胡曉軒 ， 朱 琦, ， 王 浩,， 董家琛

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

船舶制造車間設(shè)備具有多樣性，而且設(shè)備往往出自不同的廠商，數(shù)據(jù)的采集相當(dāng)困難，然而通過(guò)采集設(shè)備和車間環(huán)境數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算分析可提高設(shè)備綜合利用率，降低能耗和維護(hù)保養(yǎng)的成本。

隨著制造業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題，在這個(gè)大背景條件之下，德、美、中3國(guó)把發(fā)展重心落在提升制造業(yè)的智能化水平上[1]。在《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020 年)》中，對(duì)智能制造做出相關(guān)定義，并要求智能制造應(yīng)當(dāng)具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能[2]。因此，在智能制造戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，根據(jù)對(duì)前期調(diào)研的整理，提出以船舶制造車間為典型對(duì)象，研究車間制造設(shè)備數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)采集方式、通信傳輸方式和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition， SCADA)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，從而為實(shí)現(xiàn)智能工廠積累經(jīng)驗(yàn)。智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，以互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備互聯(lián)等手段組成智能加工網(wǎng)，高效完成加工任務(wù)的一種新型制造模式[3]，開展對(duì)船舶制造車間的數(shù)據(jù)采集研究顯得非常重要。

1 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基本架構(gòu)

2015 年 12 月，中國(guó)工業(yè)和信息化部與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員發(fā)布應(yīng)用于智能制造重點(diǎn)十大領(lǐng)域的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)(Intelligent Manufacturing System Architecture， IMSA)[4]。在系統(tǒng)層級(jí)維度上，分為5層，強(qiáng)調(diào)裝備智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議化及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢(shì)，如表1所示。在IMSA中，位于底層的是設(shè)備層級(jí)，與 RAMI 4.0、Smart Manufacturing System (SMS)等系統(tǒng)架構(gòu)類似，主要包括傳感器、生產(chǎn)設(shè)備等物理系統(tǒng)，構(gòu)成制造系統(tǒng)的底層支持，同時(shí)為上一層的控制層級(jí)提供硬件支持。在控制層級(jí)，包括可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller， PLC)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System， FCS)、 SCADA等，使得設(shè)備層的設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)便于管理，同時(shí)為更高一層提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持[5-8]。在車間層、企業(yè)層、協(xié)同層等層級(jí)，使用底層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與管理，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率與智能化水平。

表1 IMSA層級(jí)

在智能制造系統(tǒng)中，對(duì)于制造型企業(yè)，基于物理系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、PLC等，利用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)通信等研究SCADA，感知加工過(guò)程中參數(shù)的變化，對(duì)提升企業(yè)的智能化水平具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 體系框架

基于船廠的生產(chǎn)制造特點(diǎn)，提出以車間物聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象的體系框架，如圖1所示。通過(guò)對(duì)原材料堆放區(qū)域、鋼材切割生產(chǎn)線、構(gòu)件加工區(qū)域、組立生產(chǎn)區(qū)域、鋼材預(yù)處理區(qū)域、型材加工生產(chǎn)線、集中配盤區(qū)域、外板加工區(qū)域的劃分，得到以鋼材堆場(chǎng)、數(shù)控切割機(jī)、構(gòu)件加工設(shè)備、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、數(shù)控水火彎板機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle， AGV)、肋骨冷彎?rùn)C(jī)、型材數(shù)控切割機(jī)、鋼材預(yù)處理線為典型的底層設(shè)備層；通過(guò)數(shù)據(jù)采集器，針對(duì)設(shè)備的廠家、型號(hào)、接口、協(xié)議、點(diǎn)表(變量表)等屬性進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)、4G或者Wi-Fi傳輸至上層的SCADA；SCADA則可通過(guò)這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和格式化處理、大數(shù)據(jù)分析，最后通過(guò)傳統(tǒng)PC端及移動(dòng)端(手機(jī)、平板電腦等)以可視化界面的方式展現(xiàn)給用戶；在框架中，用戶還可以通過(guò)SCADA具備的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)由開放數(shù)據(jù)集成接口的方式與企業(yè)內(nèi)部的ERP、PLM、MES、質(zhì)量管理等系統(tǒng)集成。

圖1 基于船舶制造車間設(shè)備的工業(yè)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)體系框架

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

2.1 船舶制造車間設(shè)備情況

目前而言，船舶制造車間在生產(chǎn)制造方面的主要設(shè)備包括數(shù)控切割機(jī)、半自動(dòng)切割機(jī)、油壓機(jī)、肋骨冷彎?rùn)C(jī)、彎板機(jī)、卷板機(jī)、焊機(jī)、焊接小車、橋式起重機(jī)(行車)、半門式起重機(jī)、輥道運(yùn)輸機(jī)、AGV、平板車、叉車、托盤及門架等。其中，基于這些設(shè)備的能源驅(qū)動(dòng)方式及數(shù)據(jù)采集方式可分為傳統(tǒng)非數(shù)字智能設(shè)備與數(shù)字智能設(shè)備2大類。

