軍工防爆車間數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究及應(yīng)用

肖乾柯， 劉治紅， 邱 楓， 趙智聰

（中國兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所 智能制造事業(yè)部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

近年來，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)受到國家的高度重視，一系列鼓勵(lì)政策的支持下裝備的智能制造快速發(fā)展[1]。

以產(chǎn)品整個(gè)生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的數(shù)字化制造是我國未來形成新的商業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)， 產(chǎn)生深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革[2]。 防爆車間對環(huán)境等因素有嚴(yán)格的要求， 目前大多數(shù)防爆車間生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造管理提升的水平不大，尤其是在數(shù)字化工藝、在線質(zhì)量檢測、物料和可視化管控等方面技術(shù)短缺，在物料搬運(yùn)、設(shè)備維護(hù)等方面耗費(fèi)大量的時(shí)間，生產(chǎn)效率低。軍工防爆車間內(nèi)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)可以有效地提高對生產(chǎn)線生產(chǎn)制造的管理水平，提高生產(chǎn)線效率。

數(shù)據(jù)是智能制造的核心要素。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是智能制造的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能運(yùn)維的信息通道，是實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)實(shí)時(shí)管控的前提。 文獻(xiàn)[3]研發(fā)了一套基于PLC 數(shù)據(jù)采集的玻璃生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)[3]，可以通過組態(tài)軟件進(jìn)行生產(chǎn)工序控制。 文獻(xiàn)[4]建立了一套基于FPGA 的串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)[4]，通過采集點(diǎn)的“總線模型”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。 綜上所述，國內(nèi)外在各種車間生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上已經(jīng)做了很多的技術(shù)研究和成果， 而針對防爆車間等有特殊要求的研究和應(yīng)用較少。

本文從軍工防爆車間的嚴(yán)格要求出發(fā)， 結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)， 對防爆車間的數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行研究， 結(jié)合某裝藥裝配生產(chǎn)線的防爆車間進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對防爆車間的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集，促進(jìn)生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理水平，提升車間的生產(chǎn)能力。

1 防爆車間數(shù)據(jù)采集

1.1 現(xiàn)狀

軍工裝備制造企業(yè)的數(shù)字化制造技術(shù)目前應(yīng)用在工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)較多，對于制造過程的管控水平較低，主要有以下幾個(gè)問題：①車間制造工藝自動(dòng)化、智能化水平低。生產(chǎn)加工大多是以機(jī)械加工和半自動(dòng)化為主， 打磨工藝和裝配生產(chǎn)大都以手工為主； ②生產(chǎn)制造信息與物聯(lián)網(wǎng)融合度低；③防爆車間生產(chǎn)環(huán)境安全性要求高；④防爆車間對網(wǎng)絡(luò)的要求，不能使用無線網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)的設(shè)備均要進(jìn)行防爆處理。

1.2 采集需求

裝藥裝配生產(chǎn)車間屬于高危作業(yè)場所， 對安全等級和范圍提出了極高的要求， 特別是防爆車間內(nèi)的生產(chǎn)線對數(shù)據(jù)采集方式及數(shù)據(jù)采集單元選擇方面更加嚴(yán)格。 目前裝藥裝配車間依賴工人的手工填寫生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 無法作為車間智能運(yùn)維系統(tǒng)的自動(dòng)化和持續(xù)化的數(shù)據(jù)源。

1.3 防爆要求

根據(jù)裝藥裝配車間的特征和防爆要求， 保持電氣設(shè)備和電氣線路的安全運(yùn)行，需要運(yùn)行時(shí)電流、電壓和溫度不能超過允許范圍，包括絕緣良好、連接和接觸完好無損等要求，結(jié)構(gòu)上需要防止運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生火花、電弧成為爆炸性混合物的危險(xiǎn)源。 根據(jù)防爆結(jié)構(gòu)的不同可以分為以下幾種類型： 隔爆型設(shè)備是具有承受內(nèi)部的混合物爆炸而其外殼不受到損壞的電氣設(shè)備； 增安型設(shè)備是在正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花或高溫的電氣設(shè)備上采取措施增強(qiáng)安全的電氣設(shè)備[5]；本質(zhì)安全型設(shè)備是指在設(shè)備正?；蛘吖收蠒r(shí)產(chǎn)生的火花和高溫都不會(huì)被點(diǎn)燃爆炸混合物。

