基于MTConnect的船舶板材切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

姚振宇，劉會霞，王 霄

（江蘇大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

隨著近年來中國經(jīng)濟形勢的發(fā)展，船舶制造業(yè)已經(jīng)越來越凸顯其在國民經(jīng)濟中的重要地位。如何在競爭日趨激烈的船舶制造業(yè)中保持企業(yè)的競爭力，并實現(xiàn)企業(yè)的加速發(fā)展，對于船舶制造企業(yè)來說，關鍵就是實現(xiàn)制造車間信息化與工業(yè)化的結合[1,2]。對船舶制造產(chǎn)業(yè)信息化現(xiàn)狀的研究表明，當前大多數(shù)船廠的信息化建設的重點是企業(yè)信息管理系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)等方面。然而，企業(yè)競爭的市場化導向?qū)Υ瑥S的生產(chǎn)組織以及加工車間的管理水平要求更加嚴格。所以，船廠僅依賴自動化系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)將在競爭中處于不利地位。

船舶板材切割是船舶制造中的重要基礎工序，對板材切割車間生產(chǎn)的有效管理能極大提高船舶制造的效率和質(zhì)量。為了實現(xiàn)板材切割車間生產(chǎn)工藝及時參數(shù)、設備負載統(tǒng)計分析、生產(chǎn)信息安全穩(wěn)定傳遞等功能，管理層需掌握車間實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，因此亟需一種船舶板材切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

然而我國船廠由于歷史條件、經(jīng)濟條件、生產(chǎn)工藝等因素，板材切割車間生產(chǎn)設備種類眾多，結構形式差異較大，鋼板預處理流水線由于年代久遠沒有提供通信接口，數(shù)控等離子切割機的批次和品牌眾多，這導致板材切割車間使用生產(chǎn)設備時存在一個普遍問題：缺乏對切割車間異構設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，車間設備管理處于離散狀態(tài)。各生產(chǎn)設備與管理層計算機以及其他設備交流有限，形成一個個信息孤島，無法實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

1 板材切割車間設備數(shù)據(jù)采集需求分析

在船舶板材切割車間中，熱軋鋼板加工成零件需經(jīng)歷三個流程，分別是鋼板預處理、劃線噴碼印字以及板材切割。鋼板預處理分為矯平、預熱、拋丸、涂裝和烘干流程，可實現(xiàn)減小鋼板變形、去氧化皮、去污、防銹等功能。鋼板劃線可驗證切割指令的可行性。噴碼印字功能是在對應零件位置標記零件號，該工作原本由工人手工完成，現(xiàn)在使用數(shù)控印字劃線機極大提高了生產(chǎn)率。鋼板切割則是實現(xiàn)最后的下料工作。板材切割車間生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。船舶板材切割工藝現(xiàn)已成熟，但板材切割車間信息化程度不高，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集存在以下問題：

圖1 車間生產(chǎn)工藝流程

1）船舶板材切割車間數(shù)字化程度低，多采用紙張存儲數(shù)據(jù)并采用人工方式傳遞數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準確性和實時性低。

2）在切割車間加工過程中，車間缺少對生產(chǎn)設備的實時監(jiān)控，無法實現(xiàn)對生產(chǎn)過程及時優(yōu)化。板材當前工序完成后無法及時安排到下道工序，降低了加工效率。在等離子切割機加工板材時，工人貪多求快，使用過大割炬電流過快進給速度，降低了板材切割質(zhì)量。

3）切割車間生產(chǎn)設備種類較多，設備數(shù)據(jù)通信接口差異大，比如鋼板預處理流水線和數(shù)控印字劃線機沒有提供通信接口，等離子切割通信接口又分為串口和網(wǎng)口，無法實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)通信的兼容性。

針對以上問題，本文采用MTConnect協(xié)議建立切割車間設備信息模型，消除異構設備通信協(xié)議的差異，開發(fā)一套船舶板材切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)具有加工任務實時監(jiān)控、生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設備信息模型建立等功能。而在車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，最重要的是生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的種類。鋼板預處理流水線和數(shù)控印字劃線機沒有接口，可采集的數(shù)據(jù)種類較少，包含生產(chǎn)進度、已完工數(shù)量等信息。等離子切割機可采集數(shù)據(jù)較多，包含割炬實時位置、割炬電流、進給速度、生產(chǎn)進度、已完工數(shù)量、電源狀態(tài)等信息。

2 板材切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設計

在船舶板材切割車間中，車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要對生產(chǎn)設備狀態(tài)以及生產(chǎn)進度進行監(jiān)督，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。在結合國內(nèi)外研究成果的基礎上，提出了面向船舶板材切割車間的多層次系統(tǒng)架構，自頂向下分成管理應用層、數(shù)據(jù)服務層（代理層）、網(wǎng)絡服務層、數(shù)據(jù)采集層（網(wǎng)絡適配器層）以及設備層[3]，如圖2所示。

