彭 鵬,朱 峰,李 力,高振坤
(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所,北京 100081;2.中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司,天津 300384)
我國無縫線路鋼軌焊接根據(jù)作業(yè)條件的不同分為基地焊和現(xiàn)場焊,其中,基地焊接接頭(簡稱:接頭)數(shù)占比達(dá)80%[1-2]。因此,焊軌基地對接頭質(zhì)量的控制和管理尤為嚴(yán)格。焊軌基地的生產(chǎn)工序較多,且大多采用了配套的自動化生產(chǎn)設(shè)備,在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息[3-4]。充分利用這些信息有利于提高焊軌基地的接頭質(zhì)量管理水平,對實(shí)現(xiàn)接頭的全壽命周期管理具有重要意義[5-7]。
雅加達(dá)—萬隆高速鐵路(簡稱:雅萬高鐵)焊軌基地是在境外按照中國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)建設(shè)的高鐵焊軌基地,其生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制水平均達(dá)到了國內(nèi)高鐵焊軌基地的同等水平[8]。針對海外工程的特點(diǎn),該基地采用了集成化生產(chǎn)線技術(shù)和全套國產(chǎn)化焊軌設(shè)備?;卦谝?guī)劃初期就對信息化提出了較高的要求?;谌讎a(chǎn)裝備可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)采盡采,對綜合信息管理類系統(tǒng)的搭建提供了有利條件。本文結(jié)合德卡魯爾焊軌基地的特點(diǎn),從系統(tǒng)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)功能等方面,闡述了雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用情況。
雅萬高鐵焊軌基地主要生產(chǎn)任務(wù)是將50 m短鋼軌焊接成500 m長鋼軌,全線接頭與試驗(yàn)用接頭總數(shù)約1.1萬個(gè)。該焊軌基地采用“Z字型”工藝布局,設(shè)有短軌存放區(qū)、焊前處理工位、焊接工位、粗銑工位、熱處理工位、修磨工位、長軌時(shí)效及成品區(qū)、矯直工位、精磨工位、外觀檢測工位及探傷工位。50 m鋼軌進(jìn)場后存放在短軌存放區(qū),依次經(jīng)過焊前處理(除銹、檢查)、焊接、粗銑、熱處理、修磨等工序焊接成500 m長鋼軌;長鋼軌經(jīng)24 h靜置時(shí)效,再經(jīng)過矯直、精磨、外觀檢測、探傷等工序完成精整和檢查;合格的成品軌再通過輥道線折返至成品區(qū)碼放。生產(chǎn)工藝布局情況如圖1所示。
圖1 雅萬高鐵焊軌基地工藝布局
雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)的開發(fā)根據(jù)基地的工藝布局特點(diǎn),采集并處理與接頭質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)全過程的信息化管理和監(jiān)控。系統(tǒng)由監(jiān)控層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層組成,總體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)
監(jiān)控層主要用于管理人員對焊軌基地生產(chǎn)過程和鋼軌焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)管控,包括工位監(jiān)控和長軌監(jiān)控。工位監(jiān)控展示生產(chǎn)線實(shí)時(shí)狀態(tài)、生產(chǎn)任務(wù)完成進(jìn)度、作業(yè)狀態(tài)等信息;長軌監(jiān)控則采用可視化方式展示接頭質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù),并對接頭質(zhì)量問題進(jìn)行追溯和分析。
應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心部分,包括生產(chǎn)管理和成品管理。生產(chǎn)管理主要提供工位作業(yè)管理和信息統(tǒng)計(jì)等功能,包括人員管理、配軌管理、焊接等8個(gè)工位的管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等,并可生成各工位的生產(chǎn)作業(yè)記錄表;成品管理是指在長鋼軌發(fā)貨前利用手持終端進(jìn)行出庫管理,同時(shí),生成合格證明材料及接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)包。
數(shù)據(jù)層包含了與鋼軌接頭質(zhì)量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息,基于服務(wù)器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理。主要數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:母材信息、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、焊接數(shù)據(jù)、熱處理數(shù)據(jù)、矯直數(shù)據(jù)、精磨數(shù)據(jù)、外觀檢測數(shù)據(jù)、探傷數(shù)據(jù)等。
基礎(chǔ)層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的相關(guān)硬件支持,包括搭建高速局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,運(yùn)行系統(tǒng)軟件的PC和服務(wù)器,采集設(shè)備數(shù)據(jù)的可編程控制器(PLC,Programmable Logic Controller)和各類傳感器,讀取接頭編碼信息的手持終端和工業(yè)掃描儀等。
雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)以生產(chǎn)作業(yè)流程為主線,利用采集終端和操作終端對每個(gè)工位的生產(chǎn)情況和接頭的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程
焊前處理工位利用掃描槍將鋼軌母材信息錄入系統(tǒng),生成短軌條碼,打印并張貼在鋼軌軌腰位置。系統(tǒng)記錄操作員、操作時(shí)間、外觀尺寸檢查結(jié)果等相關(guān)作業(yè)信息。
