CN107219833A - 一种冷轧磨辊智能工厂生产监控*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***，生产监控***包括磨辊工厂监控MES层、中间网络层以及磨辊工厂数据采集层；磨辊工厂监控MES层通过内部工业以太网连接上层ERP规划层，磨辊工厂监控MES层负责快速响应上层ERP规划层的生产计划，让管理人员和上层ERP规划层掌握磨辊在磨辊工厂生产任务的实施；中间网络层用于将磨辊工厂内各数据采集器采集到的数据传输给磨辊工厂监控MES层；磨辊工厂数据采集层通过磨辊工厂内的数据采集器采集磨床和机器人装置的生产数据，并将采集到的数据通过CAN现场总线传输给中间网络层。本发明让冷轧厂纵向的各计划上层和横向的其他车间实现信息互联，将信息整合在一起，有助于冷轧厂更好的管理。
Description
技术领域
本发明涉及智能生产监控***，特别涉及一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***。
背景技术
在全球制造业高速发展的今天，钢铁产量的需求也在日益增加，从20世纪末以来我国钢铁行业平均年增钢产量达到了7倍之多。冷轧辊是钢铁行业生产的重要部件，常用来轧制钢板，随着我国钢产量不断增加，冷轧辊的消耗量也快速上升。
随着德国“工业4.0”发展规划的提出，我国提出了符合中国国情的“中国制造2025”目标，这就要求制造加工型企业，大力推进设备运行过程的自动化智能化的管理；先进的管理***通过实时监控对整个工厂设备运行状态进行管理，实时监控包括生产数据采集和发送的问题，ERP***通过MES***下达生产方案，企业通过MES***对生产过程进行控制并上报进行信息整合，实现工厂现场全过程监控。
现在的磨辊工厂还有很多是单纯依靠人力监控生产过程，如磨辊工厂内轧辊的工艺和设备参数、质量信息追溯确认、设备的突发性故障，辊子合格率低等问题，这些都将带来消耗大量设备的运转时间，所以依靠人力在工厂现场进行过程监控与管理的可靠性和准确性都较低，将会给企业带来经济效益上的损失；这种基于手动操作的生产监控管理模式数据量少，误差率高，信息滞后，严重影响磨辊工厂的生产率的生产模式已经无法达到市场的竞争水平。因此磨辊工厂需要建立一个生产过程实时、准确监控的***，对加工过程、工艺参数实时匹配验证，同时能够把棍子的信息进行反馈，并与各生产设备进行实时数据传输。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能让冷轧厂纵向的各计划上层和横向的其他车间实现信息互联，将信息整合在一起，有助于冷轧厂更好管理的冷轧磨辊智能工厂生产监控***。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***，生产监控***包括：
一磨辊工厂监控MES层，磨辊工厂监控MES层通过内部工业以太网连接上层ERP规划层，磨辊工厂监控MES层负责快速响应上层ERP规划层的生产计划，通过直观的形式让管理人员和上层ERP规划层可以轻松掌握磨辊在磨辊工厂生产任务的实施，从而优化生产计划排程；
一中间网络层，中间网络层用于将磨辊工厂内各数据采集器采集到的数据传输给磨辊工厂监控MES层；
一磨辊工厂数据采集层，磨辊工厂数据采集层通过磨辊工厂内的数据采集器采集磨床和机器人装置的生产数据实现对磨辊工厂生产过程的自动化监测，并将采集到的数据通过CAN现场总线传输给中间网络层。
在本发明的一个实施例中，所述磨辊工厂监控MES层包括若干台计算机、打印机以及电子看板，计算机、打印机以及电子看板全面管理磨辊工厂制造订单的整个生产过程。
在本发明的一个实施例中，中间网络层包括通信处理器、CAN现场总线控制器、工业以太网控制器、ZigBee协调器以及ZigBee路由器；ZigBee协调器和ZigBee路由器的树状拓扑网络，实现磨辊的全生命周期管理。
