應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

夏守先

技術(shù)應(yīng)用

應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

夏守先

（廣州市龍玥電氣科技有限公司，廣東 廣州，510120）

為滿足民用航天設(shè)備質(zhì)量高、生產(chǎn)周期短等要求，針對(duì)傳統(tǒng)裝配作業(yè)能力不平衡、周期長(zhǎng)、效率低、質(zhì)量一致性難以保證等問題，提出應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?；诿裼煤教煸O(shè)備數(shù)字化裝配流程，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備的智能感知、互聯(lián)互通，并縮短生產(chǎn)周期，使民用航天設(shè)備裝配向自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化模式轉(zhuǎn)變。

民用航天設(shè)備；數(shù)字化裝配；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；設(shè)備管控

0 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的航天技術(shù)成果得以向民用轉(zhuǎn)化。民用航天技術(shù)是以民事應(yīng)用為目的，開發(fā)和利用太空的一門綜合性工程技術(shù)，是國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)[1]?！吨袊?guó)制造2025》提出：加快推進(jìn)國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新型衛(wèi)星等空間平臺(tái)與有效載荷、空天地寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，形成長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星遙感、通信、導(dǎo)航等空間信息服務(wù)能力。目前，我國(guó)民用航天技術(shù)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比較落后，其原因主要有：部分民用航天技術(shù)不適合市場(chǎng)發(fā)展的需求；民用航天設(shè)備投資規(guī)模大、耗時(shí)長(zhǎng)、研制難度大[2]。裝配是民用航天設(shè)備研制的重要環(huán)節(jié)，具有時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)管理信息量大等特點(diǎn)[3]。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能目標(biāo)，提高民用航天設(shè)備裝配效率，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以智能化、數(shù)字化和集控管控為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備的智能感知、智能互聯(lián)；采用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理及分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的智能決策和智能控制，并滿足設(shè)備遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控需求。

1 數(shù)字化裝配流程

民用航天設(shè)備數(shù)字化裝配工序流程圖如圖1所示，其工序流程如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)件、儀器等零部件入廠復(fù)檢、貼碼/噴碼，自動(dòng)化入庫、數(shù)字化存儲(chǔ)；

2）艙段殼體入廠復(fù)檢、貼碼/噴碼，自動(dòng)化入庫、數(shù)字化存儲(chǔ)；

3）按計(jì)劃對(duì)部裝車間進(jìn)行排產(chǎn)、自動(dòng)生成配送單；

4）標(biāo)準(zhǔn)件智能立體倉庫出庫，人工分揀成套；

5）自動(dòng)導(dǎo)引車（automated guided vehicle，AGV）自動(dòng)配送標(biāo)準(zhǔn)件、艙段殼體；

6）采集艙段裝配、檢測(cè)過程中的數(shù)據(jù)，為智能決策、控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

7）艙段裝配完成后由AGV運(yùn)送至周轉(zhuǎn)區(qū)；

8）按計(jì)劃對(duì)總裝車間進(jìn)行排產(chǎn)、自動(dòng)生成配送單；

9）平板車配送各艙段至總裝車間緩存區(qū)緩存；

10）車間行車吊裝上線；

11）一二三級(jí)體裝配及測(cè)試；

12）采集裝配、測(cè)試數(shù)據(jù)，為智能決策、控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

13）裝箱發(fā)運(yùn)。

根據(jù)裝配工序流程，結(jié)合工序特點(diǎn)，裝配車間整體布局為：車間內(nèi)布置2條地軌、2套有軌制導(dǎo)車（rail guided vehicle, RGV）調(diào)姿平臺(tái)和2套AGV輸送調(diào)姿平臺(tái)[4-5]。該裝配車間同時(shí)滿足裝配兩發(fā)的需求，實(shí)現(xiàn)裝配過程中物料的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤定位、加工控制及各階段物料的工藝狀態(tài)、質(zhì)量狀況等信息自動(dòng)采集、分析與優(yōu)化決策。

圖1 民用航天設(shè)備數(shù)字化裝配工序流程圖

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在基礎(chǔ)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)安全的支撐下，分為設(shè)備感知/數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)融合與分析層、數(shù)據(jù)利用層，框架如圖2所示。其中，基礎(chǔ)環(huán)境提供感知端口、工業(yè)總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，為設(shè)備互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)運(yùn)行提供軟硬件環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)安全提供接入控制、訪問控制、病毒防殺、邊界防護(hù)、主機(jī)防護(hù)等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施，確保設(shè)備網(wǎng)絡(luò)安全可靠；設(shè)備感知/數(shù)據(jù)采集層采集生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，集中存放來自設(shè)備感知/數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和規(guī)范化，并發(fā)送至目標(biāo)DNC，MDC，DCS，OPC等控制系統(tǒng)和中間件；數(shù)據(jù)融合與分析層通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的挖掘，形成各類主題報(bào)表；數(shù)據(jù)利用層實(shí)現(xiàn)設(shè)備養(yǎng)護(hù)、能力平衡及遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用。