焊接工位通過工業(yè)掃描儀自動掃描短軌條碼,錄入接頭兩端的母材信息。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的編號規(guī)則,自動生成接頭號和長軌號;接頭號打印成條碼張貼在接頭附近的軌腰位置,供后續(xù)工位掃描識別使用;長軌號則在長鋼軌兩端分別進(jìn)行噴涂。閃光焊機(jī)生成的焊接曲線數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)自動上傳至服務(wù)器,其中的關(guān)鍵參數(shù)信息可在軟件報(bào)表頁面自動同步生成。通過系統(tǒng)還可以記錄操作員、操作時(shí)間、接頭外觀質(zhì)量等相關(guān)作業(yè)信息。
粗銑工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號,同時(shí)記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成情況等相關(guān)作業(yè)信息。
熱處理工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號。熱處理設(shè)備生成的加熱曲線數(shù)據(jù)與當(dāng)前作業(yè)的接頭號進(jìn)行關(guān)聯(lián)并自動上傳至服務(wù)器,關(guān)鍵參數(shù)信息在軟件報(bào)表頁面自動同步生成。系統(tǒng)記錄操作員、操作時(shí)間等相關(guān)作業(yè)信息。
修磨工位采用人工打磨作業(yè),不采集任何數(shù)據(jù)。經(jīng)上述各工位后,帶有接頭號條碼的長鋼軌進(jìn)入時(shí)效區(qū)。系統(tǒng)記錄每個(gè)接頭的作業(yè)時(shí)間及在時(shí)效區(qū)的存放時(shí)間,確保長鋼軌上全部接頭滿足24 h以上靜置時(shí)長。
時(shí)效完成后的長鋼軌進(jìn)入矯直工位,該工位通過工業(yè)掃描儀自動掃描接頭號條碼,并將矯直曲線數(shù)據(jù)與接頭號進(jìn)行關(guān)聯(lián)后自動上傳至服務(wù)器,同時(shí),記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成狀態(tài)等相關(guān)作業(yè)信息。
精磨工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號,同步獲取矯直工位的作業(yè)數(shù)據(jù)。作業(yè)人員可參考矯直數(shù)據(jù),對精磨工藝進(jìn)行修正和優(yōu)化,同時(shí),記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成狀態(tài)等作業(yè)信息。
外觀檢測工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式錄入接頭號。系統(tǒng)上傳平直度測量數(shù)據(jù),并對測量結(jié)果的平直度、不平度進(jìn)行分析,自動判斷接頭外觀質(zhì)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí),記錄操作員、操作時(shí)間、檢查結(jié)果等作業(yè)信息。
探傷工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式錄入接頭號。探傷作業(yè)情況及波形曲線與當(dāng)前接頭號關(guān)聯(lián)并上傳至服務(wù)器,同時(shí),記錄操作員、操作時(shí)間等作業(yè)信息。
發(fā)貨工位通過手持終端掃描待出庫的長軌號,從而形成電子發(fā)貨單。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)貨單提取全部接頭質(zhì)量信息并生成發(fā)貨數(shù)據(jù)包和質(zhì)量合格證。質(zhì)量數(shù)據(jù)包可移交給建設(shè)單位和運(yùn)營單位,利用分析軟件即可查看并追溯成品鋼軌的接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)。
雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)根據(jù)不同用戶層面的操作需求,分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、工位操作子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)及發(fā)貨管理App 4個(gè)部分內(nèi)容,其功能架構(gòu)如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)功能架構(gòu)
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)管理整個(gè)焊軌基地生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)、作業(yè)人員及生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù),具體功能包括系統(tǒng)設(shè)置、排班管理、生產(chǎn)管理、報(bào)表管理、成品管理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等,子系統(tǒng)界面如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)界面
(1)系統(tǒng)設(shè)置包括對組織機(jī)構(gòu)、用戶權(quán)限、操作日志等管理信息的設(shè)置,以及對鋼軌型號、速度等級、生產(chǎn)廠家等生產(chǎn)信息的設(shè)置。
(2)排班管理主要對焊軌基地作業(yè)人員的班次、工位、排班日歷等進(jìn)行設(shè)置和管理。
(3)生產(chǎn)管理是對焊軌基地各工位采集的全部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類展示及管理應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)對任意接頭或長軌的信息檢索,調(diào)閱并分析參數(shù)信息、焊接曲線、熱處理曲線、平直度曲線等重要質(zhì)量數(shù)據(jù)。
(4)報(bào)表管理功能可對各工位的生產(chǎn)業(yè)務(wù)報(bào)表進(jìn)行導(dǎo)出和打印,形成滿足驗(yàn)收要求的生產(chǎn)記錄文檔。
(5)成品管理包括檢驗(yàn)報(bào)告錄入、產(chǎn)品合格證打印、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)包生成等功能。
(6)數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能主要針對長軌接頭數(shù)據(jù)信息的完整性進(jìn)行自動復(fù)核,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)錄入、接頭數(shù)據(jù)信息不完整、重復(fù)編號等問題。
