制造企业之间、企业管理者与执行者之间，以及生产车间设备之间，存在着交流困难、信息滞后等问题。物联网技术同制造系统深度融合的产物—物联制造（IoT-Based Manufacturing，IoTM），将制造企业的研制、生产过程由传统的“黑箱”模式转变为“多维度、透明化、泛在感知”的全新模式。该制造模式使得制造企业与消费者的联系更加紧密，个性化定制使得规模经济和个性化产品与服务进行有效结合，实现了制造企业从生产驱动向消费驱动的转变。
加工设备在加工过程中将产生大量的加工生产信息，而不同厂商的数控系统存在异构性和封闭性，导致车间管理层要获取这些不同数控系统所产生的信息数据，就要开发不同类型的信息采集接口，造成工作量大，且效率低下。
数控机床运动控制主要包含程序启动、运行模式选择、运动控制以及刀具和夹具的选择等。状态信息监测是实现对数控机床的设备状态、加工参数和程序执行状态等的监测功能。信息交互是实现不同厂商的数控系统之间以及数控系统与车间其他设备之间的物联等功能。
“工业 4.0”环境下的智能制造装备是具有预测、感知、分析、推理、决策、控制功能的各类制造装备的统称，是在数控装备基础上，将物联技术、人工智能技术与制造技术相结合的一种更先进、更高效率的制造装备。现阶段，国内外主要着眼于单体设备的持续研发。
目前对装备智能体问题的研究主要集中在加工工艺智能设计、制造装备智能控制监测、工艺参数自适应控制、设备信息感知与故障预测等方面。研究中大多针对单体设备进行智能化改造，没有对设备在制造系统中执行加工任务的过程进行系统考虑，无法体现物联环境下制造车间的功能。其主要体现在以下两个方面。
（1）车间中制造装备种类繁多，不同类型制造装备控制系统与通信协议存在异构性和封闭性。装备智能体构建需要实现对制造装备的基本控制和相关信息采集，由于系统间相互孤立，导致在应用系统开发时，采集方案相互不兼容，开发工作量较大，复杂性较高。因此，需要构建制造装备适配器，并且实现统一接口。通过对统一接口的调用，就可以实现对多种类型设备的控制、监测等相关操作。
（2）在物联制造环境下，制造过程愈发强调装备之间的互联互通，制造装备不再是独立的个体。因此需要根据制造装备的运行状况，定义其在正常运行状态以及扰动状态下的交互方式。现阶段制造装备间并未实现互联互通，导致制造装备在执行加工任务的过程中，制造装备之间无法进行交流与协作。同时制造装备在执行加工任务时会产生大量的加工信息，没有对信息进行合理分析和未及时对加工任务进行调度，导致信息资源浪费。同时，合理设计交互信息流，明确装备间交互信息的来源与内容，根据交互信息流，构建装备智能体分析决策层，包括装备自身动作信息分析、环境相关的加工任务信息分析，实现对装备动作的智能控制，并合理选择加工任务的功能。
针对上述问题，提出物联制造环境下的装备智能体构建方法，加强制造装备在加工过程中的联系，使制造装备在加工过程中具备感知、交互、分析、执行等能力，提升制造车间的设备利用率和降低制造成本。该构建方法主要分为以下两个部分。
（1）以车间中最复杂的制造装备——数控设备，为研究对象，针对车间多类型设备设计数控系统适配器，并结合上层应用开发需求设计适配器统一接口。适配器包括三个部分：控制层、监测层、文件传输层。控制层主要实现对设备的基本动作控制，如 NC 程序的启停、加工模式的选择、运动轴运动方向的选择、刀具和夹具的控制等。监测层则是对设备在加工过程中相关信息的监测，包括当前加工状态、加工参数、运动轴坐标、程序执行状态等。文件传输层的功能是在与设备建立连接的基础上，实现 NC 文件以及相关配置文件的传输。
（2）为提升制造装备在加工过程中与制造系统中其他设备的交互能力，针对制造装备在物联环境下的加工状态，分别定义其在正常运行状态下和扰动状态下的交互模型，并设计交互信息流，根据交互信息，构建分析决策层，包括装备自身动作信息分析、环境相关的加工任务信息分析，实现对装备动作的智能控制，并合理选择加工任务的功能，从而提升制造车间的设备利用率和降低设备扰动造成的影响。
制造装备作为制造车间中最重要的生产单元，其智能化发展对于提高整个制造车间的智能性有着举足轻重的作用。随着互联网技术与传统制造装备的不断融合，制造装备智能化发展进程不断加速。制造装备智能化是制造装备发展的高级阶段，能够实现高度自动化，进一步提高生产效率，减少人类的体力和脑力劳动。在物联制造过程中，制造装备间通过相互交流，将自身信息与订单信息相互通知，合作完成订单任务；在制造过程中，产生大量的数据信息，通过分析制造装备当前状态，对提升制造装备加工性能具有重要的参考价值。本书提出的物联制造环境下装备智能体构建方式，是制造装备智能化构建的一种方法，是对制造装备历史加工经验的总结与提炼，使制造装备不再是单独的个体，而是能够与其他设备进行交互信息，通过环境与自身状态信息的分析，来给出正确的加工方案。在现阶段，制造装备的智能化水平还处在发展阶段，随着人工智能等技术的不断深入融合，实现真正意义上的智能个体近在咫尺，因此研究装备智能体的构建方式具有十分重要的意义。
