大型船舶分段焊接數(shù)字化車間總體架構(gòu)研究及試驗驗證

摘? 要：本文針對國內(nèi)大型船舶分段焊接數(shù)字化車間建設(shè)需求，通過對大型船舶分段焊接的組織管理模式、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備進行調(diào)研，結(jié)合先進的船舶智能制造技術(shù)，提出了大型船舶分段焊接數(shù)字化車間的總體架構(gòu)，從功能要求、互聯(lián)互通要求及智能裝備要求等方面對車間的技術(shù)要求進行了說明，并通過搭建試驗驗證平臺對所提出的車間總體架構(gòu)、技術(shù)要求的合理性進行了驗證，對國內(nèi)大型船舶焊接數(shù)字化車間建設(shè)具有很強的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大型船舶分段焊接;數(shù)字化車間;總體架構(gòu);技術(shù)要求;試驗驗證平臺

中圖分類號：U673 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0165-04

Abstract：Aimed at the demand of constructing digital workshop for segmental welding of large ships，by investigating the organization and management mode，process flow and production equipment of large-scale ship sectional welding，combines advanced ship intelligent manufacturing technology，this paper proposed the overall architecture of digital workshop for segmental welding of large ships，and explained the related technical requirements of workshop in terms of functional requirements，interconnection requirements and intelligent equipment requirements. The rationality of the overall structure and technical requirements of the workshop is verified by building a test platform，which has a strong guiding significance for the construction of domestic large-scale ship welding digital workshop.

Keywords：segmental welding of large ships;digital workshop;architecture;technical specifications;test and verification platform

0? 引? 言

船舶作為一種小批量甚至單件產(chǎn)品，其制造過程是一種典型的多品種、小批量的離散型生產(chǎn)過程，所涉及的中間產(chǎn)品種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)規(guī)模龐大，但由于船舶制造企業(yè)缺乏與智能制造技術(shù)的有效結(jié)合，造成生產(chǎn)過程存在船舶制造組織難度大、生產(chǎn)過程柔性差、設(shè)備利用率不高等問題，導(dǎo)致國內(nèi)船舶制造企業(yè)與日韓歐美等國家相比在生產(chǎn)效率與成本等方面存在較大差距，國內(nèi)船舶制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求迫切。

焊接是船舶制造的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，決定了船舶的整體建造效率和建造質(zhì)量。船舶制造中的拼板、中小組立、平面分段、曲面分段、管法蘭焊接、型材部件裝焊等多個工序和工位都需要依靠焊接實現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)資料，焊接工作量占據(jù)了船體建造總工程量的30%到40%，焊接成本占據(jù)船體建造總成本的30%到50%，而焊接所需要的工時也占船體建造總工時的40%。

正是由于船舶分段焊接在船舶制造中的重要地位，近幾年，大船集團、外高橋等國內(nèi)骨干造船廠圍繞船舶分段焊接紛紛開展了數(shù)字化車間建設(shè)工作。但由于數(shù)字化車間技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的新事物，其在船舶行業(yè)落地應(yīng)用的具體路徑尚不明確。因此，對大型船舶分段焊接數(shù)字化車間的一般概念、總體架構(gòu)和技術(shù)要求等內(nèi)容進行研究，并對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行技術(shù)研究與驗證，對我國后續(xù)船舶分段數(shù)字化車間的建設(shè)具有很重要的參考意義。

1? 大型船舶分段焊接數(shù)字化車間總體架構(gòu)

大型船舶焊接數(shù)字化車間是以分段制造車間為基礎(chǔ)，以信息技術(shù)等為手段，用數(shù)據(jù)連接船舶分段生產(chǎn)運營過程的不同單元，對生產(chǎn)進行規(guī)劃、管理、診斷和優(yōu)化，實現(xiàn)船舶分段產(chǎn)品制造的高效率、低成本、高質(zhì)量。大型船舶焊接數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)由車間執(zhí)行層、控制層、設(shè)備層三個層面構(gòu)成，如圖1所示。

車間執(zhí)行層是大型船舶分段焊接數(shù)字化車間的核心層，包括車間生產(chǎn)計劃與執(zhí)行、車間工藝管理、車間設(shè)備管理、質(zhì)量控制、生產(chǎn)物流、成本管理等功能模塊。船企可根據(jù)自身業(yè)務(wù)進行增減。通過執(zhí)行層，從上層信息系統(tǒng)接受船體分段的生產(chǎn)計劃，車間執(zhí)行層進行生產(chǎn)任務(wù)分解及處理后，將生產(chǎn)指令及工藝文件下達到控制層;同時，車間執(zhí)行層從控制層接收生產(chǎn)現(xiàn)場的人員、設(shè)備、物料及當(dāng)前工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，通過對實時數(shù)據(jù)進行處理后，向上層系統(tǒng)反饋生產(chǎn)計劃的執(zhí)行結(jié)果，實現(xiàn)船舶分段焊接數(shù)字化車間設(shè)備、物料、工藝文件等制造資源的數(shù)字化管理和制造過程集中管控。

