船用發(fā)電機智能車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)試驗與驗證

丁衛(wèi)剛，李利民，畢晉燕

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027）

0 引言

船舶與海洋工程裝備制造業(yè)是為海洋資源的開發(fā)和海軍艦船建造提供技術(shù)裝備的現(xiàn)代綜合性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國家發(fā)展高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，也是我國實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略的重要支撐和基礎(chǔ)[1]。近年來，隨著我國船舶制造業(yè)的發(fā)展，船舶與海洋工程關(guān)鍵裝備需求也越來越多樣化，企業(yè)傳統(tǒng)的發(fā)展模式已經(jīng)跟不上國家海洋強國戰(zhàn)略的需求。因此，船舶與海洋工程裝備制造業(yè)不僅在技術(shù)和質(zhì)量方面需進一步提升，以滿足目前船舶行業(yè)需求的多樣性和更高的性能指標(biāo)，而且在制造方面也需不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，以實現(xiàn)船舶與海洋工程裝備數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造。

高技術(shù)船舶與海洋工程裝備數(shù)字化車間的建設(shè)是基于網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的[2]。為解決各船舶與海洋工程裝備制造企業(yè)在實施智能制造過程中存在的方法多樣性、模式不統(tǒng)一、信息不兼容等問題，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)要求中提出了“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”[3]。為解決標(biāo)準(zhǔn)缺失、滯后以及交叉重復(fù)等問題，指導(dǎo)當(dāng)前和未來一段時間內(nèi)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要制定國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，包含智能制造跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和十大領(lǐng)域重點行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

本文主要探討了船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的制定及試驗驗證。

1 制約船用發(fā)電機智能制造的技術(shù)因素

船用發(fā)電機屬于高技術(shù)船舶與海洋工程裝備，其制造工藝復(fù)雜。制約船用發(fā)電機智能制造的因素有以下幾點：

1）生產(chǎn)模式。船用發(fā)電機具有多品種、小批量、系列化的特點，需根據(jù)客戶進行定制化生產(chǎn)。

2）質(zhì)量控制方式。以多品種、小批量、系列化生產(chǎn)為特點的船用發(fā)電機不適用常規(guī)SPC控制方式。

3）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用。由于船用發(fā)電機的生產(chǎn)工藝中包含獨有的鐵心、繞組等工藝，手工勞動比重大，其數(shù)字化基礎(chǔ)較差。

4）生產(chǎn)組織方式。

（1）加工。與大批量汽車零部件自動流水生產(chǎn)線不同，船用發(fā)電機使用的非標(biāo)設(shè)備較多，因此相應(yīng)的非標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備也較多；生產(chǎn)線主要以柔性生產(chǎn)線FMS為主，一條柔性生產(chǎn)線需用于生產(chǎn)十幾個以上的類似零部件；大型零部件則無法建立柔性生產(chǎn)線。

（2）物流。船用發(fā)電機具有較大的尺寸和較重的質(zhì)量，上下料必須使用吊車或大型平板車。

（3）裝配。為提高裝配效率，一般在不同區(qū)域進行部件裝配與整機裝配，部件裝配完成后運至整機裝配待裝區(qū)域，開始整機裝配；船用發(fā)電機特有的繞組工藝，其手工勞動占比很大，裝配效率很低。

（4）試驗。船用發(fā)電機裝配完成后需進行長時間的性能試驗，以確保其滿足設(shè)計要求。

綜上，船用發(fā)電機制造業(yè)具有典型的離散制造的特點，要實現(xiàn)船用電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通，不僅需提高其數(shù)字化應(yīng)用基礎(chǔ)，同時也需根據(jù)其生產(chǎn)模式進行相應(yīng)的數(shù)字化建設(shè)。

2 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)制定

制定船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，主要解決企業(yè)在建設(shè)船用發(fā)電機數(shù)字化車間過程中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、設(shè)備互聯(lián)互通、信息交互等問題。通過構(gòu)建船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)架構(gòu)，對數(shù)字化車間的網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備互聯(lián)互通和信息交互等方面進行規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)在船用發(fā)電機數(shù)字化車間建設(shè)過程中的方法統(tǒng)一、模式統(tǒng)一和信息兼容。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸要求方面，對互聯(lián)方式、互通方式和有線無線傳輸給出了明確要求；在設(shè)備互聯(lián)互通方面，對組成船用發(fā)電機數(shù)字化車間設(shè)備的數(shù)字化需求進行了合理歸納，并提出了相關(guān)要求；在信息交互方面，明確了交互信息的類型、傳遞形式和處理方式。

2.1 互聯(lián)互通總體架構(gòu)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

船用發(fā)電機數(shù)字化車間應(yīng)能通過網(wǎng)絡(luò)將車間設(shè)備和控制系統(tǒng)連接起來，以構(gòu)建船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括車間現(xiàn)場設(shè)備、可編程控制設(shè)備、可視化監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器、電子看板和 EPR/MES等。在數(shù)字化車間現(xiàn)場，有的裝備不能直接與控制中心進行通信，需要借助通信組件進行連接。

