船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建方案

王 浩， 甄希金,2， 侯 星,2， 李楊梅,2

(1.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司， 上海 200032； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

智能制造是船舶制造的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)船企在各個(gè)離散點(diǎn)上引入了許多自動(dòng)化設(shè)備以實(shí)現(xiàn)制造智能化，我國(guó)工信部正在組織制訂智能制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行專項(xiàng)支持，以加快推進(jìn)船舶行業(yè)整體智能制造水平。目前，國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)存在著設(shè)備缺乏、網(wǎng)絡(luò)不完善、工作協(xié)調(diào)度低、信息融合度低等問(wèn)題，全面推進(jìn)智能制造稍顯困難。船體分段建造是船舶建造中的重要部分，也是后續(xù)舾裝和涂裝的基礎(chǔ)，因此，先構(gòu)建船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，一邊驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)，一邊推廣至其他建造車間是一種較為可行的途徑[1]。船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)是船舶智能制造模式、智能制造共性關(guān)鍵技術(shù)、車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)、智能制造執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等的集成驗(yàn)證環(huán)境，通過(guò)對(duì)船體分段車間開(kāi)展智能管控集成化研究，突破了船體分段車間智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、船體分段車間智能管控試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)、船體分段車間智能管控實(shí)施方法等關(guān)鍵技術(shù)，最終形成船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建方案總體思路

本文通過(guò)對(duì)典型船廠船體分段車間的具體業(yè)務(wù)流程及加工工藝流程的分析，得出船體分段車間生產(chǎn)線綜合布置圖，在此基礎(chǔ)上抽象出船體分段車間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖；通過(guò)對(duì)硬件功能及軟件功能的進(jìn)一步分析，得到船體分段車間智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖和軟件架構(gòu)圖。船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建方案總體思路

船體分段車間智能管控系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖可進(jìn)一步細(xì)分得到系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖和信息流向圖。其中，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)最終面向船體分段車間智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，并成為構(gòu)建船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的核心基礎(chǔ)。從車間信息流向圖中，選擇具有代表性的鋼材切割智能生產(chǎn)線、型材加工智能生產(chǎn)線、小組立智能生產(chǎn)線等3條智能生產(chǎn)線，設(shè)立構(gòu)建典型智能生產(chǎn)線的建設(shè)目標(biāo)。最終，構(gòu)建“三線一系統(tǒng)”的整體技術(shù)框架。

2 船體分段車間智能生產(chǎn)線綜合布置

船體分段車間智能生產(chǎn)線如圖2所示，車間主要分為原材料堆放區(qū)域、鋼材預(yù)處理區(qū)域、下料加工區(qū)域、集中配套區(qū)域、組立生產(chǎn)區(qū)域等5個(gè)部分，各區(qū)域的主要功能特點(diǎn)說(shuō)明如下。

圖2 船體分段車間智能生產(chǎn)線綜合布置圖

(1) 原材料堆放區(qū)域。包含鋼板以及型材的智能倉(cāng)儲(chǔ)。主要進(jìn)行物料編碼體系構(gòu)建、可視化智能倉(cāng)儲(chǔ)管控、智能貨架設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)貨位分配、材料納期管理、信息標(biāo)識(shí)及識(shí)別技術(shù)、鋼板堆垛管理、堆場(chǎng)布局優(yōu)化等功能和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。

(2) 鋼材預(yù)處理區(qū)域。包括鋼板預(yù)處理流水線和型材預(yù)處理流水線。目前船廠在上述2條流水線的自動(dòng)化程度普遍較高，因此，該階段主要進(jìn)行預(yù)處理作業(yè)計(jì)劃管理、信息自動(dòng)二次標(biāo)識(shí)技術(shù)、預(yù)處理后材料管理、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤反饋技術(shù)、物流配送量的優(yōu)化和定位技術(shù)、車間物流配送順序及路徑優(yōu)化技術(shù)等功能和技術(shù)驗(yàn)證。

(3) 下料加工區(qū)域。包括鋼材切割智能生產(chǎn)線、型材加工智能生產(chǎn)線、構(gòu)件加工以及型材加工等。主要進(jìn)行下料作業(yè)計(jì)劃管理、零件自動(dòng)噴碼技術(shù)、自動(dòng)分揀技術(shù)、板材余料管理、余料優(yōu)化利用設(shè)計(jì)、余料自動(dòng)標(biāo)識(shí)、型材自動(dòng)上料技術(shù)、型材智能輸送技術(shù)等功能和技術(shù)驗(yàn)證。

(4) 集中配套區(qū)域。包括小組立零件托盤(pán)、中組立零件托盤(pán)、大組立零件托盤(pán)、型材托盤(pán)、散裝零件托盤(pán)。主要進(jìn)行零件智能配盤(pán)技術(shù)、托盤(pán)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、車間合理流通優(yōu)化技術(shù)、多物流配送實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)、動(dòng)態(tài)感知的物流信息映射技術(shù)、組立移運(yùn)物流量?jī)?yōu)化技術(shù)、車間智能排產(chǎn)技術(shù)、托盤(pán)無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Indentification, RFID)的應(yīng)用技術(shù)等功能和技術(shù)驗(yàn)證。

