裝備制造業(yè)智能制造技術(shù)研究

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摘要：裝備制造業(yè)智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，介紹了山西省裝備制造業(yè)一些代表性專業(yè)領(lǐng)域開展智能制造技術(shù)研究及應(yīng)用的情況，為山西省乃至我國裝備制造業(yè)推進智能制造工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：裝備制造業(yè)；智能制造；應(yīng)用

0引言

智能制造是在新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等特征，是一種旨在提高制造業(yè)質(zhì)量、效益和核心競爭力的先進生產(chǎn)方式。智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，是世界各國全力爭奪的技術(shù)制高點。以科技創(chuàng)新為主要驅(qū)動力，加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，是我國從制造大國邁向制造強國的重要保障。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造作為制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主要途徑，已成為實現(xiàn)機械產(chǎn)品創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，能夠提高產(chǎn)品功能、性能和市場競爭力；智能化制造技術(shù)也是生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，能夠提升制造業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)和管理水平；它還是產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，能夠促進服務(wù)型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的發(fā)展，變革制造業(yè)的生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。山西省是重工業(yè)大省，在國家實現(xiàn)“中部崛起”戰(zhàn)略中具有重要地位。山西裝備制造業(yè)經(jīng)過改革開放三十多年的發(fā)展，已形成了在國內(nèi)外有一定影響和特色的重型機械、煤炭機械、軌道交通機械和紡織機械產(chǎn)業(yè)，以及以電機、液壓件和鑄鍛件等為主的機械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)。結(jié)合我國工業(yè)4．0、互聯(lián)網(wǎng)＋等發(fā)展戰(zhàn)略，山西省裝備制造企業(yè)將智能制造作為產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的抓手，針對不同的產(chǎn)品類別，在產(chǎn)品智能診斷系統(tǒng)、運行管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)控、無人操作、產(chǎn)品全壽命周期維護和數(shù)字化工廠等方面開展深入研究，不斷提升產(chǎn)品的智能化和信息化水平，從而極大地提升了產(chǎn)品價值和競爭力。本文將對山西省裝備制造業(yè)一些代表性專業(yè)領(lǐng)域開展的智能制造技術(shù)研究及應(yīng)用情況進行分析，為山西省乃至我國裝備制造業(yè)推進智能制造工作提供借鑒。

1智能制造在冶金機械方面的研究及應(yīng)用

在冶金機械方面，智能制造技術(shù)得到了較廣泛的推廣和應(yīng)用。以三輥連軋管機組為例，其數(shù)字化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖1可以看出，三輥連軋管機數(shù)字化控制系統(tǒng)主要由生產(chǎn)管理級、生產(chǎn)控制級、過程控制級和基礎(chǔ)自動化級組成。通過采用數(shù)據(jù)采集與過程監(jiān)控、軋制工藝管理系統(tǒng)、智能自動化網(wǎng)絡(luò)、PLC控制系統(tǒng)、連軋管機組HGC系統(tǒng)、數(shù)字化的傳動系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)，將數(shù)控技術(shù)與人工智能技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)自動化和過程自動化系統(tǒng)中，實現(xiàn)了整個熱軋鋼管生產(chǎn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和高效化。

2智能制造在煤炭開采及深加工機械方面的研究及應(yīng)用

山西省是煤炭大省，也是我國煤炭開采機械及煤炭深加工機械的重要產(chǎn)地。近年來，智能制造在煤炭開采及深加工機械方面的研究及應(yīng)用也受到了廣泛的關(guān)注，并取得了一些成果。