圖2 板材切割車間體系架構

1）管理應用層

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頂層是管理應用層。應用層通過企業(yè)局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務層進行交互，實時監(jiān)控車間生產(chǎn)狀況。

2）數(shù)據(jù)服務層

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第二層數(shù)據(jù)服務層，主要包含數(shù)據(jù)庫、服務器等。車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構中的數(shù)據(jù)服務層也是MTConnect協(xié)議中的Agent層，主要功能是緩存Adapter發(fā)送的數(shù)據(jù)并響應客戶端數(shù)據(jù)請求。

3）網(wǎng)絡傳輸層

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第三層是網(wǎng)絡傳輸層，主要包含交換機、以太網(wǎng)口等裝置。在車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，網(wǎng)絡傳輸層貫穿整個系統(tǒng)架構，各層通過網(wǎng)絡傳輸層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互。

4）數(shù)據(jù)采集層

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第四層是數(shù)據(jù)采集層，主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、接收派工等功能。車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構中的數(shù)據(jù)采集層也是MTConnect協(xié)議中的Adapter層，將不同類型的數(shù)據(jù)整理成標準格式，然后通過網(wǎng)絡傳輸層發(fā)送到Agent層。

5）設備層

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的底層是設備層，主要包含鋼板預處理流水線、數(shù)控印字劃線機數(shù)、數(shù)控等離子切割機床、串口服務器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等設備。這些設備采用工業(yè)以太網(wǎng)進行組網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)采集卡、串口服務器等設備與數(shù)據(jù)采集層進行交互。

3 基于MTConnect的板材切割車間設備信息模型建立

基于MTConnect實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本架構如圖3所示。系統(tǒng)主要由五部分組成，分別是網(wǎng)絡（Network）、設備（Device）、適配器（Adapter）、代理（Agent）以及應用（Application），其中網(wǎng)絡貫穿整個系統(tǒng)[4]。適配器作為MTConnect標準的可選項，用于從不支持MTConnect標準的設備獲取異構數(shù)據(jù)并整理成標準格式發(fā)送給代理。生產(chǎn)設備本身支持MTConnect協(xié)議，則不需使用適配器。代理是MTConnect的核心組件，用于處理收集來自設備或適配器的數(shù)據(jù)?？蛻舳送ㄟ^HTTP協(xié)議向代理提出請求，代理將XML文檔發(fā)送給客戶端作為響應，客戶端解析后獲取數(shù)據(jù)。

圖3 基于MTConnect協(xié)議的系統(tǒng)架構

為了消除數(shù)據(jù)共享時異構設備之間通信協(xié)議與接口的差異，MTConnect標準定義了標準化信息模型，可使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型描述不同類型的生產(chǎn)設備。

1）針對數(shù)控等離子切割機床的設備建模

MTConnect代理負責管理的生產(chǎn)設備（Device）均包含在設備集（Devices）中，每個設備集可以包含若干設備。設備（Device）由組件集（Components）構成，組件集（Components）中包含組件（Component）。組件（Component）是抽象的結構元素，具體的Component類型結構元素有軸（Axes）、系統(tǒng)（Systems）、控制器（Controller）、輔助設備（Auxiliaries）、資源（Resources）等。組件（Component）由數(shù)據(jù)項集（DataItems）組成，數(shù)據(jù)項集（DataItems）又由數(shù)據(jù)項（DataItem）構成。數(shù)據(jù)項（DataItem）有三種類型，分別是采樣值（Sample）、事件值（Event）和條件值（Condition）。采樣值（Sample）類型是連續(xù)變化的數(shù)據(jù)項，事件值（Event）類型是離散變化的數(shù)據(jù)項，條件值（Condition）類型是代表設備健康狀況的數(shù)據(jù)項。

具有網(wǎng)口和具有串口的等離子切割機設備數(shù)據(jù)模型差別較小，故以下只選用具有網(wǎng)口的等離子切割機構建設備數(shù)據(jù)模型。