2 制造數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

2.1 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

工業(yè)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集是利用各種工業(yè)協(xié)議驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)對環(huán)境因素、生產(chǎn)線設(shè)備、運(yùn)行狀態(tài)信息的采集。 生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集接入主要有以下兩種方式。 方式一，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)將各種工業(yè)協(xié)議進(jìn)行集成，直接與設(shè)備層的各種類設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。此類連接方式設(shè)備種類多，對于以太網(wǎng)的接口支持困難， 需要將目前常用的控制器局域網(wǎng)的RS485 等物理接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接。 方式二，工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)集成。網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和設(shè)備之間的橋梁， 可以減少采集平臺(tái)需要支持的協(xié)議種類。

2.2 OPC 協(xié)議

開放平臺(tái)通信 （Open Platform Communication） 簡稱OPC，以前被稱為“用于過程控制的OLE（Object Linking and Embedding，對象鏈接與嵌入）”，現(xiàn)在是一種用于工業(yè)自動(dòng)化的通信標(biāo)準(zhǔn)。 OPC 設(shè)計(jì)目的是為基于微軟操作系統(tǒng)的軟件應(yīng)用程序與程序控制硬件之間提供一座橋梁。OPC 在協(xié)議中定義了訪問現(xiàn)場設(shè)備的一致性方法。 不論數(shù)據(jù)的來源及類型如何，方法都是不變的。某一硬件設(shè)備的OPC 服務(wù)器提供給其他OPC Client 訪問數(shù)據(jù)的方式，和其他設(shè)備的OPC 服務(wù)器提供的方式都是一樣的。 減少了各類廠商花在處理這類問題和對接相關(guān)接口的時(shí)間和精力。

2.3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

本文中防爆車間內(nèi)生產(chǎn)線設(shè)備的采集主要是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。 其中現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集可以分為3 種：對傳感器、采集器等專用的數(shù)采設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；對PLC、嵌入式系統(tǒng)等通用控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；對AGV、數(shù)控機(jī)床等智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。 裝藥裝配車間的設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集方式如表1 所示。

表1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集

3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)施方案

針對不同車間不同生產(chǎn)過程中的人員、物料、工藝數(shù)據(jù)、制造環(huán)境、裝藥設(shè)備等對象，根據(jù)安全、防爆的要求，選擇安全、可靠、適應(yīng)的傳感器，并將各類傳感設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)線傳感網(wǎng)絡(luò)。在裝藥工房的生產(chǎn)車間內(nèi)部署線纜均要穿入防爆軟管。 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為兩部分，一部分是RS485 通訊網(wǎng)絡(luò)，一部分是TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。 RS485 網(wǎng)絡(luò)主要是連接各個(gè)傳感器設(shè)備，并向監(jiān)控主機(jī)傳遞信號(hào)。溫濕度、氣壓、粉塵等傳感器， 接口全部采用RS485 通訊協(xié)議， 每組傳感器均接入RS485 集線器。為了集中統(tǒng)一管理，由RS485 集線器轉(zhuǎn)成TCP/IP 協(xié)議，接入傳感網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將數(shù)據(jù)傳入傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件

使用基于Windows 平臺(tái)的.NET 環(huán)境， 使用C# 編程語言在Visual Studio 2019 上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序的采集顯示界面和設(shè)備信號(hào)配置網(wǎng)頁開發(fā)。 裝藥裝配生產(chǎn)過程中與質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的安全采集是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管控的基礎(chǔ)，裝藥裝配過程數(shù)據(jù)處理主要包括：

（1）裝藥裝配過程的數(shù)字化建模。對裝藥裝配過程的組織、人員、設(shè)備、工藝工程等進(jìn)行數(shù)字化建模。建模分類如圖3 所示。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖3 的建模分類后，將數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用層的各個(gè)模塊統(tǒng)一從數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

圖3 建模分類

（2）異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一準(zhǔn)確采集技術(shù)。采用傳輸協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術(shù)、 總控系統(tǒng)集成技術(shù)等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。 C# 的數(shù)據(jù)采集程序?qū)υO(shè)備的通用運(yùn)行狀態(tài)信息定義如表2 所示。

表2 設(shè)備通用狀態(tài)表

3.3 運(yùn)行情況

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上電運(yùn)行， 實(shí)現(xiàn)對車間內(nèi)的裝藥裝配生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。通過大屏上的應(yīng)用系統(tǒng)，顯示生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀態(tài)信息， 實(shí)現(xiàn)對防爆車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 采集程序采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序界面

4 結(jié)束語

筆者基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究， 實(shí)現(xiàn)了對軍工防爆車間裝藥裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 解決了裝藥裝配車間高要求生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)問題， 提高了車間生產(chǎn)的信息化水平。通過了系統(tǒng)半年的試運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行， 驗(yàn)證了方案在防爆車間下生產(chǎn)現(xiàn)場的可靠性。