在本发明的一个实施例中，磨辊工厂数据采集层包括磨床、机器人移动平台、六轴机器人以及RFID读写器；电子标签负责对轧辊信息进行跟踪和采集，将轧辊每一次的报废和修磨的数据都记录下来，提供轧辊质量信息的追溯和查询。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明让冷轧厂纵向的各计划上层和横向的其他车间实现信息互联，将信息整合在一起，有助于冷轧厂更好的管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明冷轧磨辊工厂设备布置简图；
图2为本发明磨辊工厂生产监控***总体架构框图；
图3为本发明MES应用在磨辊工厂的生产现场数据流图；
图4为本发明冷轧磨辊工厂智能监控生产过程设计图；
图5为本发明轧辊磨床信号监控类型框图；
图6为本发明磨床上新增传感器检测轧辊信号原理图；
图7为本发明磨辊数据采集过程原理图；
图8为本发明MES生产过程监控***结构图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
10、磨辊工厂监控MES层 11、计算机 12、打印机 13、电子看板 20、中间网络层21、通信处理器 22、CAN现场总线控制器 23、工业以太网控制器 24、ZigBee协调器 25、ZigBee路由器 30、磨辊工厂数据采集层 31、磨床 32、机器人移动平台 33、六轴机器人34、RFID读写器 35、电子标签 40、上层ERP规划层。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1所示，冷轧磨辊工厂设备包括10个Capco磨床、工业机器人以及AGV小车等，2台或3台Capco磨床通过工业机器人移动轨道共用一台工业机器人；被辊区是存放待磨削和磨削及处理完成的轧辊放置区，通过AGV小车和***控制完成轧辊的搬运。
参见图2所示，本发明公开了一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***，包括磨辊工厂监控MES层、中间网络层以及磨辊工厂数据采集层。
磨辊工厂监控MES层通过内部工业以太网连接上层ERP规划层，磨辊工厂监控MES层负责快速响应上层ERP规划层的生产计划，磨辊工厂监控MES层包括若干台计算机、打印机以及电子看板，计算机、打印机以及电子看板全面管理磨辊工厂制造订单的整个生产过程；通过直观的形式让管理人员和上层ERP规划层可以轻松掌握磨辊在磨辊工厂生产任务的实施，从而优化生产计划排程。
中间网络层用于将磨辊工厂内各数据采集器采集到的数据传输给磨辊工厂监控MES层；包括在磨辊工厂内生产监控***CAN现场总线和工业以太网的有线连接方式、ZigBee无线近程通信网络和RFID电子标签的物联网技术；从冷轧厂上层到底层磨辊工厂现场的CAN现场总线和工业以太网结合的有线连接方案；中间网络层包括通信处理器、CAN现场总线控制器、工业以太网控制器、ZigBee协调器以及ZigBee路由器；实现在磨辊工厂内各设备采集器之间的数据的通信和传输，以及上位管理机和终端节点之间的信号；ZigBee网络和RFID组成的磨辊信息采集的物联网方案，包含RFID电子标签，RFID读写器，ZigBee协调器和ZigBee路由器的树状拓扑网络，实现磨辊的全生命周期管理。
磨辊工厂数据采集层通过磨辊工厂内的数据采集器采集磨床和机器人装置的生产数据实现对磨辊工厂生产过程的自动化监测，并将采集到的数据通过CAN现场总线传输给中间网络层；磨辊工厂数据采集层是生产监控***中的关键部分，通过磨辊工厂内的数据采集器采集磨床和机器人装置的生产数据实现对磨辊工厂生产过程的自动化监测；各种输入信号经过PLC的处理，以预先输入的指令控制磨床和机器人动作，以此实现生产监控任务；磨辊工厂数据采集层包括磨床、机器人移动平台、六轴机器人以及RFID读写器；还有通过物联网技术的电子标签负责对轧辊信息进行跟踪和采集，将轧辊每一次的报废和修磨的数据都记录下来，提供轧辊质量信息的追溯和查询。
本发明用六轴机器人替代原本用葫芦吊手动操作磨辊在磨床上的装卸动作，并添加了中间托架平台配合多功能夹具自动完成磨辊的研磨后的辅助工艺；每个六轴机器人型轧辊上下料设备包含一套用伺服定位控制的机器人移动平台，实现与多台磨床信息层的通讯沟通，使每台机器人型轧辊上下料设备能够服务于多台磨床；另外在工作现场增加了一个中间辅助托架放置研磨好的轧辊，机器人自动执行轧辊的修磨辅助工作，如超声波表面探伤、质量报告上传、刮水、涂油、包装等，这些工作全由机器人来完成，满足智能工厂少人化的要求；同时也大大减少了在原本磨床上的工序操作，提高了磨床的实际作业率，生产过程的智能化改进能够在生产监控***的基础实现。
