面向船舶制造車間的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)

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

船舶制造車間設備具有多樣性，而且設備往往出自不同的廠商，數據的采集相當困難，然而通過采集設備和車間環(huán)境數據，可以實時掌握設備的運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，經計算分析可提高設備綜合利用率，降低能耗和維護保養(yǎng)的成本。

隨著制造業(yè)技術水平的不斷發(fā)展，全球范圍內出現產能過剩的問題，在這個大背景條件之下，德、美、中3國把發(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，對智能制造做出相關定義，并要求智能制造應當具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能[2]。因此，在智能制造戰(zhàn)略的引導下，根據對前期調研的整理，提出以船舶制造車間為典型對象，研究車間制造設備數據的多源異構采集方式、通信傳輸方式和數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition， SCADA)的設計實現，從而為實現智能工廠積累經驗。智能工廠是在數字化工廠的基礎上，以互聯(lián)網平臺為基礎，通過設備監(jiān)控、數據傳輸、設備互聯(lián)等手段組成智能加工網，高效完成加工任務的一種新型制造模式[3]，開展對船舶制造車間的數據采集研究顯得非常重要。

1 智能制造系統(tǒng)架構

1.1 基本架構

2015 年 12 月，中國工業(yè)和信息化部與國家標準委員發(fā)布應用于智能制造重點十大領域的智能制造系統(tǒng)架構(Intelligent Manufacturing System Architecture， IMSA)[4]。在系統(tǒng)層級維度上，分為5層，強調裝備智能化和互聯(lián)網協(xié)議化及網絡的扁平化趨勢，如表1所示。在IMSA中，位于底層的是設備層級，與 RAMI 4.0、Smart Manufacturing System (SMS)等系統(tǒng)架構類似，主要包括傳感器、生產設備等物理系統(tǒng)，構成制造系統(tǒng)的底層支持，同時為上一層的控制層級提供硬件支持。在控制層級，包括可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller， PLC)、現場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System， FCS)、 SCADA等，使得設備層的設備組成網絡便于管理，同時為更高一層提供基礎的數據支持[5-8]。在車間層、企業(yè)層、協(xié)同層等層級，使用底層提供的數據進行分析與管理，提高企業(yè)的生產效率與智能化水平。

表1 IMSA層級

在智能制造系統(tǒng)中，對于制造型企業(yè)，基于物理系統(tǒng)，如數控機床、PLC等，利用工業(yè)現場總線、網絡通信等研究SCADA，感知加工過程中參數的變化，對提升企業(yè)的智能化水平具有很強的現實意義。

1.2 體系框架

基于船廠的生產制造特點，提出以車間物聯(lián)網為對象的體系框架，如圖1所示。通過對原材料堆放區(qū)域、鋼材切割生產線、構件加工區(qū)域、組立生產區(qū)域、鋼材預處理區(qū)域、型材加工生產線、集中配盤區(qū)域、外板加工區(qū)域的劃分，得到以鋼材堆場、數控切割機、構件加工設備、焊接機器人、裝配機器人、數控水火彎板機、自動導引車(Automated Guided Vehicle， AGV)、肋骨冷彎機、型材數控切割機、鋼材預處理線為典型的底層設備層；通過數據采集器，針對設備的廠家、型號、接口、協(xié)議、點表(變量表)等屬性進行多源異構數據實時采集，這些實時數據經由無線網絡窄帶物聯(lián)網(NB-IOT)、4G或者Wi-Fi傳輸至上層的SCADA；SCADA則可通過這些數據，進行存儲和格式化處理、大數據分析，最后通過傳統(tǒng)PC端及移動端(手機、平板電腦等)以可視化界面的方式展現給用戶；在框架中，用戶還可以通過SCADA具備的數據標準化經由開放數據集成接口的方式與企業(yè)內部的ERP、PLM、MES、質量管理等系統(tǒng)集成。