傳統(tǒng)非數(shù)字智能設(shè)備包括橋式起重機(jī)(行車)、半門式起重機(jī)、半自動(dòng)切割機(jī)、油壓機(jī)、肋骨冷彎?rùn)C(jī)、彎板機(jī)、卷板機(jī)、焊機(jī)、焊接小車、輥道運(yùn)輸機(jī)、托盤、門架、平板車、叉車等。

數(shù)字智能設(shè)備包括板材切割生產(chǎn)線、型材切割生產(chǎn)線、小組立生產(chǎn)線、中組立生產(chǎn)線、涂裝生產(chǎn)線、AGV、焊接小車等。

2.2 數(shù)據(jù)感知

2.2.1 非數(shù)字智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

(1) 采集方式

經(jīng)過(guò)梳理，船廠的非數(shù)字智能設(shè)備包括橋式起重機(jī)(行車)、半門式起重機(jī)、半自動(dòng)切割機(jī)、油壓機(jī)、冷彎?rùn)C(jī)、卷板機(jī)、焊機(jī)、焊接小車、輥道運(yùn)輸機(jī)、托盤、門架、平板車及叉車等。

由于非數(shù)字智能設(shè)備本身不具有接口和協(xié)議，因此，對(duì)于這部分設(shè)備的數(shù)據(jù)采集可通過(guò)電氣電路的模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集，并且通過(guò)加裝傳感器的方式獲取設(shè)備的電流、電壓、脈沖信號(hào)、稱重、溫度、速度、振動(dòng)、液位等數(shù)據(jù)，最后經(jīng)由以 MSP430F5437 單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總?cè)诤?，工作原理如圖2所示。

圖2 傳感器的信號(hào)采集工作原理

(2) 采集方案

橋式、門式起重機(jī)(行車)采集方案：通過(guò)對(duì)起重機(jī)加裝軸銷式測(cè)力傳感器、電流、電壓傳感器，對(duì)起重機(jī)工作狀態(tài)下的電流、電壓數(shù)據(jù)及所載物料的質(zhì)量進(jìn)行采集。

半自動(dòng)切割機(jī)、冷彎?rùn)C(jī)、彎板機(jī)采集方案：通過(guò)對(duì)設(shè)備加裝電流、電壓、溫度傳感器，對(duì)切割機(jī)、冷彎?rùn)C(jī)、彎板機(jī)的工作電流、電壓及設(shè)備溫度進(jìn)行采集。

液壓機(jī)采集方案：通過(guò)對(duì)液壓機(jī)加裝電流、電壓、液位傳感器，對(duì)液壓機(jī)工作電流、電壓及設(shè)備的液體容量進(jìn)行采集。

焊機(jī)采集方案：通過(guò)對(duì)焊機(jī)加裝溫度、電流、電壓傳感器，對(duì)焊機(jī)工作狀態(tài)下的電流、電壓數(shù)據(jù)及焊機(jī)溫度進(jìn)行采集。

焊接小車采集方案：通過(guò)對(duì)焊接小車加裝速度、溫度、電流、電壓傳感器，對(duì)焊接小車工作狀態(tài)下的電流、電壓數(shù)據(jù)及運(yùn)行速度和焊接小車溫度進(jìn)行采集。

輥道運(yùn)輸機(jī)采集方案：通過(guò)對(duì)輥道運(yùn)輸機(jī)加裝速度傳感器、電流、電壓傳感器，對(duì)輥道運(yùn)輸機(jī)工作狀態(tài)下的電流、電壓數(shù)據(jù)及傳輸速度進(jìn)行采集。

托盤和門架采集方案：通過(guò)對(duì)托盤和門架貼附RFID電子標(biāo)簽，對(duì)托盤和門架進(jìn)行大致位置的采集。

2.2.2 數(shù)字智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

(1) 采集方式

經(jīng)過(guò)梳理，船舶制造車間的數(shù)字智能設(shè)備包括：板材切割生產(chǎn)線、型材切割生產(chǎn)線、小組立生產(chǎn)線、中組立生產(chǎn)線、涂裝生產(chǎn)線及AGV。

針對(duì)這些設(shè)備的采集，從原始模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)，智能通信接口如串口， PLC的網(wǎng)絡(luò)或者通信接口，集成控制系統(tǒng)帶應(yīng)用編程接口(Application Programming Interface， API)，嵌入式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信口如植入目標(biāo)鏈接(Object Link Embedded, OLE)的過(guò)程控制(OLE for Process Control， OPC)協(xié)議及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange，DDE)等多重方式來(lái)進(jìn)行設(shè)備集中采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。

其中，PLC采集可利用 NC Var Selector 工具，如圖3所示。對(duì)運(yùn)行信息進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)主要分為輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、局部變量存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)塊寄存器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等。

