唐厚君，方萬(wàn)，何自信，孟祥群，馬紅星，吳應(yīng)和，郁苗成

摘要：金屬型材的切割在我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)和智能制造領(lǐng)域中占有重要的地位。近年來(lái)因勞動(dòng)力短缺、勞動(dòng)力成本急劇上升、節(jié)能環(huán)保要求日益苛刻，傳統(tǒng)切割技術(shù)和運(yùn)行模式已無(wú)法滿足用戶提出的新需求。本文基于物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)總線、核心部件數(shù)字化控制技術(shù)，研發(fā)和完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金屬切割遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)和示范工程，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善臟亂差的工作環(huán)境，降低對(duì)操作人員的技術(shù)要求。對(duì)我國(guó)金屬切割領(lǐng)域的無(wú)人化工廠建設(shè)具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：金屬切割;遠(yuǎn)程運(yùn)維;一鍵切割;IDCS

中圖分類號(hào)：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0114-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.19

0? ? 前言

金屬型材切割在我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)中（如鋼結(jié)構(gòu)）和智能制造領(lǐng)域（如造船、橋梁、工程機(jī)械、壓力容器、汽車等）占有重要的地位[1-2]。為了提升切割質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善臟亂差的惡劣工作環(huán)境，降低對(duì)操作工人的技術(shù)水平依賴，有效節(jié)省原材料，文中基于物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，整合和研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套切割機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)（包含切割機(jī)CNC、大功率精細(xì)等離子切割電源、割炬自動(dòng)調(diào)高器、優(yōu)化套料技術(shù)、切割工藝專家?guī)斓燃夹g(shù)等），針對(duì)金屬板（型）材的切割作業(yè)，在智能下料、自動(dòng)化切割、自動(dòng)打碼、零件庫(kù)系統(tǒng)、信息處理與顯示等方面進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和成套智能化切割裝備，最終實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化（甚至無(wú)人化）的切割加工作業(yè)，為我國(guó)智能制造2025的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，提供金屬型材切割領(lǐng)域的示范與驗(yàn)證工程。

1 IDCS的總體方案和各組成部件的功能

1.1 IDCS的總體方案和結(jié)構(gòu)

IDCS是智能化數(shù)字切割控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)集成了套料軟件、數(shù)控系統(tǒng)、調(diào)高器和等離子電源等數(shù)字化配件并使各配件緊密關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的切割產(chǎn)量管理、切割機(jī)運(yùn)行維護(hù)管理、中控操作、一鍵切割等功能。在IDCS中，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信息技術(shù)貫穿于整個(gè)切割過(guò)程[3]，推進(jìn)了無(wú)人切割工廠的建設(shè)與實(shí)現(xiàn)。IDCS分為5層，包括應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層和設(shè)備層。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 IDCS各層

1.2.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要為用戶提供文件服務(wù)、目錄服務(wù)、文件傳輸服務(wù)（FTP）、遠(yuǎn)程登錄服務(wù)（Telnet）、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等，可以使用用戶管理功能查看套料信息、排產(chǎn)信息、報(bào)警信息，具有設(shè)備信息的存儲(chǔ)和顯示（即數(shù)據(jù)看板）功能。同時(shí)也可對(duì)接工廠的MES以及ERP等，為工廠的智能化提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)交互和功能擴(kuò)展。

1.2.2 平臺(tái)層

云MES可以部署在公有云的服務(wù)器上，也可部署于局域網(wǎng)的服務(wù)器平臺(tái)上，能為設(shè)備提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，可連接海量設(shè)備，支撐數(shù)據(jù)上傳至云端應(yīng)用層。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

通過(guò)企業(yè)的專用網(wǎng)絡(luò)、4G/5G方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的互連互通。數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)在這一層被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)路徑選擇、分段組合、流量控制等將設(shè)備的數(shù)據(jù)信息傳輸至云MES，多種網(wǎng)絡(luò)連接方式可使用戶根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行更加靈活的選擇和部署。