参见图3所示，其中，底层控制层PCS通过检测***采集磨辊工厂现场层的数据，通过执行层MES实现磨辊工厂管理层的制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制等，最终通过计划层ERP通知磨辊工厂上层。
参见图4所示，通过机器人实现自动上料和自动装夹，其次，在磨床上进行磨削和修磨，磨削和修磨完成，机器人卸下轧辊，放入中间架；最后，通过机器人的另一个夹具进行探伤、刮水、涂油等操作，得出质量报告后包装。
参见图5所示，磨床在加工过程中的状态信息包括运行信号、准备就绪信号、运行结束卸辊信号；运行信号包括加工所需的时间、主轴转速执行程序内容等；准备就绪信号包括磨床主轴运行停止、限位开关到位、卡盘复位、尾架顶针复位、磨床上无轧辊等；运行结束卸辊信号包括磨床各轴运行停止、限位开关到位、卡盘复位、尾架顶针复位、磨床上有轧辊等。
上述这些实时采集的信号通过生产监控***网络发送给机器人执行相应的工作指示，使机器人和磨床设备实现信息互联，其中各类信号分析：
1)磨床在运行过程中发出的信号包括研磨加工的程序名、主轴转速、主轴功率、进给速度等信息，通过采集以上的信号可以让磨辊工厂管理层更直观地了解现场设备正常运行的情况和磨辊在实际研磨任务中占用磨床的所需加工时间。
2)当磨床发出停止各轴运行信号、限位开关软着陆到位信号、头架卡盘复位信号、尾架顶针复位信号、磨床上无轧辊信号时，表示磨床当前为等待磨辊状态，采集器将指令发送到PLC，机器人轧辊搬运设备收到指令时，从辊架上取辊，进行装辊操作。
3)当磨床发出停止各轴运行信号、限位开关软着陆到位信号、头架卡盘复位信号、尾架顶针复位信号、磨床上有轧辊信号时，表示磨床当前为指令执行完毕卸辊信号，采集器再将指令发送到PLC，机器人轧辊搬运设备采集到这些信号时，从磨床上进行安全卸辊，将轧辊放到中间辅助工艺架上等待执行研磨辅助工艺。
4)当磨床存在不正确的操作或参数出现异常时，将发出异常报警信号，采集器收到报警信号后上传信息至工厂办公室，提醒工厂管理层人员进行及时检查和维护。
本发明中磨床的信号类型分为四类，其中准备就绪等待磨辊信号和指令执行完毕卸辊信号区别在于磨床上是否检测磨辊的信号，为了判断磨辊装上磨床后自动运行，通过在磨床上新增的传感器部件来检测是否有磨辊信号，磨床状态信号的采集是通过接入磨床动作开关接触信号来实现的；利用金属传感器或接近开关判断有无磨辊装夹的信号；首先将金属传感器安装在磨床尾架的一端，当有轧辊放上磨床时，金属传感器便将一个脉冲信号发送给智能采集器设备；采集器可以通过读取脉冲，并结合磨床上其他信号判断磨床当前的状态是准备就绪状态还是运行结束状态；再将数据发送到PLC，PLC控制六轴机器人装置执行下一步操作，同时采集器通过ZigBee网络将数据发送到协调器，再通过现场网络上传到磨辊工厂办公室。
参见图6所示，为了实现轧辊装上磨床后自动运行，通过在磨床上新增的传感器部件来检测是否有磨辊信号，磨床状态信号的采集是通过接入磨床动作开关接触信号来实现的；利用金属传感器或接近开关判断有无磨辊装夹的信号。
参见图7所示，轧辊放入被辊区后，采集器采集轧辊的供应商、生产日期、材料批号等信息，然后分配机床号；机器人搬运轧辊至分配的磨床，磨床开始执行磨削任务，同时采集器记录磨床号和运行中的各项参数，并上传；当PLC确认磨床状态为运行结束时，机器人卸辊，在中间托架执行检测、刮水和涂油等辅助工艺。
参见图8所示，磨辊车间上位机管理***由CAN总线与冷轧磨辊工厂物联网***相联；上位机管理***通过MySQL数据库管理，实现日志记录，通过WebServer(网页服务器)在工厂车间设置的多处客户端可以查看MES提供的信息；冷轧磨辊工厂物联网有现场采集器、转换器、编码器和RFID读写器和传感器等组成现场采集***；通过ZigBee网络联接磨辊工厂与其他车间MES工控管理***，再通过CAN总线将冷轧磨辊工厂采集的数据传送到磨辊工厂上位机MES管理***。
