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(jìn)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(jìn)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(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)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(jìn)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(diǎn)。以科技創(chuàng)新為主要驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)、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(jìn)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(shí)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(jī)械、煤炭機(jī)械、軌道交通機(jī)械和紡織機(jī)械產(chǎn)業(yè)，以及以電機(jī)、液壓件和鑄鍛件等為主的機(jī)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(yùn)行管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人操作、產(chǎn)品全壽命周期維護(hù)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(jià)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(jìn)行分析，為山西省乃至我國裝備制造業(yè)推進(jìn)智能制造工作提供借鑒。

1智能制造在冶金機(jī)械方面的研究及應(yīng)用

在冶金機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò)、PLC控制系統(tǒng)、連軋管機(jī)組HGC系統(tǒng)、數(shù)字化的傳動(dòng)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(dòng)化和過程自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(jī)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(jī)械及煤炭深加工機(jī)械的重要產(chǎn)地。近年來，智能制造在煤炭開采及深加工機(jī)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(jī)械方面，以大型露天礦挖掘機(jī)為例，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，開發(fā)出礦用挖掘機(jī)多系統(tǒng)協(xié)調(diào)智能控制技術(shù)、集成控制系統(tǒng)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型礦用挖掘機(jī)的數(shù)字化控制、數(shù)字化運(yùn)行。在采煤機(jī)械方面，以千萬噸級采煤機(jī)為例，建立了采煤機(jī)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(jī)載監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)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(jī)的智能化程度。建立了基于振動(dòng)加速度包絡(luò)技術(shù)的采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷模型，研發(fā)了采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下開采工況的搖臂傳動(dòng)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(jī)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(jī)定位裝置，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在工作面煤層的定位，獲得了采煤機(jī)截割煤厚的預(yù)判數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)基于仿形截割的智能截割。采煤機(jī)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(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過通訊系統(tǒng)將相關(guān)信息傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理，并根據(jù)采集到的信息制定控制策略，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的智能控制。在煤礦輸送機(jī)械方面，以刮板輸送機(jī)為例，采用了大功率刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，每臺電機(jī)均由一套獨(dú)立的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)控制。在刮板輸送機(jī)上采用鏈條自動(dòng)張緊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對鏈條張緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使得張緊力始終保持在合理范圍之內(nèi)，增強(qiáng)了整機(jī)工作的可靠性。刮板輸送機(jī)采用了整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)的處理能力，實(shí)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(jī)械方面，以7m焦?fàn)t成套設(shè)備為例，焦?fàn)t機(jī)械電氣系統(tǒng)為“上位人機(jī)界面＋PLC現(xiàn)場總線＋變頻傳動(dòng)”組成的三級控制系統(tǒng)。上位人機(jī)界面監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；PLC通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及整機(jī)運(yùn)行的時(shí)序邏輯控制；采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。同時(shí)，通過無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動(dòng)對位技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了焦?fàn)t機(jī)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?fàn)t機(jī)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(jī)械方面的研究及應(yīng)用

在起重機(jī)械方面，以鋼廠起重機(jī)為例，采用高精度定位技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合對起重機(jī)運(yùn)行工藝的研究，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)高精度全自動(dòng)（無人值守）運(yùn)行。面對起重機(jī)所在廠房的整體工藝進(jìn)行研究，并編制自動(dòng)化控制程序，對工廠內(nèi)搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行集中控制，從而實(shí)現(xiàn)智能工廠、智能搬運(yùn)的系統(tǒng)工程方案。同時(shí)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，全面采集起重機(jī)的各種數(shù)據(jù)、信息，并進(jìn)行計(jì)算、分析，達(dá)到對起重機(jī)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(jī)的自動(dòng)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(jī)組為例，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真軟件實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組模型建立、特性分析及數(shù)字化仿真計(jì)算；通過PC控制和變流傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行控制；通過遠(yuǎn)程SCADA系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息共享、故障診斷及維護(hù)，從而建立“數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算、控制以及管理”的一體化平臺。圖3為風(fēng)電機(jī)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(diǎn)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(jī)全生命周期管理技術(shù)等。

5智能制造在紡織機(jī)械以及機(jī)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(jī)械方面

以數(shù)控自動(dòng)集體落紗細(xì)紗機(jī)為例，細(xì)紗機(jī)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(diǎn)，以數(shù)控技術(shù)、信息技術(shù)為主導(dǎo)，以高精度自動(dòng)化機(jī)械加工技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用機(jī)、電、儀、光、氣等先進(jìn)技術(shù)手段，用數(shù)字化電機(jī)技術(shù)產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)械機(jī)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(zhǔn)確可靠的數(shù)字化自動(dòng)控制功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)紗紡織工序的全過程自動(dòng)化。

5．2在機(jī)械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)方面

在機(jī)械基礎(chǔ)件制造產(chǎn)業(yè)方面，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算手段，在結(jié)構(gòu)有限元、多體動(dòng)力學(xué)、疲勞耐久性分析、振動(dòng)與聲學(xué)仿真、氣動(dòng)／液壓等流體傳動(dòng)系統(tǒng)仿真、機(jī)電一體化分析、多學(xué)科協(xié)同仿真等方面進(jìn)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(jìn)行了深入的研究分析。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)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(yuǎn)程監(jiān)控中心建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對裝備的遠(yuǎn)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(yùn)輸車輛及無動(dòng)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(dòng)換擋微機(jī)控制系統(tǒng)，具有換向保護(hù)、自動(dòng)換擋、超速保護(hù)、故障診斷及數(shù)據(jù)顯示和記錄、雙機(jī)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(diǎn)，能有效提高車輛操作的簡潔性、經(jīng)濟(jì)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(xiàng)，采用先進(jìn)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(dòng)通用、專用智能制造裝備的加速研制和迭代升級；推動(dòng)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(jìn)的新型智能制造裝備，培養(yǎng)了智能制造人才隊(duì)伍，并積累了大量經(jīng)驗(yàn)。然而，山西省裝備制造業(yè)智能制造推進(jìn)工作與國內(nèi)先進(jìn)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(diǎn)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(jìn)智能制造難以一蹴而就，任重道遠(yuǎn)。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(shí)融合、知識驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化和安全高效的智能制造系統(tǒng)。促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在裝備制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)全面貫通，加速推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，引導(dǎo)和推動(dòng)企業(yè)以市場為導(dǎo)向?qū)嵤└笠?guī)模、更高層次的自動(dòng)化、智能化改造，建成一批自動(dòng)化、數(shù)字化生產(chǎn)線，推動(dòng)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(tuán)公司