1.2.4 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的關(guān)鍵部分，包含多個(gè)帶通訊功能的監(jiān)控和傳感部件，如數(shù)控系統(tǒng)、等離子電源、攝像頭、電量表、氣體流量表等，各個(gè)相關(guān)部件可以相互通訊，密切配合，完成切割任務(wù)并反饋監(jiān)控信息。

1.2.5 設(shè)備層

設(shè)備層主要包含數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、弧壓調(diào)高器（THC）、等離子電源（Plasma Power）、自動(dòng)氣控箱四大核心部件。上述各電氣部件通過(guò)總線和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，完成各項(xiàng)切割作業(yè)中的指令傳輸和狀態(tài)監(jiān)控。在確保切割效率和品質(zhì)的前提下，進(jìn)一步提升了切割裝備的自動(dòng)化程度和切割生產(chǎn)過(guò)程的可視化進(jìn)程。

上述IDCS方案是一個(gè)較為完整和全面的智能化切割遠(yuǎn)程運(yùn)維方案，但是在實(shí)施過(guò)程中涉及方方面面，實(shí)施難度和成本較高。由于我國(guó)目前在智能化切割方面才剛起步，因此，本著先易后難、先局部再全面的原則，在現(xiàn)階段實(shí)施IDCS方案時(shí)主要按照如圖2所示“ 簡(jiǎn)化 ”的智能數(shù)字切割管理系統(tǒng)的架構(gòu)來(lái)進(jìn)行。在該方案中，主要包含兩個(gè)功能模塊：一鍵切割設(shè)備層和切割云MES。

（1）一鍵切割設(shè)備層。操作人員只需在中控室的電腦上將帶有關(guān)鍵字信息（板材材質(zhì)、厚度等）的文件下發(fā)至切割系統(tǒng)，系統(tǒng)就可自動(dòng)生成帶標(biāo)識(shí)的加工代碼，然后自動(dòng)裝載加工文件和切割參數(shù)，自動(dòng)尋邊，無(wú)需人工手動(dòng)調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)，大大簡(jiǎn)化了操作步驟，提升了數(shù)控切割機(jī)的自動(dòng)化程度。最大特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備的自動(dòng)化和信息化，采用工業(yè)總線連接機(jī)床CNC、調(diào)高器、等離子電源等，傳輸切割參數(shù)和加工信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)CNC的遠(yuǎn)程控制、集中顯示故障報(bào)警和解除報(bào)警。

（2）切割云MES。主要功能為：設(shè)備主要運(yùn)行指標(biāo)總覽（包含開(kāi)機(jī)率/稼動(dòng)率/停機(jī)時(shí)間等）;部件監(jiān)控（通訊設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控）;故障報(bào)警（包含報(bào)警時(shí)間/解除報(bào)警時(shí)間的顯示）;切割任務(wù)明細(xì)（可按切割任務(wù)的設(shè)備編號(hào)/操作工/開(kāi)始時(shí)間/完成時(shí)間等統(tǒng)計(jì)）;切割完工量統(tǒng)計(jì)（可按日?qǐng)?bào)/周報(bào)/月報(bào)統(tǒng)計(jì)）;設(shè)備切割過(guò)程參數(shù)統(tǒng)計(jì)（包含切割/穿孔/定位/預(yù)熱時(shí)間等參數(shù)）;零件的掃碼入庫(kù)以及掃碼出庫(kù)后的板材數(shù)據(jù)智能化調(diào)取。

2 IDCS的主要切割功能部件

2.1 等離子電源和氣體控制箱

等離子電源為整個(gè)切割過(guò)程提供切割能量，并通過(guò)CNC的指令控制電流的大小產(chǎn)生不同程度的電弧，實(shí)現(xiàn)不同厚度板材的切割。氣體控制箱控制等離子保護(hù)氣的輸出，為割炬提供正常工作所需要的氣體。

