基于MTConnect的船舶板材切割車間數據采集系統研究

姚振宇，劉會霞，王 霄

（江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212000）

0 引言

隨著近年來中國經濟形勢的發展，船舶制造業已經越來越凸顯其在國民經濟中的重要地位。如何在競爭日趨激烈的船舶制造業中保持企業的競爭力，并實現企業的加速發展，對于船舶制造企業來說，關鍵就是實現制造車間信息化與工業化的結合[1,2]。對船舶制造產業信息化現狀的研究表明，當前大多數船廠的信息化建設的重點是企業信息管理系統及自動化系統等方面。然而，企業競爭的市場化導向對船廠的生產組織以及加工車間的管理水平要求更加嚴格。所以，船廠僅依賴自動化系統和ERP系統將在競爭中處于不利地位。

船舶板材切割是船舶制造中的重要基礎工序，對板材切割車間生產的有效管理能極大提高船舶制造的效率和質量。為了實現板材切割車間生產工藝及時參數、設備負載統計分析、生產信息安全穩定傳遞等功能，管理層需掌握車間實時生產數據，因此亟需一種船舶板材切割車間數據采集系統。

然而我國船廠由于歷史條件、經濟條件、生產工藝等因素，板材切割車間生產設備種類眾多，結構形式差異較大，鋼板預處理流水線由于年代久遠沒有提供通信接口，數控等離子切割機的批次和品牌眾多，這導致板材切割車間使用生產設備時存在一個普遍問題：缺乏對切割車間異構設備生產數據統一采集，車間設備管理處于離散狀態。各生產設備與管理層計算機以及其他設備交流有限，形成一個個信息孤島，無法實現統一管理。

1 板材切割車間設備數據采集需求分析

在船舶板材切割車間中，熱軋鋼板加工成零件需經歷三個流程，分別是鋼板預處理、劃線噴碼印字以及板材切割。鋼板預處理分為矯平、預熱、拋丸、涂裝和烘干流程，可實現減小鋼板變形、去氧化皮、去污、防銹等功能。鋼板劃線可驗證切割指令的可行性。噴碼印字功能是在對應零件位置標記零件號，該工作原本由工人手工完成，現在使用數控印字劃線機極大提高了生產率。鋼板切割則是實現最后的下料工作。板材切割車間生產工藝流程如圖1所示。船舶板材切割工藝現已成熟，但板材切割車間信息化程度不高，生產數據采集存在以下問題：

圖1 車間生產工藝流程

1）船舶板材切割車間數字化程度低，多采用紙張存儲數據并采用人工方式傳遞數據，生產數據的準確性和實時性低。

2）在切割車間加工過程中，車間缺少對生產設備的實時監控，無法實現對生產過程及時優化。板材當前工序完成后無法及時安排到下道工序，降低了加工效率。在等離子切割機加工板材時，工人貪多求快，使用過大割炬電流過快進給速度，降低了板材切割質量。

3）切割車間生產設備種類較多，設備數據通信接口差異大，比如鋼板預處理流水線和數控印字劃線機沒有提供通信接口，等離子切割通信接口又分為串口和網口，無法實現設備間數據通信的兼容性。

針對以上問題，本文采用MTConnect協議建立切割車間設備信息模型，消除異構設備通信協議的差異，開發一套船舶板材切割車間數據采集系統，系統具有加工任務實時監控、生產設備數據采集、生產設備信息模型建立等功能。而在車間數據采集系統中，最重要的是生產數據采集的種類。鋼板預處理流水線和數控印字劃線機沒有接口，可采集的數據種類較少，包含生產進度、已完工數量等信息。等離子切割機可采集數據較多，包含割炬實時位置、割炬電流、進給速度、生產進度、已完工數量、電源狀態等信息。

2 板材切割車間數據采集系統方案設計

在船舶板材切割車間中，車間數據采集系統需要對生產設備狀態以及生產進度進行監督，并對采集到的數據進行分析和處理。在結合國內外研究成果的基礎上，提出了面向船舶板材切割車間的多層次系統架構，自頂向下分成管理應用層、數據服務層（代理層）、網絡服務層、數據采集層（網絡適配器層）以及設備層[3]，如圖2所示。

圖2 板材切割車間體系架構

1）管理應用層

車間數據采集系統的頂層是管理應用層。應用層通過企業局域網與數據服務層進行交互，實時監控車間生產狀況。

2）數據服務層

車間數據采集系統的第二層數據服務層，主要包含數據庫、服務器等。車間數據采集系統架構中的數據服務層也是MTConnect協議中的Agent層，主要功能是緩存Adapter發送的數據并響應客戶端數據請求。

3）網絡傳輸層

車間數據采集系統的第三層是網絡傳輸層，主要包含交換機、以太網口等裝置。在車間數據采集系統中，網絡傳輸層貫穿整個系統架構，各層通過網絡傳輸層實現了數據交互。

4）數據采集層

車間數據采集系統的第四層是數據采集層，主要包含數據采集、數據傳輸、接收派工等功能。車間數據采集系統架構中的數據采集層也是MTConnect協議中的Adapter層，將不同類型的數據整理成標準格式，然后通過網絡傳輸層發送到Agent層。