在分析了物联制造车间特点的基础上，为提出加工设备智能化的总体方案，还需要研究加工设备智能化的需求。物联制造车间中，以数控机床为代表的加工设备，在加工过程中产生的信息具有总量大、结构复杂多样等特点，经过分析，得出物联制造环境下加工设备智能化的需求如下。
（1）首先，制造业信息化的热潮和企业对车间层特别是数控机床提出了信息采集的迫切需求，但由于不同数控系统的异构性和封闭性，以及采集需求和目标的差异性，导致了以实际应用为导向的各种采集方案缺乏通用性和兼容性，也形成了目前各种方法孤立并存的局面。其次，在物联制造车间运行过程中，需要监测加工设备的状态信息以及在加工设备出现故障后，车间管理者能实现对其控制。最后，在物联制造车间中，数控机床与车间其他加工设备在加工过程中存在信息交互的问题。因此，就需要构建针对不同数控系统的统一接口，用于实现不同数控机床的运动控制、数据采集和对外交互等功能。
（2）加工设备在物联制造车间生产过程中，积累了大量的历史加工信息，需要从加工设备历史加工信息中，提取出能优化加工设备加工参数、提高车间加工效率和提升产品质量的关键信息。针对每一台加工设备，首先是利用其大量历史加工信息，从中分析出提高制造车间生产效率、优化加工设备加工参数的信息。其次，在物联制造环境下，建立加工设备智能化评价体系，来实现对加工设备智能性以及对提高车间加工效率的评价，以验证加工设备智能化的可行性和优越性。
通过分析物联制造车间的特点和结构，可以看出在物联制造车间中，制造装备间的联系更加紧密，加工过程愈发强调装备间的交互协作。而在传统制造车间执行加工任务过程中，制造装备间并未实现互联互通，导致制造装备之间无法进行交流与协作。因此，针对上述问题，本章结合物联制造技术，构建面向物联制造车间的装备智能体。
装备智能体是具有感知、交互、分析、执行功能的制造装备，它可以感知自身状态信息，与车间内其他制造装备交互任务信息，并根据车间环境信息与自身状态信息及时对加工任务进行调度。装备智能体不仅仅指制造装备本身，而是软件部分与硬件实体的综合体。
软件部分是实现装备智能体的关键部分，一般由三部分组成：适配层、交互层与分析层。其中，适配层是基础软件，主要实现对制造装备的控制与监测；交互层软件负责装备间信息交互；分析层软件则用于对交互信息与状态信息进行分析，并做出合理决策。软件运行需要与相应的控制器进行绑定，然而制造装备自身控制器往往在设备出厂的时候已经设定好，而且控制器系统不符合一般开发需求，不同厂商的控制器种类不同，很难实现一个统一的开发方式。因此为了解决软件运行需要的硬件环境问题，在制造装备实体基础上加装嵌入式工控机，制造装备通过网络接口连接至嵌入式工控机，软件运行控制监测信号通过嵌入式工控机发送，从而实现对制造装备的控制与监测。嵌入式工控机内部软件架构如图3-1所示。
图3-1 嵌入式工控机内部软件架构
硬件部分除了制造装备本体与运行软件部分的嵌入式工控机之外，配套相应的工件缓冲区，用于存放等待加工的工件。同时工件信息的读取需要 RFID 读写器设备，制造装备其他状态监测需要安装传感器。为了方便集成，硬件都与嵌入式工控机连接，并按照规定的通信协议实现通信，连接结构如图3-2所示。
工件缓冲区通过网线与工控机连接，利用TCP/IP协议进行通信。RFID中存储工件信息，通过RFID读写器可以读取内部信息，RFID读写器通过串口连接至工控机。工控机与制造装备连接大多采用统一网口，控制与监测信息传递一般与制造装备的通信协议有关，通信则通过TCP/IP实现。
图3-2 嵌入式工控机与装备智能体硬件部分的连接结构
物联制造环境下的离散车间内异构制造装备的集成是一个软硬件结合的过程，根据物联制造技术理论，本章提出了一种面向物联制造车间的装备智能体构建方案，在此基础上实现异构系统集成。该方案主要由两部分组成：一是对于制造装备本身来说，通过构建适配器，实现装备的通信与控制模式的统一，并结合上层应用开发需求，设计适配器统一接口；二是从制造装备与车间其他设备互联的角度出发，分别定义制造装备在不同加工状态下的交互方式，并设计交互信息流，明确装备间交互信息的来源与内容。基于交互信息，构建分析决策层，包括装备自身动作信息分析、环境相关的加工任务信息分析。
数控系统适配器的建立，作为不同数控系统之间以及数控系统与车间其他设备交互的媒介，实现不同数控系统数据接口的统一，同时也是加工设备加工效果评估预测模块与数控系统数据交换的桥梁。
通过建立装备智能体适配器，从而实现车间中多类型制造装备通信与控制方式的统一，为分析决策层开发以及装备智能体软件系统开发奠定基础。本章重点为适配器的设计，装备之间的交互解决方案将在下一章介绍。