板材切割車間設備聯網管控方案分析

侯 星，劉玉璽，董家琛，張則青，郭 威，張怡敏

0 引言

隨著自動化和信息化技術的迅猛發展，國內學者對船舶與海工行業各類制造車間數據采集與集成技術展開一系列研究，但缺乏對具體車間異構數據采集的深入拓展。我國海工建造企業由于歷史條件、經濟條件、生產工藝等因素，板材、型材切割車間生產設備種類眾多，結構形式差異較大，這導致板、型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。甲板片體制造板材切割是上部模塊制造中的重要基礎工序，生產管理人員卻對切割車間對物量、工人工作時間、報警信息等數據缺乏有效監控和統計，導致生產計劃很難根據實際生產狀況調整，因此亟需適用于板材、型材切割車間的數據采集系統。

本文通過分析切割設備聯網管控的技術架構，提出需要突破的4 項關鍵技術，并以實際案例為例，提出2 種聯網管控方案。

1 切割車間設備數據聯網管控技術架構

針對海工建造企業的數控切割車間對設備聯網智能管控的需求，主要包括切割設備運行狀態監控、人員作業任務管控、工時物量統計以及相關看板報表等任務，擬開發一套切割車間智能管控系統，實現對數控切割車間的設備、人員、物料的有效管控。

針對目前中大型海工制造企業常用的切割設備，開展設備互聯互通關鍵技術研究，開發切割生產線互聯互通組件、實時狀態信息采集模塊和實時狀態信息監控模塊，實現切割設備的運行狀態、切割位置、作業對象、工作電流和報警信息等實時數據采集、實時狀態監控和歷史狀態數據回放等功能[1]。系統的整體方案設計見圖1，系統的整體架構見圖2。

圖1 系統整體方案設計

圖2 系統架構

2 切割車間設備數據聯網管控關鍵技術

2.1 車間設備互聯互通技術

切割車間聯網管控主要實現切割車間信息管理及統計分析功能[2]。數據采集系統采用數據采集模塊實現數控切割機的運行狀態信息的采集，將采集的數據統一傳送至現場工控機，最后經過切割車間管控軟件的處理，以電子看板的形式將設備運行數據、人員物料信息等進行現場顯示。此外，切割車間管控軟件還提供統計分析、報表打印等功能。

數控切割機去數據采集技術主要分為以下3 種情況：

1）采用發那科（FANUC）系統的數控切割機，如小池酸素切割機，可以采用FOCAS 庫函數進行數控切割機數據采集。

2）基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統的數控切割機，一般采用工業標準統一架構（OLE for Process Control，OPC）數據采集方法，如梅塞爾數控切割機，此時需要官方提供具體協議。

3）對于老舊機床或者不具備智能接口的切割機，一般采用添加數據采集卡和傳感器的方法采集其設備狀態信息。

其他情況可以采用訪問設備運行時文件的方法，如Access 數據庫或者日志文件，一般情況下不推薦采用。

2.2 切割指令量化派工技術

通過讀取的數字計算機控制（Netcat，NC）代碼，對NC 代碼進行分析，統計每臺切割機的切割距離、切割時長、空程時間、空程距離，并對數控切割機的工作時間進行統計分析。

根據每臺切割機的工作負荷，對切割機的工作量進行手動平衡。使每臺切割機的工作量大致平衡即可。同時該模塊也適用于當某臺切割機出現故障不能工作時候，將剩余的切割代碼平均分配給其他的切割機。

2.3 N C 文件模擬仿真技術

通過工控機上的客戶端，可以實現對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 代碼轉化為切割軌跡二維圖，供作業人員檢驗程序的正確性。NC 文件管理界面見圖3。

圖3 NC 文件管理界面示意圖

2.4 數控切割機作業實時反饋技術

對機床的狀態信息進行采集和分析，主要包括數控切割機的的實時狀態信息：切割機關機、待機、運行、電流、故障（時間/類型）等5 個狀態量[3]。

3 基于數據采集卡的切割機聯網實施案例

3.1 切割車間設備數據聯網管控需求分析

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

根據數控切割機的當前狀況，提出2 種數據采集方式：

1）采用外接數據采集卡的方式獲取數控切割機的狀態信息。將采集得到的信息傳給相應的工控機，并通過工控機將數據傳輸給服務器。

2）基于切割機的分布式數控（Distributed Numerical Control，DNC）接口獲取與硬件相關的信息。

3.2 模塊配置說明

整套系統的設備組成主要包含工控機、電子看板、開關量采集模塊、模擬量采集模塊、電流傳感器、電壓互感器、工業級交換機、集成電路（Integrated Circuit，IC）卡讀卡器、網線及導線等。根據車間實際需求按量配比。

1 臺數控切割機配置1 臺工控機、1 塊開關量數據采集模塊和1 塊模擬量數據采集模塊。其中，開關量數據采集模塊用于采集切割機的開關量信息，模擬量數據采集模塊用于采集數控切割機的模擬量信息，此外，1 塊模擬量數據采集模塊需要配置1塊電流傳感器和電壓互感器，各數據采集模塊通過千兆網線連接，數據采集模塊和工控機之間的通信方式采用千兆網傳輸。

除上述設備，現場還需要準備1 塊電子看板。聯網管控系統組成見表1。

表1 聯網管控系統組成

3.3 具體實施

通過前期調研，制定聯網方案如下，為數控切割機外接數據采集卡[4]，采集數控切割機的關機、待機、運行、電流等信息，數據采集卡的輸出端連接工控機，將采集到的設備狀態信息傳輸至工控機，工控機再將數據上傳至服務器。數據采集系統的現場布置見圖4，數控切割車間數據采集系統的現場布置見圖5，切割機監控界面見圖6。

圖4 數據采集系統的現場布置

圖5 數控切割車間數據采集系統現場布置

圖6 切割機監控界面

5 結論

本文根據海工建造企業的實際需求為標準，制定了 2 種針對板材切割車間的數據采集和管控的方案，并進行了生產實際驗證。研究表明：本文提出的方案可有效獲取切割機的運行狀態、切割位置、作業對象、工作電流和報警信息等實時數據，并展示在系統界面上。車間智能化改造可實現對數控切割車間設備、人員、物料的有效管控。有效改善了上部模塊生產過程中“信息孤島”的問題，使生產車間向信息化、智能化的方向發展。