2.2 調(diào)高器

通過(guò)CNC給定的參數(shù)，實(shí)時(shí)探測(cè)割嘴電極與待切鋼板之間的弧壓值，并通過(guò)割炬的自動(dòng)升降來(lái)確?；褐岛愣?，從而保證割炬與待切鋼板之間的距離恒定不變，避免割炬因碰觸到鋼板而損壞，保護(hù)割炬，提高生產(chǎn)效率。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)CNC

數(shù)控系統(tǒng)CNC是切割機(jī)的核心數(shù)控部件，通過(guò)總線對(duì)其他相關(guān)部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制、切割數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷，通過(guò)加工代碼實(shí)現(xiàn)切割路徑和切割速度的控制等。

2.4 套料軟件

用于對(duì)待切割零件在鋼板上的優(yōu)化排版（俗稱套料），編碼套料完成的圖形并輸出為切割系統(tǒng)可以識(shí)別的代碼格式，設(shè)置零件間的工藝。將工藝參數(shù)庫(kù)以關(guān)鍵字的方式分發(fā)給調(diào)高器和等離子電源。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久化儲(chǔ)存并提供包括增、刪、改、查的功能，提供數(shù)據(jù)追溯。

2.5 切割云MES

切割云MES涵蓋遠(yuǎn)程控制、檢測(cè)、管理設(shè)備、信息收集、處理和顯示等功能。通過(guò)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)被管理設(shè)備的控制和任務(wù)分配，對(duì)硬件設(shè)備的信息采集，以及收集加工任務(wù)的進(jìn)度和量級(jí)并以圖形化、數(shù)字化的方式展現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)收集各部件反饋的錯(cuò)誤信息，及時(shí)反饋給相應(yīng)的操作人員，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化運(yùn)維。利用數(shù)字?jǐn)z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的健康狀態(tài)和運(yùn)行情況，并將其狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到顯示終端。

3 IDCS的工作流程

IDCS的工作流程如圖3所示，主要分為切割前、遠(yuǎn)程切割作業(yè)執(zhí)行、切割完成三個(gè)過(guò)程。

3.1 切割前

3.1.1 套料與排版

通過(guò)中控室人員設(shè)計(jì)圖紙，將需切割的零件及板材導(dǎo)入至FLCAM-DB數(shù)據(jù)庫(kù)套料軟件，將所需零件以及板材進(jìn)行排版并設(shè)置工藝，然后保存至數(shù)據(jù)庫(kù)（見(jiàn)圖4），軟件內(nèi)置工藝參數(shù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)中厚板切割參數(shù)的自動(dòng)設(shè)置。對(duì)于企業(yè)內(nèi)部自己的特殊工藝需求，提供二次開(kāi)發(fā)接口，可按需加載自己的工藝參數(shù)。

3.1.2 任務(wù)下發(fā)

將同步至MES中的排料代碼文件下發(fā)至車間指定的切割機(jī)上，切割機(jī)控制系統(tǒng)接收到切割代碼文件后，操作人員只需輸入關(guān)鍵字信息（板材材質(zhì)、厚度等），系統(tǒng)就可自動(dòng)生成帶標(biāo)識(shí)的加工代碼，自動(dòng)裝載加工文件和切割參數(shù)，簡(jiǎn)化了操作步驟，降低了對(duì)操作工的技術(shù)要求，如圖5所示。

3.2 遠(yuǎn)程切割作業(yè)執(zhí)行

3.2.1 切割作業(yè)前的準(zhǔn)備

中控室的操作人員只需按下Start鍵（見(jiàn)圖6），系統(tǒng)便開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行切割作業(yè)，包括零件打碼標(biāo)記、自動(dòng)尋邊（自動(dòng)矯正鋼板位置及找尋鋼板頂點(diǎn)），通過(guò)自動(dòng)尋邊功能，可對(duì)鋼板的放置位置和傾斜角度（鋼板的兩條邊緣）進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，整個(gè)過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)，省時(shí)省力、方便快捷。

3.2.2 切割過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

在切割過(guò)程中，通過(guò)中控室可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的切割狀態(tài)（見(jiàn)圖7），可遠(yuǎn)程進(jìn)行啟停等基礎(chǔ)操作，確保切割過(guò)程的安全有序進(jìn)行。