5）設備層

車間數據采集系統的底層是設備層，主要包含鋼板預處理流水線、數控印字劃線機數、數控等離子切割機床、串口服務器、數據采集卡、傳感器等設備。這些設備采用工業以太網進行組網，通過數據采集卡、串口服務器等設備與數據采集層進行交互。

3 基于MTConnect的板材切割車間設備信息模型建立

基于MTConnect實現的數據采集系統基本架構如圖3所示。系統主要由五部分組成，分別是網絡（Network）、設備（Device）、適配器（Adapter）、代理（Agent）以及應用（Application），其中網絡貫穿整個系統[4]。適配器作為MTConnect標準的可選項，用于從不支持MTConnect標準的設備獲取異構數據并整理成標準格式發送給代理。生產設備本身支持MTConnect協議，則不需使用適配器。代理是MTConnect的核心組件，用于處理收集來自設備或適配器的數據?？蛻舳送ㄟ^HTTP協議向代理提出請求，代理將XML文檔發送給客戶端作為響應，客戶端解析后獲取數據。

圖3 基于MTConnect協議的系統架構

為了消除數據共享時異構設備之間通信協議與接口的差異，MTConnect標準定義了標準化信息模型，可使用統一的數據模型描述不同類型的生產設備。

1）針對數控等離子切割機床的設備建模

MTConnect代理負責管理的生產設備（Device）均包含在設備集（Devices）中，每個設備集可以包含若干設備。設備（Device）由組件集（Components）構成，組件集（Components）中包含組件（Component）。組件（Component）是抽象的結構元素，具體的Component類型結構元素有軸（Axes）、系統（Systems）、控制器（Controller）、輔助設備（Auxiliaries）、資源（Resources）等。組件（Component）由數據項集（DataItems）組成，數據項集（DataItems）又由數據項（DataItem）構成。數據項（DataItem）有三種類型，分別是采樣值（Sample）、事件值（Event）和條件值（Condition）。采樣值（Sample）類型是連續變化的數據項，事件值（Event）類型是離散變化的數據項，條件值（Condition）類型是代表設備健康狀況的數據項。

具有網口和具有串口的等離子切割機設備數據模型差別較小，故以下只選用具有網口的等離子切割機構建設備數據模型。

本車間等離子切割機床（網口）設備數據模型如圖4所示。等離子切割機的數據模型包含軸（Axes）、系統（Systems）、控制器（Controller）和輔助設備（Auxiliaries）[5]。軸（Axes）的子組件是三個直線軸（Linear），分別為進給軸X、Y、Z。進給軸的數據項包含絕對坐標、相對坐標、機械坐標、剩余移動量和伺服負載率。系統（Systems）包含電源（Electric）子組件，電源組件由電源狀態數據項組成?？刂破鳎–ontroller）包含路徑（Path）子組件以及加工狀態、報警信息和緊急停止數據項。路徑（Path）組件包含套料圖號、鋼板號、余料號、進給速率、完工零件數、程序名、工件開始時間和工件結束時間。輔助設備（Auxiliaries）包含傳感器（Sensor）子組件，傳感器組件由割炬電流數據項組成。

圖4 等離子切割機的組件與數據項

2）針對鋼板預處理流水線與數控印字劃線機的設備建模

鋼板預處理流水線的生產設備和數控印字劃線機并沒有提供通信接口，可采集的設備參數較少，故建立的設備數據模型較簡單。鋼板預處理生產設備和數控印字劃線機均由控制器（Controller）組件構成，該組件由報警數據項和路徑（Path）子組件組成。其中，路徑（Path）組件套料圖號、鋼板號、完工零件數、工件開始時間和工件結束時間數據項構成。

4 板材切割車間生產數據采集關鍵技術分析

A船廠的板材切割有三大類生產設備，分別是鋼板預處理流水線、數控印字劃線機以及數控等離子切割機床。其中，A廠有3條齊齊哈爾-斯潘塞鋼板預處理流水線，4臺型號Trident plus的Farley數控印字劃線機，5臺數控系統是Fanuc-0i的帶串口小池酸素等離子切割機以及4臺數控系統是Fanuc-310i的帶網口小池酸素等離子切割機。板材切割車間中的生產數據采集方式可以分為自動數據采集和手動數據采集[6]。前者一旦安裝就能自動按指定格式采集數據，而后者需操作人員在生產過程中手動輸入實時數據。

1）針對鋼板預處理流水線與數控印字劃線機的信息采集

鋼板預處理流水線生產設備和數控印字劃線機沒有提供通信口，較難實現生產數據的自動采集，所以采用手動采集數據的方式。手動采集數據方式可分為工控機輸入、手持終端輸入以及條碼掃描輸入。

2）數控等離子切割機床的信息采集

具有網口的等離子切割機和具有串口的等離子切割機的數據采集均采用自動采集與手動采集相結合的方式。

從自動數據采集的方法來看，可以分為基于機床通信接口采集和基于機床電氣電路采集。對于可采集的機床生產數據，位于數控系統內部的數據可通過通信接口獲取，數控系統外部的信息可通過外加傳感器獲取。A船廠的數控等離子切割機床均采用帶通信接口的Fanuc數控系統，帶網口的數控機床可采用FOCAS開發包，帶串口的數控機床可采用鑲嵌宏指令的方式。其中等離子切割機的割炬輸出電流通過外加傳感器和數據采集卡的方式獲取。