(5) 組立生產(chǎn)區(qū)域。包括小組立智能生產(chǎn)線、中組立智能生產(chǎn)線、大組立智能生產(chǎn)線等，主要開(kāi)展自動(dòng)裝配技術(shù)、自動(dòng)焊接技術(shù)、自動(dòng)檢驗(yàn)技術(shù)、組立智能輸送技術(shù)、分段物流優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、智能車間物流仿真邏輯建模技術(shù)、車間物流過(guò)程仿真驗(yàn)證與分析技術(shù)、車間物流過(guò)程仿真分析與管控技術(shù)、焊接變形量動(dòng)態(tài)管控技術(shù)、工藝優(yōu)化決策與專家系統(tǒng)研究、車間綜合管控智能決策技術(shù)等功能和技術(shù)驗(yàn)證。

3 船體分段智能車間方案設(shè)計(jì)

3.1 船體分段智能車間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)布置

根據(jù)船體分段智能車間綜合布置圖所包含的各類主要設(shè)備，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建互聯(lián)互通的智能車間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖[2-3]，如圖3所示。

圖3 船體分段車間智能生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)圖

依據(jù)船體分段車間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析，車間設(shè)備主要分為以下幾類：(1)服務(wù)器：各大管理系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning, ERP/Product Data Management, PDM/ShopFlow Control, SFC/Manufacturing Execution System, MES)、數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：核心層交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)、接入層交換機(jī)、工業(yè)Wi-Fi(無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn))；(3)系統(tǒng)終端：觸控一體機(jī)、PDA手持終端、平板電腦；(4)管理看板：液晶顯示器、LED顯示牌；(5)條碼/RFID設(shè)備：固定式閱讀器、手持閱讀器、天線；(6)加工設(shè)備：智能裝備、傳統(tǒng)設(shè)備；(7)數(shù)據(jù)采集器：批處理數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)數(shù)據(jù)采集器、設(shè)備傳感器；(8)控制終端：各類智能裝備的控制終端(含控制系統(tǒng))、數(shù)據(jù)接口。

3.2 船體分段車間智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

針對(duì)船體分段車間的建造工序以及設(shè)備的種類和主要功能，進(jìn)一步構(gòu)建船體分段車間智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 船體分段車間智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

船體分段車間智能管控系統(tǒng)連通工業(yè)Wi-Fi聯(lián)通設(shè)備、觸控一體機(jī)、車間管理看板、條碼/RFID設(shè)備以及船體分段車間智能設(shè)備等5大類硬件設(shè)備，通過(guò)硬件設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備、人員、生產(chǎn)過(guò)程、中間產(chǎn)品等數(shù)據(jù)信息的采集和展示，結(jié)合生產(chǎn)線智能加工設(shè)備，形成分段車間智能加工流水線，實(shí)現(xiàn)船體分段車間智能管控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

主要硬件設(shè)備及功用如下：(1) 全站儀：分段精度測(cè)量；(2) 數(shù)據(jù)采集器：生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集；(3) 設(shè)備傳感器：感應(yīng)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)；(4) PDA手持終端：移動(dòng)品檢、精度測(cè)量協(xié)同、生產(chǎn)協(xié)同通知；(5) 平板電腦：安裝系統(tǒng)終端，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)、物流管控、生產(chǎn)調(diào)度等；(6) 觸控一體機(jī)：查看工作任務(wù)、圖紙、工藝文件及工單狀態(tài)等，為車間提供數(shù)據(jù)支持；(7) 車間管理看板：實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)進(jìn)度及任務(wù)完成情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控/顯示生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；(8) 條碼/RFID設(shè)備：人員、材料、設(shè)備數(shù)據(jù)采集。

3.3 船體分段車間智能管控系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)船體分段車間智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)及分段車間設(shè)備的主要功能，抽象出船體分段車間智能管控系統(tǒng)軟件架構(gòu)[4-5]，如圖5所示。

本文從船體分段車間生產(chǎn)計(jì)劃、過(guò)程協(xié)同、資源(設(shè)備、人力、場(chǎng)地)管控、質(zhì)量管控、決策支持以及車間信息的互聯(lián)互通等6個(gè)方面著手，通過(guò)智能倉(cāng)儲(chǔ)、計(jì)劃排產(chǎn)、物流管控、精度管控、質(zhì)量管控、資源管控和決策分析等功能模塊，實(shí)現(xiàn)船體分段車間生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理與控制[6]。通過(guò)研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)物流管控、精度/質(zhì)量管理等通用共性技術(shù)，構(gòu)建工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝路線、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)庫(kù)，基于應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface, API數(shù)據(jù)接口技術(shù)與ERP/PDM/SFC等管理系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 船體分段車間智能管控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 船體分段車間智能管控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)船體分段車間智能管控系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖中設(shè)計(jì)的各種系統(tǒng)功能，使各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用，最終構(gòu)建試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)提供技術(shù)支持，本文參考智能管控系統(tǒng)軟件平臺(tái)層和硬件平臺(tái)層的技術(shù)特點(diǎn)，依據(jù)軟件工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，進(jìn)一步規(guī)劃船體分段車間智能管控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，如圖6所示。

