基于工業互聯網平臺的風電葉片生產過程管控研究

楊玉駿

摘要：基于工業互聯網體系架構及風電葉片生產過程管控要求，文章建立了設備實時信息和業務數據交互的集成機制。文章先利用物聯網、云計算、大數據、互聯網等技術手段，全面打通設備、生產和管理環節，再通過工業互聯網平臺的數據集成能力，形成OT層向IT層自下而上的信息流。系統充分考慮了工控安全防護措施，以生產數據為抓手，基于云平臺業務觸發從上而下的決策流，從而推動生產工序及設備流轉。生產過程管控系統的應用使得生產設備在生產過程中處于全流程信息協同，大幅度降低了人為非規范操作影響，提升產品質量和制造效率。

關鍵詞：工業互聯網；智能制造；生產管控

中圖分類號：TP391.8? 文獻標志碼：A

0 引言

新一代智能制造范式是以智能產品、智能生產及智能服務為主的數字化、網絡化、智能化制造，追求目標是優化生產過程，大幅提升生產系統性能、功能、質量和效益［1］。王麟琨等［2］梳理工業現場設備之間互聯互通的通信協議規范，提出工廠現場設備信息模型。張衛等［3］列舉了工業互聯網架構下，基于服務制造模式的業務系統和生產設備間的數據集成框架。翟保利等［4］研究了風電葉片生產中鋪層固化工藝對風電葉片疲勞性能影響，明確指出預固化階段模具溫度對復合材料葉片服役性能的穩定性有著顯著影響。

在實際生產過程中，風電葉片制造屬于離散制造，工序間流轉依賴人工啟動設備。如灌注工序時常發生因真空測試質檢尚未出檢，現場人工就開啟混合樹脂機進行灌膠。由于灌注后，葉片表面覆蓋復合材料，無法評估內部質量問題。如發生返工，還需先將表面復合材料剝離，因此，事后質量追溯意義不大。由于現場生產情況尚未能實現全自動化，如真空泵仍為指針讀數，依賴人工讀取填報。考慮現場改造成本，有設計者認為結合已有生產執行管理系統（Manufacturing Execution System，MES），將現場生產設備進行鎖機，僅當生產質檢任務完成后，方可解鎖設備，降低人工干擾因素。另外，風電葉片普遍較長，現場生產所需設備較多且均處于可移動狀態。現場生產線之間，設備調撥頻繁，故有必要對生產設備可用性進行管控。

綜上所述，風電葉片因工藝流程控制不當引起的質量問題可造成嚴重經濟損失。本文借助工業互聯網平臺將設備、生產、質量等數據統籌規劃，實現風電葉片制造的生產過程管控。通過生產過程控制系統的建立，系統將可能存在的質量問題從事后追溯轉變成事前干預，有效降低了廢品返工率，提升了設備可用性，實現了可觀的經濟效益。

1 系統建模

針對現有生產流程中工序流轉的工藝和質量控制問題，本文通過工藝路線、工藝參數和質量要求的梳理，設計風電葉片生產管控系統。按工藝路線，生產工序可按鋪層、投料、合模3個重要工藝管控節點切分，以期降低人為干預因素，加強工藝和質量控制水平。

在每個階段內，工序相對連續，實際生產工序及設備操作順序如下：（1）不同階段間工序流轉依賴MES質檢結果作為觸發。（2）同一階段工序下，設備啟動先后順序固定。設備間串行的銜接依賴設備邏輯量（開關信號）和過程量（數值狀態）進行觸發。

1.1 業務邏輯

根據風電葉片生產工序劃分，生產管控系統的業務邏輯如下：（1）默認現場生產設備均處于未連接的通電狀態。當設備接入時，系統將核實設備編碼及相應接入網絡地址，僅當設備與工序工位匹配時，設備呈現為連接鎖定狀態。（2）在不同階段的工序過渡中，僅當系統拉取上一階段工序質檢合格后，系統才對現場設備下發解鎖指令。（3）同一階段工序下，設備間串行順序啟動，當上游設備處于完工狀態，系統將自動解鎖下游設備。

1.2 系統架構

本文基于企業級私有化工業互聯網平臺架構，采用平臺功能模塊構建生產管控系統，如圖2所示。考慮安全因素，系統將OT與IT網絡隔離。

數據采集服務可從現場獲取設備實時數據，將設備閾值告警類信息推送給設備管理系統，從而觸發工單。通過開發接口，用戶可從已有MES定時獲取生產計劃及工序進度。在獲得設備及生產相關信息后，通過平臺管理工具，如應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）編排調度等，可對業務邏輯進行重構，從而實現生產工藝數據流的串聯。所有應用及服務均部署于容器云，以保證服務的高可用及可拓展性。

2 系統實現

2.1 設備數據

根據已有生產設備軟硬件條件，系統對串口設備進行網絡適配，開發相應數據通信協議，實現數據快速穩定傳輸。本文設備數據采集量主要為設備編碼、網絡地址、開關狀態、工況值（如溫度、壓力），如表1所示。

現場中控系統主要用于數據接收和工序邏輯推進。系統可實現人機HMI交互，實時顯示當前工序、設備狀態（可用狀態、在線狀態、工作參數）。由于加熱器和真空泵兩類設備的品牌及型號較為分散，數量眾多，設計者考慮采取低代碼工具開發工單頁面填報錄入。