圖1 基于船舶制造車間設備的工業(yè)網物聯(lián)網體系框架

2 數據采集與傳輸

2.1 船舶制造車間設備情況

目前而言，船舶制造車間在生產制造方面的主要設備包括數控切割機、半自動切割機、油壓機、肋骨冷彎機、彎板機、卷板機、焊機、焊接小車、橋式起重機(行車)、半門式起重機、輥道運輸機、AGV、平板車、叉車、托盤及門架等。其中，基于這些設備的能源驅動方式及數據采集方式可分為傳統(tǒng)非數字智能設備與數字智能設備2大類。

傳統(tǒng)非數字智能設備包括橋式起重機(行車)、半門式起重機、半自動切割機、油壓機、肋骨冷彎機、彎板機、卷板機、焊機、焊接小車、輥道運輸機、托盤、門架、平板車、叉車等。

數字智能設備包括板材切割生產線、型材切割生產線、小組立生產線、中組立生產線、涂裝生產線、AGV、焊接小車等。

2.2 數據感知

2.2.1 非數字智能設備的數據采集

(1) 采集方式

經過梳理，船廠的非數字智能設備包括橋式起重機(行車)、半門式起重機、半自動切割機、油壓機、冷彎機、卷板機、焊機、焊接小車、輥道運輸機、托盤、門架、平板車及叉車等。

由于非數字智能設備本身不具有接口和協(xié)議，因此，對于這部分設備的數據采集可通過電氣電路的模擬信號、開關信號進行采集，并且通過加裝傳感器的方式獲取設備的電流、電壓、脈沖信號、稱重、溫度、速度、振動、液位等數據，最后經由以 MSP430F5437 單片機為核心的數據采集板進行數據的匯總融合，工作原理如圖2所示。

圖2 傳感器的信號采集工作原理

(2) 采集方案

橋式、門式起重機(行車)采集方案：通過對起重機加裝軸銷式測力傳感器、電流、電壓傳感器，對起重機工作狀態(tài)下的電流、電壓數據及所載物料的質量進行采集。

半自動切割機、冷彎機、彎板機采集方案：通過對設備加裝電流、電壓、溫度傳感器，對切割機、冷彎機、彎板機的工作電流、電壓及設備溫度進行采集。

液壓機采集方案：通過對液壓機加裝電流、電壓、液位傳感器，對液壓機工作電流、電壓及設備的液體容量進行采集。

焊機采集方案：通過對焊機加裝溫度、電流、電壓傳感器，對焊機工作狀態(tài)下的電流、電壓數據及焊機溫度進行采集。

焊接小車采集方案：通過對焊接小車加裝速度、溫度、電流、電壓傳感器，對焊接小車工作狀態(tài)下的電流、電壓數據及運行速度和焊接小車溫度進行采集。

輥道運輸機采集方案：通過對輥道運輸機加裝速度傳感器、電流、電壓傳感器，對輥道運輸機工作狀態(tài)下的電流、電壓數據及傳輸速度進行采集。

托盤和門架采集方案：通過對托盤和門架貼附RFID電子標簽，對托盤和門架進行大致位置的采集。

2.2.2 數字智能設備的數據采集

(1) 采集方式

經過梳理，船舶制造車間的數字智能設備包括：板材切割生產線、型材切割生產線、小組立生產線、中組立生產線、涂裝生產線及AGV。

針對這些設備的采集，從原始模擬信號、開關信號，智能通信接口如串口， PLC的網絡或者通信接口，集成控制系統(tǒng)帶應用編程接口(Application Programming Interface， API)，嵌入式控制系統(tǒng)的網絡通信口如植入目標鏈接(Object Link Embedded, OLE)的過程控制(OLE for Process Control， OPC)協(xié)議及動態(tài)數據交換(Dynamic Data Exchange，DDE)等多重方式來進行設備集中采集，并進行數據匯總。

其中，PLC采集可利用 NC Var Selector 工具，如圖3所示。對運行信息進行采集，數據主要分為輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、局部變量存儲器、數據塊寄存器、定時器和計數器等。