控制層主要實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與控制以及焊機管控等功能，同時提供進行二次開發(fā)的工具和中間件接口。控制層利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)實現(xiàn)不同類型設(shè)備的統(tǒng)一管理，一方面可以將來自車間執(zhí)行層的生產(chǎn)任務(wù)、控制指令、工藝參數(shù)等生產(chǎn)信息下達至設(shè)備層，另一方面，將生產(chǎn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)上傳至車間執(zhí)行層并進行數(shù)據(jù)存儲和備份。

設(shè)備層主要包括制造設(shè)備、物流設(shè)備、檢測設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)備，設(shè)備層采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)其統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)。

2? 大型船舶分段焊接數(shù)字化車間技術(shù)要求

2.1? 車間功能總體要求

大型船舶分段焊接數(shù)字化車間的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)主要包括車間計劃與調(diào)度、工藝執(zhí)行與管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、生產(chǎn)物流管理、車間設(shè)備管理及成本管理六個主要功能模塊，如圖2所示。

車間計劃與調(diào)度模塊實現(xiàn)車間生產(chǎn)計劃的管理;工藝執(zhí)行與管理模塊實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫管理、焊接工藝執(zhí)行和焊接工藝可視化;質(zhì)量管理模塊實現(xiàn)質(zhì)量檢驗計劃、質(zhì)量檢驗執(zhí)行、質(zhì)量檢驗記錄;物流管理主要包括出入庫過程管理、庫存管理、出入庫記錄與查詢?nèi)糠?車間設(shè)備管理完成對設(shè)備基本信息、使用信息及維保信息的全過程管理;成本管理模塊實現(xiàn)成本分析、成本控制、成本核算。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將設(shè)備、人力、物料、過程統(tǒng)一為生產(chǎn)資源進行管理，通過信息的傳遞，將工件從開始加工到完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，同時通過收集和處理生產(chǎn)過程中大量的實時數(shù)據(jù)和事件對焊接車間的生產(chǎn)活動做出指導(dǎo)、響應(yīng)和報告。

2.2? 互聯(lián)互通要求

大型船舶分段焊接數(shù)字化車間需要系統(tǒng)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間能夠傳送完整的信息。企業(yè)PLM、ERP等信息系統(tǒng)可采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）并通過企業(yè)服務(wù)總線（ESB）與車間執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進行集成。在車間層級通過建立內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)將車間自動化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得車間設(shè)備運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)對車間多臺設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)。利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間件實現(xiàn)統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，對車間現(xiàn)場的各種自動化設(shè)備進行統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)和管理。車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.3? 智能裝備要求

大型船舶焊接數(shù)字化車間設(shè)備主要包含制造設(shè)備、檢測設(shè)備、物流設(shè)備和輔助設(shè)備。

2.3.1? 制造設(shè)備

船舶分段制造設(shè)備主要完成車間分段中間產(chǎn)品的焊接加工工作，一般應(yīng)包含焊接機器人（如小組立焊接工作站、分段焊接工作站等）和專用焊接設(shè)備（如拼板焊接設(shè)備、縱骨自動焊接設(shè)備等）。

船舶分段制造設(shè)備一般應(yīng)具備以下要求：

（1）具備完善的檔案信息，包括編號、模型及參數(shù)的數(shù)字化描述;

（2）具備通信接口，能夠與其他設(shè)備、裝置以及執(zhí)行層實現(xiàn)信息互通，能夠?qū)崟r顯示設(shè)備的工作參數(shù)，能夠根據(jù)工作人員要求更改工作運行參數(shù);

（3）能向執(zhí)行層提供制造的活動反饋信息，包括產(chǎn)品的加工信息、設(shè)備的狀態(tài)信息及故障信息等，能夠記錄、上傳焊接過程中電流、電壓、送絲速度、氣體流量等信號信息;

（4）能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備自身運行狀態(tài)，具備數(shù)據(jù)分析處理能力，并對錯誤狀態(tài)進行報警。

2.3.2? 檢測設(shè)備

大型船舶焊接數(shù)字化車間檢測設(shè)備的主要作用是對工件的加工過程相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并對加工完成后的工件質(zhì)量進行檢測，一般應(yīng)具備以下要求：

（1）能將采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到上位機，通過上位機進行數(shù)據(jù)分析;

（2）具備USB、以太網(wǎng)等通信接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲及導(dǎo)出;

（3）宜具備檢測數(shù)據(jù)、報告的顯示看板。

2.3.3? 物流設(shè)備

物流設(shè)備包含起重設(shè)備、輥道、平板車等，具備聲光報警以及緊急制動等功能。

2.3.4? 輔助設(shè)備

大型船舶焊接數(shù)字化車間輔助設(shè)備主要包含現(xiàn)場終端和車間看板，一般應(yīng)滿足以下要求：

（1）能實時查詢工作人員的考勤信息和每日待加工任務(wù)及完成進度情況;

