侯 星，劉玉璽，董家琛，張則青，郭 威，張怡敏

0 引言

隨著自動(dòng)化和信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對(duì)船舶與海工行業(yè)各類制造車間數(shù)據(jù)采集與集成技術(shù)展開一系列研究，但缺乏對(duì)具體車間異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的深入拓展。我國海工建造企業(yè)由于歷史條件、經(jīng)濟(jì)條件、生產(chǎn)工藝等因素，板材、型材切割車間生產(chǎn)設(shè)備種類眾多，結(jié)構(gòu)形式差異較大，這導(dǎo)致板、型材切割車間使用生產(chǎn)設(shè)備時(shí)存在一個(gè)普遍問題：缺乏對(duì)切割車間異構(gòu)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，車間設(shè)備管理處于離散狀態(tài)。各生產(chǎn)設(shè)備與管理層計(jì)算機(jī)以及其他設(shè)備交流有限，形成一個(gè)個(gè)信息孤島，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。甲板片體制造板材切割是上部模塊制造中的重要基礎(chǔ)工序，生產(chǎn)管理人員卻對(duì)切割車間對(duì)物量、工人工作時(shí)間、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)缺乏有效監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃很難根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況調(diào)整，因此亟需適用于板材、型材切割車間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本文通過分析切割設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控的技術(shù)架構(gòu)，提出需要突破的4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并以實(shí)際案例為例，提出2 種聯(lián)網(wǎng)管控方案。

1 切割車間設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)架構(gòu)

針對(duì)海工建造企業(yè)的數(shù)控切割車間對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)智能管控的需求，主要包括切割設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、人員作業(yè)任務(wù)管控、工時(shí)物量統(tǒng)計(jì)以及相關(guān)看板報(bào)表等任務(wù)，擬開發(fā)一套切割車間智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控切割車間的設(shè)備、人員、物料的有效管控。

針對(duì)目前中大型海工制造企業(yè)常用的切割設(shè)備，開展設(shè)備互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)切割生產(chǎn)線互聯(lián)互通組件、實(shí)時(shí)狀態(tài)信息采集模塊和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、切割位置、作業(yè)對(duì)象、工作電流和報(bào)警信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)回放等功能[1]。系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)見圖1，系統(tǒng)的整體架構(gòu)見圖2。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2 切割車間設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管控關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車間設(shè)備互聯(lián)互通技術(shù)

切割車間聯(lián)網(wǎng)管控主要實(shí)現(xiàn)切割車間信息管理及統(tǒng)計(jì)分析功能[2]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息的采集，將采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，最后經(jīng)過切割車間管控軟件的處理，以電子看板的形式將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、人員物料信息等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。此外，切割車間管控軟件還提供統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印等功能。

數(shù)控切割機(jī)去數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要分為以下3 種情況：

1）采用發(fā)那科（FANUC）系統(tǒng)的數(shù)控切割機(jī)，如小池酸素切割機(jī)，可以采用FOCAS 庫函數(shù)進(jìn)行數(shù)控切割機(jī)數(shù)據(jù)采集。

2）基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)的數(shù)控切割機(jī)，一般采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一架構(gòu)（OLE for Process Control，OPC）數(shù)據(jù)采集方法，如梅塞爾數(shù)控切割機(jī)，此時(shí)需要官方提供具體協(xié)議。

3）對(duì)于老舊機(jī)床或者不具備智能接口的切割機(jī)，一般采用添加數(shù)據(jù)采集卡和傳感器的方法采集其設(shè)備狀態(tài)信息。

其他情況可以采用訪問設(shè)備運(yùn)行時(shí)文件的方法，如Access 數(shù)據(jù)庫或者日志文件，一般情況下不推薦采用。

2.2 切割指令量化派工技術(shù)

通過讀取的數(shù)字計(jì)算機(jī)控制（Netcat，NC）代碼，對(duì)NC 代碼進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每臺(tái)切割機(jī)的切割距離、切割時(shí)長(zhǎng)、空程時(shí)間、空程距離，并對(duì)數(shù)控切割機(jī)的工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)每臺(tái)切割機(jī)的工作負(fù)荷，對(duì)切割機(jī)的工作量進(jìn)行手動(dòng)平衡。使每臺(tái)切割機(jī)的工作量大致平衡即可。同時(shí)該模塊也適用于當(dāng)某臺(tái)切割機(jī)出現(xiàn)故障不能工作時(shí)候，將剩余的切割代碼平均分配給其他的切割機(jī)。