2.1.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通業(yè)務(wù)框架如圖 2所示，主要包括 PDM、ERP、MES和車間設(shè)備。

2.2 互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)傳輸要求

數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建是船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將分布于不同生產(chǎn)環(huán)境的各系統(tǒng)和數(shù)控、裝配等設(shè)備連接起來，打破原有業(yè)務(wù)流程和過程控制流程脫節(jié)而形成的“信息孤島”的局面，由此數(shù)據(jù)信息才能從底層設(shè)備貫穿至上層決策系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建不僅關(guān)系到數(shù)字化車間數(shù)據(jù)通信的效率，也會影響制造執(zhí)行系統(tǒng)對車間排產(chǎn)任務(wù)的下達。船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)傳輸要求見表1和表2。

圖1 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通業(yè)務(wù)架構(gòu)

表1 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸要求

表2 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸要求

2.3 互聯(lián)互通設(shè)備要求

目前，我國大多數(shù)船用發(fā)電機生產(chǎn)企業(yè)的車間內(nèi)大多數(shù)設(shè)備還處在單機自動化階段，車間設(shè)備大多沒有接入工控網(wǎng)絡(luò)，因此不能直觀地反映車間設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備作業(yè)任務(wù)和物料供給情況等。根據(jù)船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通建設(shè)需要，規(guī)范車間加工設(shè)備、裝配設(shè)備、物流設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶終端設(shè)備的數(shù)字化要求，是船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的設(shè)備基礎(chǔ)，同時數(shù)字化的設(shè)備也是實現(xiàn)數(shù)字化車間的重要組成部分。

在船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通建設(shè)過程中，加工設(shè)備應(yīng)能基于現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備與 MES之間的通信，并應(yīng)具備數(shù)據(jù)交互和故障報警等功能；裝配設(shè)備應(yīng)能基于現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備與 MES之間的通信；物流設(shè)備應(yīng)具備程序自動控制、手動控制或半自動控制功能，對于質(zhì)量大的部分工件，若普通機器人難以進行上下料，則可通過吊車進行上下料，車間內(nèi)部可通過運輸裝置實現(xiàn)工件在各工位間的自動流轉(zhuǎn)；船用發(fā)電機物流設(shè)備應(yīng)能基于現(xiàn)場的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物流設(shè)備與中央控制系統(tǒng)的通信，物流設(shè)備應(yīng)能夠根據(jù)指令將工件運至相應(yīng)工位；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和控制中心，工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括交換機、路由器、防火墻和網(wǎng)關(guān)，控制中心應(yīng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收集、指令下發(fā)和綜合控制；互聯(lián)互通用戶終端設(shè)備是面向用戶的，可顯示車間現(xiàn)場生產(chǎn)執(zhí)行、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、物料管理等的信息。

2.4 互聯(lián)互通信息交互

船用發(fā)電機數(shù)字化車間通過網(wǎng)絡(luò)向制造執(zhí)行系統(tǒng)MES提交的信息類型應(yīng)包括設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備故障信息、生產(chǎn)狀態(tài)和質(zhì)量檢測信息等；制造執(zhí)行系統(tǒng) MES向工控網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息類型應(yīng)包括生產(chǎn)計劃信息、生產(chǎn)物料信息和設(shè)備維護信息等。

船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通交互信息流如下：車間現(xiàn)場數(shù)控設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)信息被收集、分類和整理，經(jīng)過過濾、剔除和合并等處理，進而在工控系統(tǒng)上進行控制、顯示和記錄等，最終相關(guān)信息數(shù)據(jù)被上傳至決策系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3 標(biāo)準(zhǔn)驗證方案

通過建設(shè)船舶與海洋工程智能制造車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證體系，來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)迭代優(yōu)化；通過建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證平臺，對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容歸納出不同的驗證場景，列出各驗證場景的設(shè)計目的、設(shè)計方案、場景工作流程、內(nèi)容設(shè)計、案例設(shè)計、操作步驟及過程和驗證結(jié)論，同時出具現(xiàn)場驗證關(guān)系對照表，確保能驗證標(biāo)準(zhǔn)的所有內(nèi)容，實現(xiàn)船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的架構(gòu)驗證、網(wǎng)絡(luò)傳輸驗證、設(shè)備互聯(lián)互通驗證和信息交互驗證等，最終形成現(xiàn)場驗證報告，并根據(jù)行業(yè)特色形成企業(yè)應(yīng)用示范報告。

4 結(jié)束語

本文通過制定船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，給出船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通中的網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備互聯(lián)互通、信息交互要求，為船用發(fā)電機的智能制造提供參考模式，對傳統(tǒng)制造業(yè)有一定的參考價值。