4 船體分段智能車間試驗(yàn)平臺(tái)信息流向

本文根據(jù)船體分段車間生產(chǎn)線綜合布置圖、智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖及軟件架構(gòu)圖，梳理了船體分段車間的整體信息流向，明確了信息傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和主要信息處理內(nèi)容，如圖7所示。根據(jù)船體分段車間現(xiàn)有硬件及軟件基礎(chǔ)、智能化實(shí)施難易程度以及在整個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)中的重要性，建議優(yōu)先構(gòu)建鋼材、型材和小組立智能生產(chǎn)線。船體分段車間智能管控系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)層、執(zhí)行層、控制層和數(shù)據(jù)層等4個(gè)層次結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)層表示智能管控系統(tǒng)的功能業(yè)務(wù)，執(zhí)行層包含了車間數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量管控、資源配置等作業(yè)，控制層指系統(tǒng)管控的智能生產(chǎn)設(shè)備及協(xié)同管理設(shè)備，數(shù)據(jù)層包含軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及關(guān)聯(lián)的ERP和PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

采購(gòu)的原材料先進(jìn)入原材料堆放區(qū)暫時(shí)儲(chǔ)存，待預(yù)處理后重新入庫(kù)存儲(chǔ)，每次入庫(kù)出庫(kù)都會(huì)向系統(tǒng)反饋材料類型、規(guī)格、數(shù)量、存儲(chǔ)位置等信息，用于存儲(chǔ)位置、材料余量等數(shù)據(jù)的更新。當(dāng)管控系統(tǒng)通過(guò)集成的ERP和PDM系統(tǒng)得到船體分段加工的生產(chǎn)計(jì)劃和物料需求后，就會(huì)按照生產(chǎn)計(jì)劃提取預(yù)處理過(guò)的原材料進(jìn)行加工，加工區(qū)域包括下料加工區(qū)、配盤(pán)區(qū)和組立生產(chǎn)區(qū)，進(jìn)入加工區(qū)域后，設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的控制指令進(jìn)行加工，并向系統(tǒng)反饋運(yùn)行狀態(tài)、加工進(jìn)程、加工材料、技術(shù)參數(shù)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的整合、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)形成可視化報(bào)表和圖形，為系統(tǒng)用戶指導(dǎo)生產(chǎn)、監(jiān)控進(jìn)程和進(jìn)行決策都提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

圖6 船體分段車間智能管控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

圖7 船體分段車間信息流

5 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛實(shí)結(jié)合、集中管控、分步展示的原則，將船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)劃分成3部分進(jìn)行規(guī)劃，船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)各部分與船體分段車間智能管控系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系如圖8所示。

(1) 全過(guò)程虛擬仿真。以3D動(dòng)畫(huà)、視頻展示為核心的虛擬仿真展示中心，重點(diǎn)體現(xiàn)船體分段車間各智能生產(chǎn)線的能力展示。用戶可以通過(guò)觀看視頻介紹、使用觸屏、VR體驗(yàn)等對(duì)船體智能車間進(jìn)行整體的了解和觀摩。

(2) 實(shí)物模型展示。構(gòu)建與虛擬仿真相對(duì)應(yīng)的基于模擬沙盤(pán)的實(shí)物模型展示區(qū)域，重點(diǎn)體現(xiàn)船體分段車間優(yōu)化布局以及車間物流、信息流的集成方案。通過(guò)數(shù)據(jù)模擬器、模擬數(shù)據(jù)交互技術(shù)等應(yīng)用，結(jié)合船體分段車間智能管控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，直觀地展示船體分段車間建設(shè)成果。

圖8 船體分段車間集成化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)邏輯關(guān)系

(3) 典型智能生產(chǎn)線。選擇若干典型智能生產(chǎn)線、關(guān)鍵加工工位或制造單元，引進(jìn)實(shí)際的智能裝備，按照船體分段車間的要求搭建真實(shí)的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，并在該環(huán)境中對(duì)船體分段車間各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，最終形成船體分段車間的各項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié) 論

本文在國(guó)內(nèi)外智能制造先進(jìn)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)船舶制造業(yè)的現(xiàn)狀，完成了船體分段車間智能生產(chǎn)線的綜合布置及車間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)布置，在此基礎(chǔ)上提出船體分段車間智能管控系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，初步構(gòu)建了試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的整體技術(shù)框架，為船舶行業(yè)推廣智能制造共性關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、管控系統(tǒng)，深入開(kāi)展船舶特色的智能生產(chǎn)線體系架構(gòu)和運(yùn)行模式奠定基礎(chǔ)。

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