在每個(gè)工位的操作終端上運(yùn)行有工位操作子系統(tǒng),用于接頭相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)、作業(yè)人員信息、作業(yè)狀態(tài)、接頭編號等數(shù)據(jù)信息的采集和錄入,子系統(tǒng)界面如圖6所示。工位操作子系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程開發(fā)了8個(gè)獨(dú)立模塊,分別針對不同工位的功能需求和數(shù)據(jù)采集要求進(jìn)行設(shè)計(jì),包括焊前處理工位模塊、焊接工位模塊、粗銑工位模塊、正火工位模塊、矯直工位模塊、精磨工位模塊、外檢工位模塊、探傷工位模塊等。每一個(gè)工位模塊都能獨(dú)立運(yùn)行,并通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)服務(wù)器,采集的數(shù)據(jù)可同時(shí)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。
圖6 工位操作子系統(tǒng)界面
實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)包括工位監(jiān)測和長軌監(jiān)測,可對工位操作情況、生產(chǎn)完成情況、接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行可視化展示,供生產(chǎn)管理人員對整個(gè)焊軌基地生產(chǎn)情況進(jìn)行管控,子系統(tǒng)界面如圖7所示。
圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)界面
(1)工位監(jiān)測以接頭編號為索引,展示各工位的流轉(zhuǎn)情況、作業(yè)人員的基本信息和工位數(shù)據(jù)采集情況,并通過圖形顯示生產(chǎn)任務(wù)的完成情況等信息。
(2)長軌監(jiān)測通過長軌編號和接頭編號檢索接頭作業(yè)情況及質(zhì)量數(shù)據(jù),并對采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制和圖形化展示。
發(fā)貨管理App基于安卓系統(tǒng)開發(fā),采用帶有激光掃碼功能的手持終端,主要功能包括:用戶管理、出庫管理和數(shù)據(jù)上傳管理。
(1)用戶管理用于設(shè)置發(fā)貨人員的基本信息。
(2)出庫管理利用手持終端掃描待出庫的長軌編號,形成出庫記錄單。
(3)數(shù)據(jù)上傳管理利用Wi-Fi與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行交互,將出庫記錄單中的長軌編號與接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成發(fā)貨質(zhì)量數(shù)據(jù)包并移交給建設(shè)單位和運(yùn)營單位,實(shí)現(xiàn)鋼軌接頭的質(zhì)量可追溯性。
為保證焊軌基地多元數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性,系統(tǒng)采用了直接和間接兩種數(shù)據(jù)采集模式。直接采集模式是在各工位操作平臺上通過以太網(wǎng)接口連接設(shè)備工控機(jī),利用TCP/IP協(xié)議傳輸并采集設(shè)備生產(chǎn)過程中的全部加工數(shù)據(jù)。間接采集模式讀取操作終端輸入的文本數(shù)據(jù),采用定時(shí)器的方式直接上傳至服務(wù)器。直接采集可獲取設(shè)備的原始數(shù)據(jù),進(jìn)而有利于數(shù)據(jù)的后期處理和分析;間接采集可實(shí)現(xiàn)包括人工錄入和系統(tǒng)定義等更多信息的覆蓋。
系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫MySql和單機(jī)數(shù)據(jù)庫SQLite相結(jié)合的方式,既保證了數(shù)據(jù)的集中存儲,又保證了各工位的獨(dú)立性。服務(wù)器端采用熱機(jī)雙備技術(shù),建立主/從數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)備份模式,并采用不間斷電源進(jìn)行供電,保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)的安全可靠。各工位操作平臺采用SQLite數(shù)據(jù)庫,在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下,數(shù)據(jù)同時(shí)保存在本地和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中;在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下,數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中,等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后,再同步至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。
系統(tǒng)采用了條形碼自動識別技術(shù)對長鋼軌和接頭進(jìn)行身份標(biāo)識,與質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)對接頭質(zhì)量的全壽命周期管理。雅萬高鐵焊軌基地的長軌編號由1位字母和4位數(shù)字組成,接頭編號由3位字母和8位數(shù)字組成。系統(tǒng)采用了Code128條形碼,具有編碼密度高和易識別等特點(diǎn);基地采用工業(yè)級高速條碼掃描儀,可確保在鋼軌高速輸送過程中準(zhǔn)確地識取條碼信息。
雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)與焊軌基地同步建設(shè)、運(yùn)行,有力地保障了雅萬高鐵焊軌基地生產(chǎn)任務(wù)的順利開展。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對接頭質(zhì)量信息的應(yīng)采盡采和各工位的無紙化作業(yè)。生產(chǎn)管理人員通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)可對生產(chǎn)全過程進(jìn)行監(jiān)控,對接頭質(zhì)量問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和溯源,對各工位及整個(gè)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和管理。
該系統(tǒng)的應(yīng)用提高了雅萬高鐵焊軌基地的信息化水平、生產(chǎn)效率及管理水平,對于鋼軌焊接質(zhì)量的控制具有重要作用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可進(jìn)一步運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù),與后續(xù)鋪軌、運(yùn)營及維護(hù)信息進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)接頭的全壽命周期管理,更好地保障鐵路運(yùn)輸安全。