（2）能實時查詢工作人員的標(biāo)準(zhǔn)工時、實動工時和消耗材料等信息;

（3）能實時查詢待加工件的圖紙和工藝文件，同時可由工作人員對缺料、少圖、設(shè)計失誤等問題，進行手動報錯反饋;

（4）能顯示車間里生產(chǎn)計劃、任務(wù)執(zhí)行信息、設(shè)備運行狀態(tài)、物料消耗信息、成本工時、環(huán)境狀態(tài)等信息。

3? 大型船舶分段焊接數(shù)字化車間關(guān)鍵技術(shù)驗證

根據(jù)數(shù)字化車間總體框架進行整體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，針對大型船舶焊接數(shù)字化車間的車間執(zhí)行層、控制層和設(shè)備層各層級的典型應(yīng)用，選取T型材、小組立焊接機器人系統(tǒng)等先進船舶焊接裝備進行系統(tǒng)設(shè)計，通過搭建試驗驗證平臺，對車間的總體架構(gòu)、功能要求、互聯(lián)互通要求、設(shè)備要求等內(nèi)容進行技術(shù)驗證。

3.1? 驗證平臺搭建

大型船舶平面分段數(shù)字化焊接車間試驗驗證平臺主要由綜合管控系統(tǒng)、仿真平臺、小組立機器人焊接系統(tǒng)、T型材機器人焊接系統(tǒng)、焊接電源管理系統(tǒng)、環(huán)境檢測設(shè)備、焊接質(zhì)量檢測設(shè)備、條碼識別設(shè)備、電子看板、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備以及與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施組成，如圖4所示。

綜合管控系統(tǒng)主要由業(yè)務(wù)應(yīng)用客戶端（工位一體機）、應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計劃管理、排產(chǎn)管理、設(shè)備管理、物料管理、現(xiàn)場生產(chǎn)管理及質(zhì)量管理等功能。業(yè)務(wù)應(yīng)用客戶端是系統(tǒng)的用戶交互層，其中電子看板、PDA（個人手持終端）采用C/S客戶端，工位機、管理端采用B/S客戶端。應(yīng)用服務(wù)器架構(gòu)采用SOA架構(gòu)，提供MQ訪問接口，可以和企業(yè)總線輕松集成。數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器用來部署具體數(shù)據(jù)庫，采用Oracle數(shù)據(jù)庫。

仿真平臺主要由圖形工作站和抗惡劣環(huán)境計算機組成，主要完成平面分段焊接數(shù)字化車間的系統(tǒng)布局仿真和流程仿真，并輸出仿真結(jié)果。

小組立機器人焊接系統(tǒng)、T型材機器人焊接系統(tǒng)是大型船舶平面分段車間的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，能夠自動完成小組立及T型材焊接，焊接過程中將焊接電流、電壓、送絲速度等數(shù)據(jù)實時上傳并存儲。

環(huán)境檢測設(shè)備主要由粉塵、有毒氣體、噪聲等傳感器設(shè)備組成，能夠?qū)囬g工作環(huán)境進行實時監(jiān)控，并在工作環(huán)境低于設(shè)定閾值時進行報警提示。

條碼識別設(shè)備由RFID掃碼設(shè)備組成，能夠?qū)ぜ畔?、設(shè)備信息進行讀取，并將讀取到的信息上傳到綜合管控系統(tǒng)。

電子看板能夠平面分段數(shù)字化焊接車間中的任務(wù)信息、物流信息、故障信息、報檢信息及環(huán)境狀態(tài)進行顯示。

質(zhì)量檢測設(shè)備能夠?qū)ν瓿晒ぜM行檢測，并將檢測到的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷信息進行存儲，并導(dǎo)入綜合管控系統(tǒng)。

3.2? 試驗驗證

試驗驗證平臺建成后，針對車間的功能要求、關(guān)鍵技術(shù)進行試驗場景選擇，對測試案例的測試目標(biāo)、環(huán)境、步驟進行詳細設(shè)計，對大型船舶數(shù)字化車間總體框架、技術(shù)要求的合理性、適用性進行驗證，評價過程及結(jié)果采用檢查表形式進行記錄。

4? 結(jié)? 論

本文通過對大型船舶分段焊接的組織管理模式、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備進行調(diào)研，結(jié)合高端船舶制造裝備、信息集成技術(shù)，給出了大型船舶焊接數(shù)字化車間的總體框架，并對車間技術(shù)要求進行了描述，最后搭建試驗驗證平臺進行驗證，通過測試試驗，本文所提出的船舶分段焊接數(shù)字化車間總體架構(gòu)及技術(shù)要求合理可行，對開展分段焊接數(shù)字化車間建設(shè)的企業(yè)具有重要參考意義。

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作者簡介：鈕會武（1974-），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：船舶總裝建造技術(shù)。