本发明中智能化的生产需要MES***的支持，MES生产监控***结构由两部分组成：磨辊工厂MES管理***和工厂物联网***；磨辊工厂MES管理层采用CAN现场总线传输数据，并建立相关数据库对生产过程的数据进行管理，而磨辊现场工厂采用ZigBee网络进行数据传递，包括：磨辊工厂MES工控管理***和现场数据采集***，其中,本发明中磨辊间上位机MES管理***，MES上位机管理***旨在参照数据库对现场数据集中管理，并对生产任务统计分析；应用功能如下：
1、冷轧磨辊工厂状态监控：根据图形和数据，实时显示磨辊工厂的生产状态；
2、生产计划管理：检查磨辊生产任务完成状态并下达新的生产任务；
3、与冷轧磨辊工厂管理机通讯管理：配置以太网和CAN网络的波特率；
4、数据库管理：历史数据的存储和查询；
5、分析与统计：基于历史记录的冷轧磨辊和磨辊间设备状态的统计分析，检测设备到故障时，发送故障处理命令；
6、工作日志：记录磨辊工厂和***的工作状态，生成日志。
本发明中磨辊工厂现场MES管理***磨辊工厂现场MES管理***是现场操作人员的操作平台，主要任务是设置参数、故障报告和接收生产任务，其中：
1、生产界面操作：控制磨床、机器人装置、移动平台小车的运行和停止，查看当前状态信息和历史信息；
2、故障报告：当磨床、机器人装置出现异常情况时，均可反映到磨辊间上位机MES管理机；
3、接受生产任务：接受来自上层的磨辊生产任务。
4、数据写入：当磨辊被装夹在中间辅助托架上时，装夹的一端有RFID环形天线读写器对磨辊上的标签进行数据读写；
本发明中的一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***的优点如下：
1、智能生产监控***改变了传统以人工为主的生产模式，引入更多的自动化设备，提高冷轧厂的自动化程度，节省了劳动力，从而提高了生产效率，让冷轧厂更具市场竞争力。
2、智能生产监控***让冷轧厂纵向的各计划上层和横向的其他车间实现信息互联，将信息整合在一起有助于冷轧厂更好的管理。
3、改进后的智能化生产过程，增加了中间托架平台和工业机器人装置，减少了磨辊在磨床上占用时间，大大提高了磨床的使用率。
4、通过RFID(Radio Frequency Identification,无线射频识别)读写器采集磨辊在修磨后的质量数据，为改进轧辊修磨的工艺提供数据支持。
本发明主要适用于冷轧磨辊工厂生产监控***，对其他相关智能化工厂的监控方法也是适用的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种冷轧磨辊智能工厂生产监控***，其特征在于，生产监控***包括：
一磨辊工厂监控MES层，磨辊工厂监控MES层通过内部工业以太网连接上层ERP规划层，磨辊工厂监控MES层负责快速响应上层ERP规划层的生产计划，通过直观的形式让管理人员和上层ERP规划层可以轻松掌握磨辊在磨辊工厂生产任务的实施，从而优化生产计划排程；
一中间网络层，中间网络层用于将磨辊工厂内各数据采集器采集到的数据传输给磨辊工厂监控MES层；
一磨辊工厂数据采集层，磨辊工厂数据采集层通过磨辊工厂内的数据采集器采集磨床和机器人装置的生产数据实现对磨辊工厂生产过程的自动化监测，并将采集到的数据通过CAN现场总线传输给中间网络层。
2.根据权利要求1所述的冷轧磨辊智能工厂生产监控***，其特征在于，所述磨辊工厂监控MES层包括若干台计算机、打印机以及电子看板，计算机、打印机以及电子看板全面管理磨辊工厂制造订单的整个生产过程。
3.根据权利要求1所述的冷轧磨辊智能工厂生产监控***，其特征在于，中间网络层包括通信处理器、CAN现场总线控制器、工业以太网控制器、ZigBee协调器以及ZigBee路由器；ZigBee协调器和ZigBee路由器的树状拓扑网络，实现磨辊的全生命周期管理。
4.根据权利要求1所述的冷轧磨辊智能工厂生产监控***，其特征在于，磨辊工厂数据采集层包括磨床、机器人移动平台、六轴机器人以及RFID读写器；电子标签负责对轧辊信息进行跟踪和采集，将轧辊每一次的报废和修磨的数据都记录下来，提供轧辊质量信息的追溯和查询。
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