FOCAS軟件開發包可以實現PC對數控系統進行HSSB或者Ethernet連接，實現對機床生產數據的采集?；赟ocket通訊技術，數據采集層的工控機使用FOCAS函數與數控系統進行通信，故數控系統和工控機需處于同一網段。設備層的數控機床端需配置好IP地址和子網掩碼并設置機床端口號為8193，完成數控機床端相關通訊參數設置。機床端設置完成后，在PC端工程中加載fwlib32.dll及相關文件。本文使用C#作為開發語言，首先使用short cnc_allclibhndl3（Objectip，ushortport，inttimeout，outushortFlibHndl）與數控機床進行連接，獲取通信句柄。其中各項參數意義如下：ip是機床端IP地址，port是機床端端口號，timeout是連接時間，FlibHndl中存儲通信句柄。當cnc_allclibhndl3函數返回EW_OK時代表連接成功，然后其他FOCAS函數可通過調用通信句柄實現相關功能。各數控機床以IP地址作為區分條件，獲取相應通信句柄。當連接使用結束時，調用shortcnc_freelibhndl（ushortFlibHndl）釋放連接，返回EW_OK代表通信句柄釋放成功[7]。當PC端使用FOCAS開發包與機床端建立連接后即可調用各功能函數。以運動軸進給速度數據采集為例，函數聲明為shortcnc_actf（ushortFlibHndl，ODBACTfeedrate）。FlibHndl存儲通信句柄，feedrate作為輸出參數存放進給速度。feedrate是ODBACT類型的對象，進給速度數據項需要從類中獲得，定義如下。

進給速度存儲在data數據項中，讀取data中的值就能獲取進給速度。等離子切割機床機械坐標、絕對坐標等生產數據可通過cnc_machine、cnc_absolute等函數獲取。

具有串口的數控機床可通過鑲嵌宏指令的方式輸出數據，經串口服務器將數據打包發送給數據采集層的工控機。鑲嵌宏指令是指使用程序編輯的方式在數控程序中嵌入宏指令，實現對機床生產數據的采集。設備層數控機床需配置好機床端波特率、校驗位、數據位、停止位等參數，并設置好串口服務器的對應串口參數以及以太網通訊參數。將含有外部通信宏指令的NC程序傳入數控機床，當切割機執行這些代碼時，切割機會將機床生產信息發送到串口服務器，服務器將數據整理好后再發送到數據采集層。

利用外部通信宏指令POPEN、PCLOSE、DPRNT、BPRNT可以實現進給速度、加工程序名、開始加工時間、結束加工時間、絕對坐標、機械坐標、已加工零件數等機床數據的采集[8]。POPEN指令用于建立與外部設備的連接，PCLOSE指令用于接觸與外部設備的連接，BPRNT和DPRNT均是外部數據輸出指令。例如，若要采集等離子切割機床割炬的機械坐標，則可在數控程序中嵌入如下指令：

其中#5021、#5022、#5023是系統變量，分別代表切割機割炬X軸、Y軸和Z軸的機械坐標。

5 原型系統開發與驗證

本文板材切割車間數據采集系統使用C#語言開發適配器、代理端以及客戶端的應用程序，適配器基于RS232、ModbusTCP等協議采集設備數據，適配器和代理端之間使用Socket套接字進行通信，代理端和客戶端基于HTTP協議進行通信。

板材切割車間生產數據多源異構性決定了適配器（Adapter）采集車間設備生產數據方式的多樣性。鋼材預處理流水線和數控印字劃線機采用在工控機中輸入信息的方式將數據傳輸到適配器，等離子切割機的割炬實時電流數據基于ModbusTCP協議采用數據采集卡模塊發送到適配器。帶串口的切割機生產數據傳輸到串口服務器中，適配器通過Socket套接字讀取實時信息。帶網口的切割機數據采集較便捷，適配器使用基于Socket通信的FOCAS開發包采集機床生產數據。

打開適配器服務器，適配器會監聽端口等待代理端連接。連接成功時，各適配器將采集的異構數據整理成標準格式報文發送到代理端。代理端是系統的核心，客戶端與代理端之間的信息交互是MTConnect的重點。代理端和客戶端之間主要使用REST接口進行通信，底層通信協議是HTTP?？蛻舳讼虼矶颂岢稣埱?，代理端會返回XML文檔作為響應，客戶端解析XML文檔獲取數據項內容。

為了驗證系統可行性，在等離子切割機加工時在客戶端進行試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 等離子切割機數據采集界面

6 結語

基于MTConnect協議為生產車間多源異構數據采集提供了標準化集成方法。本文根據該標準開發了針對船舶板材切割車間的數據采集系統，并進行了基本驗證。MTConect不僅為切割車間提供了標準化的數據模型，也提供了參考的軟件開發包，極大提高了系統開發效率[9]。