裝備制造業(yè)智能制造技術研究

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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，介紹了山西省裝備制造業(yè)一些代表性專業(yè)領域開展智能制造技術研究及應用的情況，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。

關鍵詞：裝備制造業(yè)；智能制造；應用

0引言

智能制造是在新一代信息技術與先進制造技術深度融合的基礎上產(chǎn)生的，它貫穿于設計、生產(chǎn)、管理、服務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、自學習等特征，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，是世界各國全力爭奪的技術制高點。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，能夠提高產(chǎn)品功能、性能和市場競爭力；智能化制造技術也是生產(chǎn)技術創(chuàng)新的共性使能技術，能夠提升制造業(yè)的設計、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，能夠促進服務型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務業(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)領域開展的智能制造技術研究及應用情況進行分析，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用

在冶金機械方面，智能制造技術得到了較廣泛的推廣和應用。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、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)控技術與人工智能技術應用到基礎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用也受到了廣泛的關注，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)字化設計，開發(fā)出礦用挖掘機多系統(tǒng)協(xié)調(diào)智能控制技術、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技術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，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，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，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，借助計算機的處理能力，實現(xiàn)了故障預警、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、自動對位技術和遠程監(jiān)控技術等數(shù)控技術的應用，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、遠程控制技術和計算機應用技術，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，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用

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

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

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、模塊化和復合化特點，以數(shù)控技術、信息技術為主導，以高精度自動化機械加工技術為基礎，綜合運用機、電、儀、光、氣等先進技術手段，用數(shù)字化電機技術產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的復雜機械機構(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在機械基礎件制造產(chǎn)業(yè)方面

在機械基礎件制造產(chǎn)業(yè)方面，應用先進的設計計算手段，在結(jié)構(gòu)有限元、多體動力學、疲勞耐久性分析、振動與聲學仿真、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技術上進行了深入的研究分析。同時，結(jié)合實際產(chǎn)品應用，逐步實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期設計管理。結(jié)合信息化、智能化、數(shù)字化工作的開展和應用，通過遠程監(jiān)控中心建設，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、信息技術與制造裝備深度融合，通過智能車間／工廠建設，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、人工智能等新技術創(chuàng)新應用，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)鏈配套技術支撐短缺，大多智能制造研究及應用局限在點或面上，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，依托制造單元、車間、工廠、供應鏈和產(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，引導和推動企業(yè)以市場為導向?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