2．1在煤炭開采方面

在露天礦山采掘機械方面，以大型露天礦挖掘機為例，通過數(shù)字化設(shè)計，開發(fā)出礦用挖掘機多系統(tǒng)協(xié)調(diào)智能控制技術(shù)、集成控制系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型礦用挖掘機的數(shù)字化控制、數(shù)字化運行。在采煤機械方面，以千萬噸級采煤機為例，建立了采煤機分布式并行信息處理與控制數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了基于CAN總線和DSP的分布式機載監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤機的數(shù)據(jù)快速處理、信息可靠傳輸和狀態(tài)精確控制，提高了采煤機的智能化程度。建立了基于振動加速度包絡(luò)技術(shù)的采煤機搖臂傳動系統(tǒng)故障診斷模型，研發(fā)了采煤機傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下開采工況的搖臂傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障識別與全生命周期管理。研究了基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的采煤機定位與煤層識別技術(shù)，采用礦井狄正波CT探測方法首次建立了工作面煤層三維數(shù)字化GIS模型，利用采煤機定位裝置，實現(xiàn)了采煤機在工作面煤層的定位，獲得了采煤機截割煤厚的預(yù)判數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了采煤機基于仿形截割的智能截割。采煤機監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，采用溫度、壓力、流量、液位等傳感器對采煤機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，通過通訊系統(tǒng)將相關(guān)信息傳送到上位機進行處理，并根據(jù)采集到的信息制定控制策略，實現(xiàn)對采煤機的智能控制。在煤礦輸送機械方面，以刮板輸送機為例，采用了大功率刮板輸送機變頻調(diào)速技術(shù)，每臺電機均由一套獨立的變頻驅(qū)動系統(tǒng)單獨控制。在刮板輸送機上采用鏈條自動張緊技術(shù)，實現(xiàn)了對鏈條張緊力的實時監(jiān)測，使得張緊力始終保持在合理范圍之內(nèi)，增強了整機工作的可靠性。刮板輸送機采用了整機運行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，借助計算機的處理能力，實現(xiàn)了故障預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)存儲、打印和查詢等功能。

2．2在煤炭深加工方面

在煤焦化機械方面，以7m焦爐成套設(shè)備為例，焦爐機械電氣系統(tǒng)為“上位人機界面＋PLC現(xiàn)場總線＋變頻傳動”組成的三級控制系統(tǒng)。上位人機界面監(jiān)控整機的運行狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；PLC通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及整機運行的時序邏輯控制；采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)對運行機構(gòu)變頻電機轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。同時，通過無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動對位技術(shù)和遠程監(jiān)控技術(shù)等數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了焦爐機械的數(shù)控水平。隨著電氣系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的發(fā)展，焦爐機械將朝著智能化、無人操作的方向發(fā)展。

3智能制造在起重機械方面的研究及應(yīng)用

在起重機械方面，以鋼廠起重機為例，采用高精度定位技術(shù)、遠程控制技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合對起重機運行工藝的研究，實現(xiàn)起重機高精度全自動（無人值守）運行。面對起重機所在廠房的整體工藝進行研究，并編制自動化控制程序，對工廠內(nèi)搬運設(shè)備進行集中控制，從而實現(xiàn)智能工廠、智能搬運的系統(tǒng)工程方案。同時采用先進的傳感器技術(shù)，全面采集起重機的各種數(shù)據(jù)、信息，并進行計算、分析，達到對起重機全壽命周期監(jiān)控的目的。通過以上手段，全面提高了起重機的自動化、智能化、信息化水平。

4智能制造在新能源裝備方面的研究及應(yīng)用

在新能源裝備方面，以大型風(fēng)力發(fā)電機組為例，通過運用計算機輔助設(shè)計及仿真軟件實現(xiàn)了風(fēng)電機組模型建立、特性分析及數(shù)字化仿真計算；通過PC控制和變流傳動技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)機的自動化運行控制；通過遠程SCADA系統(tǒng)對風(fēng)電機組進行實時監(jiān)控、信息共享、故障診斷及維護，從而建立“數(shù)字化設(shè)計、計算、控制以及管理”的一體化平臺。圖3為風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)狀態(tài)總圖。對于風(fēng)電系統(tǒng)而言，今后的工作重點是繼續(xù)深入研究風(fēng)場大數(shù)據(jù)和平臺技術(shù)、風(fēng)機全生命周期管理技術(shù)等。

5智能制造在紡織機械以及機械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)方面的研究及應(yīng)用