2.3 N C 文件模擬仿真技術(shù)

通過工控機(jī)上的客戶端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)NC 程序的查閱、刪除、修改等操作；通過NC 文件管理模塊的切割軌跡顯示功能，將G 代碼轉(zhuǎn)化為切割軌跡二維圖，供作業(yè)人員檢驗(yàn)程序的正確性。NC 文件管理界面見圖3。

圖3 NC 文件管理界面示意圖

2.4 數(shù)控切割機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)反饋技術(shù)

對(duì)機(jī)床的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和分析，主要包括數(shù)控切割機(jī)的的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息：切割機(jī)關(guān)機(jī)、待機(jī)、運(yùn)行、電流、故障（時(shí)間/類型）等5 個(gè)狀態(tài)量[3]。

3 基于數(shù)據(jù)采集卡的切割機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)施案例

3.1 切割車間設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管控需求分析

通過調(diào)研某船廠的板材切割車間得知，部分制造企業(yè)的切割機(jī)采用QNX 操作系統(tǒng)，且數(shù)控切割機(jī)的網(wǎng)口和RS232 串口都不能使用，設(shè)備上唯一可以使用的接口是通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口，目前數(shù)控切割機(jī)的指令傳輸采用U 盤拷貝的方式。

根據(jù)數(shù)控切割機(jī)的當(dāng)前狀況，提出2 種數(shù)據(jù)采集方式：

1）采用外接數(shù)據(jù)采集卡的方式獲取數(shù)控切割機(jī)的狀態(tài)信息。將采集得到的信息傳給相應(yīng)的工控機(jī)，并通過工控機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

2）基于切割機(jī)的分布式數(shù)控（Distributed Numerical Control，DNC）接口獲取與硬件相關(guān)的信息。

3.2 模塊配置說明

整套系統(tǒng)的設(shè)備組成主要包含工控機(jī)、電子看板、開關(guān)量采集模塊、模擬量采集模塊、電流傳感器、電壓互感器、工業(yè)級(jí)交換機(jī)、集成電路（Integrated Circuit，IC）卡讀卡器、網(wǎng)線及導(dǎo)線等。根據(jù)車間實(shí)際需求按量配比。

1 臺(tái)數(shù)控切割機(jī)配置1 臺(tái)工控機(jī)、1 塊開關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊和1 塊模擬量數(shù)據(jù)采集模塊。其中，開關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊用于采集切割機(jī)的開關(guān)量信息，模擬量數(shù)據(jù)采集模塊用于采集數(shù)控切割機(jī)的模擬量信息，此外，1 塊模擬量數(shù)據(jù)采集模塊需要配置1塊電流傳感器和電壓互感器，各數(shù)據(jù)采集模塊通過千兆網(wǎng)線連接，數(shù)據(jù)采集模塊和工控機(jī)之間的通信方式采用千兆網(wǎng)傳輸。

除上述設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)還需要準(zhǔn)備1 塊電子看板。聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)組成見表1。

表1 聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)組成

3.3 具體實(shí)施

通過前期調(diào)研，制定聯(lián)網(wǎng)方案如下，為數(shù)控切割機(jī)外接數(shù)據(jù)采集卡[4]，采集數(shù)控切割機(jī)的關(guān)機(jī)、待機(jī)、運(yùn)行、電流等信息，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接工控機(jī)，將采集到的設(shè)備狀態(tài)信息傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)再將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置見圖4，數(shù)控切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置見圖5，切割機(jī)監(jiān)控界面見圖6。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置

圖5 數(shù)控切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

圖6 切割機(jī)監(jiān)控界面

5 結(jié)論

本文根據(jù)海工建造企業(yè)的實(shí)際需求為標(biāo)準(zhǔn)，制定了 2 種針對(duì)板材切割車間的數(shù)據(jù)采集和管控的方案，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證。研究表明：本文提出的方案可有效獲取切割機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、切割位置、作業(yè)對(duì)象、工作電流和報(bào)警信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并展示在系統(tǒng)界面上。車間智能化改造可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控切割車間設(shè)備、人員、物料的有效管控。有效改善了上部模塊生產(chǎn)過程中“信息孤島”的問題，使生產(chǎn)車間向信息化、智能化的方向發(fā)展。