2.2 業務數據

系統數據集成功能模塊實現多系統多協議接口開發，可進行跨系統、多維度數據分析。本系統僅與MES和設備管理系統（Equipment Management System，EAM）產生數據交互。通過API接口定時輪詢，系統獲取MES生產工單質檢結果，按工序建立相關庫表結構匯集于數據倉庫。低代碼工具通過構建自定義表結構，可快速開發配置表單，同時拉取EAM設備主數據，維護設備編號與網絡地址映射關系。數據交互所涉及的開發接口均在API服務中注冊，API接口調取需進行Token驗證授權。為保證服務可用性及可維護性，系統需對服務分發、編排、集成、共享、監控等進行全生命周期管理。

2.3 安全防護

安全防護主要考慮云平臺IT網絡及工控OT網絡之間數據傳輸、設備接入、系統控制等安全防護，如圖3所示。

設備安全：設備準入白名單均由設備物模型維護，可在模塊內直接更改現有設備和網絡地址綁定關系。中控系統僅從平臺接收和存儲白名單。設備通電后，中控系統獲得設備編碼及當地網絡地址。通過調取白名單，系統對接入設備進行網絡地址認證。若設備接入網絡地址與白名單配置項一致，則通過認證。否則，系統直接顯示相應工位的設備離線，產生相應日志記錄。

數據和網絡安全：為防止設備傳輸的報文被暴力破解，影響生產安全，設備指令間傳輸采用SM4密文加密。數據傳輸需遵循相應數據校驗規則，確保數據傳遞準確無損。工廠車間網絡進行物理隔離，本地工控OT網絡到遠程業務IT網絡的數據需嚴格脫敏。兩層網絡的通信數據將在本地配有固定數據地址段內完成指令交互。

控制安全：生產設備支持遠程和本地解鎖。在遠程模式下，根據上文控制邏輯，調度邏輯依賴于生產管控系統，現場設備之間指令下發由中控PLC調度。系統配置有車間現場操作模式，開啟后切換至本地控制，可通過現場人工解鎖設備。

2.4 數據交互

中控系統預留指令傳輸接口，持續與IT網絡工序質檢模塊保持動態數據交互。預留接口將接收下發的工序指令。

當某工序下各類設備無先后順序的情況下，中控系統接收到新工序指令。在確認進入新工序后，即解鎖新工序所需設備，如圖4所示。

當某工序下設備存在串行關系情況下，系統將自動監測判斷上游設備是否處于完工狀態。若上游設備已完成操作，則鎖定上游設備操作權限，同時解鎖下游設備操作權限。若上游設備尚未滿足工藝要求，則繼續保持上游設備操作權限。

串聯設備間的自動監測判斷標準，可定義為當前值是否等于設定值。即在工藝執行階段，檢測加工條件是否滿足需求。設定值為可編程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）下發指令數值。當前值可通過生產現場測點采集，部分現場無法采集參數，如真空度等，可通過人工讀取，再由低代碼工具構建表單錄入系統，完成閉環。

3 結語

根據風電葉片生產過程中所涉及工藝控制、設備管理、質量追溯等問題，本文基于工業互聯網平臺設計生產管控系統。考慮生產設備存在反向控制，將中控系統及工業互聯網平臺分別部署于OT網絡及IT網絡。由于風電葉片生產工藝相似度較高，本文所提出的技術方案具有一定普適性。

基于工業互聯網平臺的生產管控系統主要實現以下功能：（1）平臺實現生產設備實時參數采集，可配置閾值超限推送，有效提升現場加工工藝精度。（2）平臺匯集各業務系統數據，打通業務系統壁壘， 完善設備可用性和設備履歷，實現設備調撥有跡可循，避免固有資產流失。（3）平臺可構建工作流表單，提高生產資料完整度及追溯性。（4）中控系統可規范人工操作規范，保證工序控制及工藝標準，避免因人為非規范操作引起的經濟損失。

參考文獻

［1］周濟.中國智能制造的發展路徑［J］.中國經濟報告，2019（2）：36-43.

［2］王麟琨，劉丹，龔彥杰.工業現場設備互聯互通問題分析及解決思路［J］.信息通信技術與政策，2022（10）：37-42.

［3］張衛，朱信忠，顧新建，等.工業互聯網環境下的智能制造服務流程縱向集成［J］.系統工程理論與實踐，2021（7）：1762-1770.

［4］翟保利，楊清海，周百能，等.預固化溫度對風電葉片復合材料性能的影響［J］.復合材料科學與工程，2021（1）：112-115.

（編輯 王永超）

Research on wind turbine blade production process management and control based on industrial Internet platform

YANG? Yujun

（Shanghai Electric Digital Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201100， China）

Abstract： Based on the industrial Internet architecture and the requirements of wind power blade production process control， an integrated mechanism for the interaction of equipment real-time information and business data is established in this paper. The use of the Internet of Things， cloud computing， big data， the Internet and other technical means is to fully open up equipment， production and management links. Through the data integration capability of the industrial Internet platform， the bottom-up information flow from the OT layer to the IT layer is formed in this paper.The system fully considers industrial control safety protection measures， takes production data as the starting point， and triggers top-down decision flow based on cloud platform business， so as to promote the flow of production processes and equipment. Through the production process control system， the application of the production process control system in the whole process information coordination reduces the influence of artificial non-standard operation， and improves product quality and manufacturing efficiency.

Key words： industrial Internet; intelligent manufacturing; production control