5．1在紡織機械方面

以數(shù)控自動集體落紗細紗機為例，細紗機近年來發(fā)展呈現(xiàn)智能化、柔性化、模塊化和復(fù)合化特點，以數(shù)控技術(shù)、信息技術(shù)為主導(dǎo)，以高精度自動化機械加工技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用機、電、儀、光、氣等先進技術(shù)手段，用數(shù)字化電機技術(shù)產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的復(fù)雜機械機構(gòu)，并采用集體落紗氣架升降伺服系統(tǒng)、卷繞成型電子凸輪等，使其具備準確可靠的數(shù)字化自動控制功能，進而實現(xiàn)細紗紡織工序的全過程自動化。

5．2在機械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)方面

在機械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)方面，應(yīng)用先進的設(shè)計計算手段，在結(jié)構(gòu)有限元、多體動力學(xué)、疲勞耐久性分析、振動與聲學(xué)仿真、氣動／液壓等流體傳動系統(tǒng)仿真、機電一體化分析、多學(xué)科協(xié)同仿真等方面進行了廣泛研究，并針對數(shù)字化工廠發(fā)展要求，在CAD／CAE／CAPP／CAM技術(shù)上進行了深入的研究分析。同時，結(jié)合實際產(chǎn)品應(yīng)用，逐步實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計管理。結(jié)合信息化、智能化、數(shù)字化工作的開展和應(yīng)用，通過遠程監(jiān)控中心建設(shè)，實現(xiàn)對裝備的遠程監(jiān)控、診斷和分析等工作。

6智能制造在軌道交通裝備方面的研究及應(yīng)用

在軌道交通裝備方面，以新型內(nèi)燃調(diào)車為例，新型內(nèi)燃調(diào)車主要用于地鐵列車、運輸車輛及無動力軌道車輛的牽引、調(diào)車及車輛救援牽引作業(yè)，采用了基于CAN總線的自動換擋微機控制系統(tǒng)，具有換向保護、自動換擋、超速保護、故障診斷及數(shù)據(jù)顯示和記錄、雙機重聯(lián)等功能，具有起步平穩(wěn)、換擋平順及無沖擊等優(yōu)點，能有效提高車輛操作的簡潔性、經(jīng)濟型和安全性。

7結(jié)束語

各類裝備制造企業(yè)結(jié)合各自專業(yè)領(lǐng)域，針對感知、控制、決策和執(zhí)行等環(huán)節(jié)的短板弱項，采用先進工藝、信息技術(shù)與制造裝備深度融合，通過智能車間／工廠建設(shè)，帶動通用、專用智能制造裝備的加速研制和迭代升級；推動數(shù)字孿生、人工智能等新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，研制了一批先進的新型智能制造裝備，培養(yǎng)了智能制造人才隊伍，并積累了大量經(jīng)驗。然而，山西省裝備制造業(yè)智能制造推進工作與國內(nèi)先進省份相比總體上仍有較大的差距。近年來，在智能制造方面的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、研發(fā)投入不足、專業(yè)化人才缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈配套技術(shù)支撐短缺，大多智能制造研究及應(yīng)用局限在點或面上，高水平系統(tǒng)化的智能制造占比較少，努力空間較大。推進智能制造難以一蹴而就，任重道遠。關(guān)鍵要立足制造本質(zhì)，緊扣智能特征，以工藝、裝備為核心，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托制造單元、車間、工廠、供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)集群等載體，構(gòu)建虛實融合、知識驅(qū)動、動態(tài)優(yōu)化和安全高效的智能制造系統(tǒng)。促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在裝備制造業(yè)中實現(xiàn)全面貫通，加速推進生產(chǎn)過程智能化，引導(dǎo)和推動企業(yè)以市場為導(dǎo)向?qū)嵤└笠?guī)模、更高層次的自動化、智能化改造，建成一批自動化、數(shù)字化生產(chǎn)線，推動山西省裝備制造業(yè)加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。

作者:李寧 單位:山西春汾科創(chuàng)投資集團公司