圖3 NC Var Selector 對(duì)PLC進(jìn)行變量讀取的過(guò)程

此外，對(duì)于集成有OPC服務(wù)器的設(shè)備，可以通過(guò)自帶的服務(wù)器進(jìn)行采集。通過(guò)創(chuàng)建 OPC 服務(wù)器支持的 OPC 數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象(見圖4)，按照 OPC 數(shù)據(jù)對(duì)象支持的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。

圖4 調(diào)用OPC 采集的結(jié)構(gòu)圖

除了調(diào)用OPC采集PLC數(shù)據(jù)之外，還可以采用DDE。DDE是Windows最基本的進(jìn)程間通信協(xié)議，它在應(yīng)用程序之間架起1個(gè)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的橋梁。使用DDE協(xié)議，不僅可以在應(yīng)用程序之間交換信息，而且也可以通過(guò)宏命令控制其他應(yīng)用程序。通過(guò)DDE協(xié)議連接起來(lái)的2個(gè)應(yīng)用程序，其中發(fā)送信息的應(yīng)用程序稱為服務(wù)器，接收信息的應(yīng)用程序稱為客戶端；不僅如此，客戶端也可以通過(guò)DDE反向服務(wù)器發(fā)送信息和宏命令，以達(dá)到操縱DDE服務(wù)器的目的。

(2) 部分采集方案

板材切割生產(chǎn)線采集方案：板材切割生產(chǎn)線的主要設(shè)備由日本小池酸素工業(yè)株式會(huì)社的VG-6000DX、MX-6000DD、MYNUC-11500DX、MY-11500，德國(guó)梅塞爾切割焊接(中國(guó))有限公司的OMNIMATLK及澳大利亞法力公司的多臺(tái)數(shù)控切割機(jī)構(gòu)成。采集對(duì)象為DDE、OPC或PLC，采集信息如表2所示。

表2 板材切割生產(chǎn)線采集信息

小組立、中組立生產(chǎn)線采集方案：小組立生產(chǎn)線的主要設(shè)備為中國(guó)新松公司的新松機(jī)械手及美國(guó)林肯公司的焊接電源。中組立生產(chǎn)線的主要設(shè)備為中國(guó)新松公司的新松機(jī)械手、中國(guó)DIG自動(dòng)化工程(武漢)有限公司的機(jī)械手及美國(guó)林肯公司的焊接電源、德國(guó)樂(lè)馳公司的焊接電源。采集對(duì)象為DDE、OPC或PLC，采集信息如表3 所示。

表3 小組立、中組立生產(chǎn)線采集信息

2.3 通信模塊

目前針對(duì)工業(yè)級(jí)的通信方式有2G/3G/4G的蜂窩網(wǎng)絡(luò)、5G、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、NB-IOT及遠(yuǎn)距離無(wú)線電(Long Range Radio, LoRa)通信等。其中，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的干擾性較強(qiáng)，NB-IOT適合小數(shù)據(jù)量的通信。

綜上所述，對(duì)于船舶制造車間的物聯(lián)網(wǎng)改造中所用到的通信層面的設(shè)備，現(xiàn)階段可采用4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)模塊加少量Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)模塊的組合方案，未來(lái)可采用5G或廣域低功耗NB-IOT方案進(jìn)行通信。

3 SCADA功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于跨平臺(tái)框架 .Net Core，運(yùn)用C#語(yǔ)言進(jìn)行服務(wù)端開發(fā)，以此提高開發(fā)效率。 .NET Core可用于為Windows、Linux和MacOS構(gòu)建軟件應(yīng)用程序。與其他軟件框架不同，.NET Core可用于構(gòu)建各種軟件，包括Web應(yīng)用程序、桌面應(yīng)用程序、云服務(wù)、微服務(wù)、API和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。

前端部分使用目前主流前端框架Vue.js及其相關(guān)UI組件庫(kù)進(jìn)行頁(yè)面設(shè)計(jì)。Vue.js是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架。Vue 的核心庫(kù)只關(guān)注視圖層，便于與第三方庫(kù)或既有項(xiàng)目整合。

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能模塊設(shè)計(jì)主要包括：登錄、設(shè)備監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理、設(shè)備日志管理及權(quán)限管理。系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。系統(tǒng)功能模塊詳解如表4所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

表4 系統(tǒng)功能模塊詳解

續(xù)表4 系統(tǒng)功能模塊詳解

4 SCADA應(yīng)用狀況

目前，SCADA已經(jīng)在船舶制造車間板材、型材切割智能生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，包括設(shè)備的基本信息、切割電流、切割軌跡、切割數(shù)量等，如圖6所示。

圖6 切割設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視實(shí)例

通過(guò)對(duì)切割數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，在應(yīng)用期間設(shè)備綜合利用率提升10%，能耗也得到一定的降低，廠方對(duì)效果比較滿意。

5 結(jié) 論

對(duì)船舶制造車間主要生產(chǎn)設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行研究與實(shí)際應(yīng)用，并將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)成功地傳輸?shù)缴蠈拥腟CADA,實(shí)現(xiàn)SCADA在船舶制造車間的落地，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶制造的智能化和無(wú)人化、少人化建立基礎(chǔ)。