本車間等離子切割機床（網(wǎng)口）設備數(shù)據(jù)模型如圖4所示。等離子切割機的數(shù)據(jù)模型包含軸（Axes）、系統(tǒng)（Systems）、控制器（Controller）和輔助設備（Auxiliaries）[5]。軸（Axes）的子組件是三個直線軸（Linear），分別為進給軸X、Y、Z。進給軸的數(shù)據(jù)項包含絕對坐標、相對坐標、機械坐標、剩余移動量和伺服負載率。系統(tǒng)（Systems）包含電源（Electric）子組件，電源組件由電源狀態(tài)數(shù)據(jù)項組成?？刂破鳎–ontroller）包含路徑（Path）子組件以及加工狀態(tài)、報警信息和緊急停止數(shù)據(jù)項。路徑（Path）組件包含套料圖號、鋼板號、余料號、進給速率、完工零件數(shù)、程序名、工件開始時間和工件結束時間。輔助設備（Auxiliaries）包含傳感器（Sensor）子組件，傳感器組件由割炬電流數(shù)據(jù)項組成。

圖4 等離子切割機的組件與數(shù)據(jù)項

2）針對鋼板預處理流水線與數(shù)控印字劃線機的設備建模

鋼板預處理流水線的生產(chǎn)設備和數(shù)控印字劃線機并沒有提供通信接口，可采集的設備參數(shù)較少，故建立的設備數(shù)據(jù)模型較簡單。鋼板預處理生產(chǎn)設備和數(shù)控印字劃線機均由控制器（Controller）組件構成，該組件由報警數(shù)據(jù)項和路徑（Path）子組件組成。其中，路徑（Path）組件套料圖號、鋼板號、完工零件數(shù)、工件開始時間和工件結束時間數(shù)據(jù)項構成。

4 板材切割車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集關鍵技術分析

A船廠的板材切割有三大類生產(chǎn)設備，分別是鋼板預處理流水線、數(shù)控印字劃線機以及數(shù)控等離子切割機床。其中，A廠有3條齊齊哈爾-斯潘塞鋼板預處理流水線，4臺型號Trident plus的Farley數(shù)控印字劃線機，5臺數(shù)控系統(tǒng)是Fanuc-0i的帶串口小池酸素等離子切割機以及4臺數(shù)控系統(tǒng)是Fanuc-310i的帶網(wǎng)口小池酸素等離子切割機。板材切割車間中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方式可以分為自動數(shù)據(jù)采集和手動數(shù)據(jù)采集[6]。前者一旦安裝就能自動按指定格式采集數(shù)據(jù)，而后者需操作人員在生產(chǎn)過程中手動輸入實時數(shù)據(jù)。

1）針對鋼板預處理流水線與數(shù)控印字劃線機的信息采集

鋼板預處理流水線生產(chǎn)設備和數(shù)控印字劃線機沒有提供通信口，較難實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集，所以采用手動采集數(shù)據(jù)的方式。手動采集數(shù)據(jù)方式可分為工控機輸入、手持終端輸入以及條碼掃描輸入。

2）數(shù)控等離子切割機床的信息采集

具有網(wǎng)口的等離子切割機和具有串口的等離子切割機的數(shù)據(jù)采集均采用自動采集與手動采集相結合的方式。

從自動數(shù)據(jù)采集的方法來看，可以分為基于機床通信接口采集和基于機床電氣電路采集。對于可采集的機床生產(chǎn)數(shù)據(jù)，位于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)可通過通信接口獲取，數(shù)控系統(tǒng)外部的信息可通過外加傳感器獲取。A船廠的數(shù)控等離子切割機床均采用帶通信接口的Fanuc數(shù)控系統(tǒng)，帶網(wǎng)口的數(shù)控機床可采用FOCAS開發(fā)包，帶串口的數(shù)控機床可采用鑲嵌宏指令的方式。其中等離子切割機的割炬輸出電流通過外加傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的方式獲取。

FOCAS軟件開發(fā)包可以實現(xiàn)PC對數(shù)控系統(tǒng)進行HSSB或者Ethernet連接，實現(xiàn)對機床生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集?；赟ocket通訊技術，數(shù)據(jù)采集層的工控機使用FOCAS函數(shù)與數(shù)控系統(tǒng)進行通信，故數(shù)控系統(tǒng)和工控機需處于同一網(wǎng)段。設備層的數(shù)控機床端需配置好IP地址和子網(wǎng)掩碼并設置機床端口號為8193，完成數(shù)控機床端相關通訊參數(shù)設置。機床端設置完成后，在PC端工程中加載fwlib32.dll及相關文件。本文使用C#作為開發(fā)語言，首先使用short cnc_allclibhndl3（Objectip，ushortport，inttimeout，outushortFlibHndl）與數(shù)控機床進行連接，獲取通信句柄。其中各項參數(shù)意義如下：ip是機床端IP地址，port是機床端端口號，timeout是連接時間，F(xiàn)libHndl中存儲通信句柄。當cnc_allclibhndl3函數(shù)返回EW_OK時代表連接成功，然后其他FOCAS函數(shù)可通過調(diào)用通信句柄實現(xiàn)相關功能。各數(shù)控機床以IP地址作為區(qū)分條件，獲取相應通信句柄。當連接使用結束時，調(diào)用shortcnc_freelibhndl（ushortFlibHndl）釋放連接，返回EW_OK代表通信句柄釋放成功[7]。當PC端使用FOCAS開發(fā)包與機床端建立連接后即可調(diào)用各功能函數(shù)。以運動軸進給速度數(shù)據(jù)采集為例，函數(shù)聲明為shortcnc_actf（ushortFlibHndl，ODBACTfeedrate）。FlibHndl存儲通信句柄，feedrate作為輸出參數(shù)存放進給速度。feedrate是ODBACT類型的對象，進給速度數(shù)據(jù)項需要從類中獲得，定義如下。