圖3 NC Var Selector 對PLC進行變量讀取的過程

此外，對于集成有OPC服務器的設備，可以通過自帶的服務器進行采集。通過創(chuàng)建 OPC 服務器支持的 OPC 數據訪問對象(見圖4)，按照 OPC 數據對象支持的方法對數據進行相應的讀寫操作。

圖4 調用OPC 采集的結構圖

除了調用OPC采集PLC數據之外，還可以采用DDE。DDE是Windows最基本的進程間通信協(xié)議，它在應用程序之間架起1個發(fā)送或接收數據的橋梁。使用DDE協(xié)議，不僅可以在應用程序之間交換信息，而且也可以通過宏命令控制其他應用程序。通過DDE協(xié)議連接起來的2個應用程序，其中發(fā)送信息的應用程序稱為服務器，接收信息的應用程序稱為客戶端；不僅如此，客戶端也可以通過DDE反向服務器發(fā)送信息和宏命令，以達到操縱DDE服務器的目的。

(2) 部分采集方案

板材切割生產線采集方案：板材切割生產線的主要設備由日本小池酸素工業(yè)株式會社的VG-6000DX、MX-6000DD、MYNUC-11500DX、MY-11500，德國梅塞爾切割焊接(中國)有限公司的OMNIMATLK及澳大利亞法力公司的多臺數控切割機構成。采集對象為DDE、OPC或PLC，采集信息如表2所示。

表2 板材切割生產線采集信息

小組立、中組立生產線采集方案：小組立生產線的主要設備為中國新松公司的新松機械手及美國林肯公司的焊接電源。中組立生產線的主要設備為中國新松公司的新松機械手、中國DIG自動化工程(武漢)有限公司的機械手及美國林肯公司的焊接電源、德國樂馳公司的焊接電源。采集對象為DDE、OPC或PLC，采集信息如表3 所示。

表3 小組立、中組立生產線采集信息

2.3 通信模塊

目前針對工業(yè)級的通信方式有2G/3G/4G的蜂窩網絡、5G、Wi-Fi網絡、NB-IOT及遠距離無線電(Long Range Radio, LoRa)通信等。其中，Wi-Fi網絡在現場應用的干擾性較強，NB-IOT適合小數據量的通信。

綜上所述，對于船舶制造車間的物聯(lián)網改造中所用到的通信層面的設備，現階段可采用4G蜂窩網絡模塊加少量Wi-Fi網絡模塊的組合方案，未來可采用5G或廣域低功耗NB-IOT方案進行通信。

3 SCADA功能設計

系統(tǒng)設計采用SQL Server數據庫，并基于跨平臺框架 .Net Core，運用C#語言進行服務端開發(fā)，以此提高開發(fā)效率。 .NET Core可用于為Windows、Linux和MacOS構建軟件應用程序。與其他軟件框架不同，.NET Core可用于構建各種軟件，包括Web應用程序、桌面應用程序、云服務、微服務、API和物聯(lián)網應用程序。

前端部分使用目前主流前端框架Vue.js及其相關UI組件庫進行頁面設計。Vue.js是一套用于構建用戶界面的漸進式框架。Vue 的核心庫只關注視圖層，便于與第三方庫或既有項目整合。

系統(tǒng)的業(yè)務功能模塊設計主要包括：登錄、設備監(jiān)控、大數據分析、設備管理、設備日志管理及權限管理。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應用狀況

目前，SCADA已經在船舶制造車間板材、型材切割智能生產線實現設備數據的采集與監(jiān)控，包括設備的基本信息、切割電流、切割軌跡、切割數量等，如圖6所示。

圖6 切割設備的數據采集與監(jiān)視實例

通過對切割數據的采集與監(jiān)控，在應用期間設備綜合利用率提升10%，能耗也得到一定的降低，廠方對效果比較滿意。

5 結 論

對船舶制造車間主要生產設備的多源異構數據采集進行研究與實際應用，并將這些多源異構數據成功地傳輸到上層的SCADA,實現SCADA在船舶制造車間的落地，為未來實現船舶制造的智能化和無人化、少人化建立基礎。