圖2 應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 多源異構(gòu)設(shè)備感知

針對(duì)不同型號(hào)生產(chǎn)設(shè)備的異構(gòu)工作參數(shù)，設(shè)計(jì)集多參數(shù)感知于一體的傳感裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工、特種加工、精益裝配、環(huán)境試驗(yàn)、工藝檢測(cè)、計(jì)量檢測(cè)等多源異構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備的多參數(shù)感知。

對(duì)于不具備數(shù)控功能的傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行智能化升級(jí)，通過增加傳感器、智能儀表、智能采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊等嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)感知，其框圖如圖3所示。

圖3 嵌入式設(shè)備感知框圖

對(duì)于具備傳感器、控制器或控制軟件等數(shù)控功能的生產(chǎn)設(shè)備，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器、適配器和集成接口將控制器或控制軟件中的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并集成到設(shè)備智能管控平臺(tái)[6]，其框圖如圖4所示。

圖4 智能設(shè)備感知框圖

3.2 多協(xié)議的設(shè)備互聯(lián)互通

面向多源異構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備，開發(fā)支持ModBus，CAN，Profibus，Ethercat等多通信協(xié)議的互聯(lián)互通適配器。通過適配器對(duì)不同廠商、不同型號(hào)設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)通信協(xié)議的生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)與實(shí)時(shí)通訊，并實(shí)現(xiàn)民用航天設(shè)備與設(shè)備智能管控平臺(tái)之間的互聯(lián)互通。其框圖如圖5所示。

圖5 多協(xié)議互聯(lián)互通框圖

3.3 分級(jí)保護(hù)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)安全保障

將安全防御和分級(jí)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備網(wǎng)絡(luò)安全保障，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、內(nèi)容過濾、行為審計(jì)、數(shù)據(jù)備份等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能，確保設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)安全可靠[6]。應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)分級(jí)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 分級(jí)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.4 跨平臺(tái)的設(shè)備管控服務(wù)

可基于Java EE技術(shù)架構(gòu)搭建跨平臺(tái)、可伸縮、易集成、易維護(hù)的多層設(shè)備智能管控平臺(tái)，提供設(shè)備地圖導(dǎo)航、可視化展示、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)監(jiān)視、KPI指標(biāo)分析、能力平衡、養(yǎng)護(hù)管理、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)安全等服務(wù)。設(shè)備智能管控平臺(tái)包括客戶層、應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中，客戶層通過HTTP協(xié)議連接訪問Web應(yīng)用服務(wù)器，平臺(tái)采用IE/Chrome瀏覽器作為客戶層應(yīng)用；應(yīng)用層包括表示層和業(yè)務(wù)層，表示層生成動(dòng)態(tài)Web頁面及轉(zhuǎn)發(fā)客戶端請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)低功能耦合的各類業(yè)務(wù)處理Bean；服務(wù)層部署各類Web Service服務(wù)組件；數(shù)據(jù)層部署于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)上，由完成服務(wù)所必須訪問的數(shù)據(jù)資源組成。

3.5 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備故障分析及養(yǎng)護(hù)

基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺(tái)集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理設(shè)備數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從性能劣化、精度衰減、能力損失、結(jié)構(gòu)性偏差、自然老化等方面進(jìn)行設(shè)備故障分析和預(yù)測(cè)，從而徹底改變被動(dòng)等待維修為主動(dòng)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，不僅縮短設(shè)備運(yùn)維時(shí)間，而且降低設(shè)備故障引發(fā)的生產(chǎn)擾動(dòng)。

3.6 設(shè)備數(shù)據(jù)多維度分析及可視化展示

實(shí)現(xiàn)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)挖掘，從利用率、故障率、運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)等多維度形成設(shè)備主題數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分級(jí)、分層可視化直觀展示[7]。設(shè)備數(shù)據(jù)多維分析框圖如圖7所示。

圖7 設(shè)備數(shù)據(jù)多維分析框圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于民用航天設(shè)備生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在某民用航空設(shè)備制造集團(tuán)公司實(shí)施應(yīng)用，各類生產(chǎn)設(shè)備接入500多臺(tái)套，實(shí)現(xiàn)了公司90%生產(chǎn)設(shè)備的在線監(jiān)控，提高了民用航天設(shè)備在線管控綜合能力。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，后續(xù)將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，擴(kuò)充功能，提高性能，實(shí)現(xiàn)民用航天設(shè)備在離散制造業(yè)中的產(chǎn)業(yè)化。

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Internet of Things System for Civil Aerospace Equipment Production

Xia Shouxian

(Guangzhou Longyue Electric Technology Co., Ltd, Guangzhou 510120, China)

In order to meet the requirements of high quality and short production cycle of civil aerospace equipment, aiming at the problems of traditional assembly operation capacity imbalance, long cycle, low efficiency and difficult to guarantee quality consistency, the Internet of things system applied to civil aerospace equipment production is proposed. Based on the digital assembly process of civil aerospace equipment, the Internet of things system is designed to realize the intelligent perception and interconnection of multi-source heterogeneous production equipment, shorten the production cycle, and change the assembly mode of civil aerospace equipment to automation, digitization and networking.

civil aerospace equipment; production and assembly; Internet of things system; equipment management and control

TP29

A

1674-2605(2021)02-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.02.008

夏守先，男，1976年生，本科，工程師，主要研究方向：自動(dòng)控制及儀器儀表。E-mail: 2782157865@qq.com