進給速度存儲在data數(shù)據(jù)項中，讀取data中的值就能獲取進給速度。等離子切割機床機械坐標、絕對坐標等生產(chǎn)數(shù)據(jù)可通過cnc_machine、cnc_absolute等函數(shù)獲取。

具有串口的數(shù)控機床可通過鑲嵌宏指令的方式輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)串口服務器將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給數(shù)據(jù)采集層的工控機。鑲嵌宏指令是指使用程序編輯的方式在數(shù)控程序中嵌入宏指令，實現(xiàn)對機床生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。設備層數(shù)控機床需配置好機床端波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)，并設置好串口服務器的對應串口參數(shù)以及以太網(wǎng)通訊參數(shù)。將含有外部通信宏指令的NC程序傳入數(shù)控機床，當切割機執(zhí)行這些代碼時，切割機會將機床生產(chǎn)信息發(fā)送到串口服務器，服務器將數(shù)據(jù)整理好后再發(fā)送到數(shù)據(jù)采集層。

利用外部通信宏指令POPEN、PCLOSE、DPRNT、BPRNT可以實現(xiàn)進給速度、加工程序名、開始加工時間、結束加工時間、絕對坐標、機械坐標、已加工零件數(shù)等機床數(shù)據(jù)的采集[8]。POPEN指令用于建立與外部設備的連接，PCLOSE指令用于接觸與外部設備的連接，BPRNT和DPRNT均是外部數(shù)據(jù)輸出指令。例如，若要采集等離子切割機床割炬的機械坐標，則可在數(shù)控程序中嵌入如下指令：

其中#5021、#5022、#5023是系統(tǒng)變量，分別代表切割機割炬X軸、Y軸和Z軸的機械坐標。

5 原型系統(tǒng)開發(fā)與驗證

本文板材切割車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用C#語言開發(fā)適配器、代理端以及客戶端的應用程序，適配器基于RS232、ModbusTCP等協(xié)議采集設備數(shù)據(jù)，適配器和代理端之間使用Socket套接字進行通信，代理端和客戶端基于HTTP協(xié)議進行通信。

板材切割車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)多源異構性決定了適配器（Adapter）采集車間設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)方式的多樣性。鋼材預處理流水線和數(shù)控印字劃線機采用在工控機中輸入信息的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭m配器，等離子切割機的割炬實時電流數(shù)據(jù)基于ModbusTCP協(xié)議采用數(shù)據(jù)采集卡模塊發(fā)送到適配器。帶串口的切割機生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱诜掌髦?，適配器通過Socket套接字讀取實時信息。帶網(wǎng)口的切割機數(shù)據(jù)采集較便捷，適配器使用基于Socket通信的FOCAS開發(fā)包采集機床生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

打開適配器服務器，適配器會監(jiān)聽端口等待代理端連接。連接成功時，各適配器將采集的異構數(shù)據(jù)整理成標準格式報文發(fā)送到代理端。代理端是系統(tǒng)的核心，客戶端與代理端之間的信息交互是MTConnect的重點。代理端和客戶端之間主要使用REST接口進行通信，底層通信協(xié)議是HTTP。客戶端向代理端提出請求，代理端會返回XML文檔作為響應，客戶端解析XML文檔獲取數(shù)據(jù)項內(nèi)容。

為了驗證系統(tǒng)可行性，在等離子切割機加工時在客戶端進行試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 等離子切割機數(shù)據(jù)采集界面

6 結語

基于MTConnect協(xié)議為生產(chǎn)車間多源異構數(shù)據(jù)采集提供了標準化集成方法。本文根據(jù)該標準開發(fā)了針對船舶板材切割車間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進行了基本驗證。MTConect不僅為切割車間提供了標準化的數(shù)據(jù)模型，也提供了參考的軟件開發(fā)包，極大提高了系統(tǒng)開發(fā)效率[9]。