3.3 切割完成

3.3.1 數(shù)據(jù)追溯

對(duì)已經(jīng)套料完成的板材、零件數(shù)量、鋼板用量、切割時(shí)長(zhǎng)、切割長(zhǎng)度（米數(shù)）、穿孔數(shù)等信息進(jìn)行查詢及追溯，如圖8所示。

3.3.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

數(shù)控系統(tǒng)、調(diào)高器、等離子電源之間采用工業(yè)總線連接，傳遞切割參數(shù)和加工信息，通過(guò)CNC實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、顯示故障代碼和解除報(bào)警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程售后診斷與故障排除。另外，IDCS可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)并借助攝像頭實(shí)時(shí)獲取切割現(xiàn)場(chǎng)狀況，使操作人員有如臨現(xiàn)場(chǎng)的感覺(jué)，如圖9和圖7所示。

3.3.3 車間信息反饋與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

可顯示零件切割數(shù)量、用電/用氣量、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、訂單庫(kù)存量、生產(chǎn)進(jìn)度等信息，并可根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)分析信息并在數(shù)據(jù)看板上顯示，如圖10所示。

綜上所述，通過(guò)智能化、自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)，可顯著減少操作工的數(shù)量（一人操作多臺(tái)切割機(jī)），降低對(duì)操作工的技術(shù)要求（如工藝參數(shù)設(shè)置和尋邊作業(yè)等，都可由IDCS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)），減少頻繁使用U盤(pán)拷貝加工文件帶來(lái)的不便和出錯(cuò)概率，提高切割效率和鋼板的利用率（余料管理和優(yōu)化利用），實(shí)現(xiàn)切割相關(guān)數(shù)據(jù)的追溯和數(shù)據(jù)分析，積累企業(yè)的大數(shù)據(jù)數(shù)量，為后續(xù)智能化工廠的建設(shè)奠定大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 應(yīng)用前景及實(shí)施案例

由于勞動(dòng)力短缺、勞動(dòng)力成本急劇上升、全行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩、技術(shù)與產(chǎn)品快速更新迭代等，傳統(tǒng)切割技術(shù)和現(xiàn)有制造模式已無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和新基建的要求，因此，切割行業(yè)正在尋求技術(shù)突破和制造模式變革。當(dāng)前，迅猛發(fā)展的人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)正在影響和促進(jìn)制造業(yè)的變革和發(fā)展方向。我國(guó)切割行業(yè)正面臨著重大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革形勢(shì)下，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，培育新興產(chǎn)業(yè)集群，促使切割行業(yè)向生態(tài)化、數(shù)字化、智能化、平臺(tái)化及多業(yè)態(tài)融合的方向變化與重構(gòu)，乃是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，本項(xiàng)目已在數(shù)家企業(yè)完成了“ 智能化金屬型材切割遠(yuǎn)程運(yùn)維示范工程 ”的建設(shè)，整體方案和關(guān)鍵技術(shù)的可行性已得到了初步驗(yàn)證，初步達(dá)到了將操作工從危險(xiǎn)、繁重、噪聲等惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)的效果。使用IDCS系統(tǒng)后，技術(shù)人員可在中控室中完成幾乎所有的切割作業(yè)，如零件套料、計(jì)劃排產(chǎn)、切割文件（含切割工藝參數(shù)）下發(fā)、切割機(jī)CNC接收到切割文件并自動(dòng)開(kāi)始工作（相當(dāng)于操作工按下切割開(kāi)始按鈕）、鋼板位置和傾角檢測(cè)、通過(guò)氣體控制箱自動(dòng)調(diào)整氣體流量、自動(dòng)設(shè)置切割電流、開(kāi)始鋼板切割、切割作業(yè)信息反饋與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)看板顯示等等。本項(xiàng)目的實(shí)施為今后IDCS的進(jìn)一步完善和大面積推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景。

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