基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的風(fēng)電葉片生產(chǎn)過(guò)程管控研究

楊玉駿

摘要：基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及風(fēng)電葉片生產(chǎn)過(guò)程管控要求，文章建立了設(shè)備實(shí)時(shí)信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互的集成機(jī)制。文章先利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，全面打通設(shè)備、生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)，再通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成能力，形成OT層向IT層自下而上的信息流。系統(tǒng)充分考慮了工控安全防護(hù)措施，以生產(chǎn)數(shù)據(jù)為抓手，基于云平臺(tái)業(yè)務(wù)觸發(fā)從上而下的決策流，從而推動(dòng)生產(chǎn)工序及設(shè)備流轉(zhuǎn)。生產(chǎn)過(guò)程管控系統(tǒng)的應(yīng)用使得生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中處于全流程信息協(xié)同，大幅度降低了人為非規(guī)范操作影響，提升產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；智能制造；生產(chǎn)管控

中圖分類號(hào)：TP391.8? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

新一代智能制造范式是以智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)及智能服務(wù)為主的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造，追求目標(biāo)是優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，大幅提升生產(chǎn)系統(tǒng)性能、功能、質(zhì)量和效益［1］。王麟琨等［2］梳理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間互聯(lián)互通的通信協(xié)議規(guī)范，提出工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息模型。張衛(wèi)等［3］列舉了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，基于服務(wù)制造模式的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)集成框架。翟保利等［4］研究了風(fēng)電葉片生產(chǎn)中鋪層固化工藝對(duì)風(fēng)電葉片疲勞性能影響，明確指出預(yù)固化階段模具溫度對(duì)復(fù)合材料葉片服役性能的穩(wěn)定性有著顯著影響。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)電葉片制造屬于離散制造，工序間流轉(zhuǎn)依賴人工啟動(dòng)設(shè)備。如灌注工序時(shí)常發(fā)生因真空測(cè)試質(zhì)檢尚未出檢，現(xiàn)場(chǎng)人工就開(kāi)啟混合樹(shù)脂機(jī)進(jìn)行灌膠。由于灌注后，葉片表面覆蓋復(fù)合材料，無(wú)法評(píng)估內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。如發(fā)生返工，還需先將表面復(fù)合材料剝離，因此，事后質(zhì)量追溯意義不大。由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況尚未能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，如真空泵仍為指針讀數(shù)，依賴人工讀取填報(bào)。考慮現(xiàn)場(chǎng)改造成本，有設(shè)計(jì)者認(rèn)為結(jié)合已有生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES），將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行鎖機(jī)，僅當(dāng)生產(chǎn)質(zhì)檢任務(wù)完成后，方可解鎖設(shè)備，降低人工干擾因素。另外，風(fēng)電葉片普遍較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所需設(shè)備較多且均處于可移動(dòng)狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線之間，設(shè)備調(diào)撥頻繁，故有必要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備可用性進(jìn)行管控。

綜上所述，風(fēng)電葉片因工藝流程控制不當(dāng)引起的質(zhì)量問(wèn)題可造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。本文借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量等數(shù)據(jù)統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片制造的生產(chǎn)過(guò)程管控。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的建立，系統(tǒng)將可能存在的質(zhì)量問(wèn)題從事后追溯轉(zhuǎn)變成事前干預(yù)，有效降低了廢品返工率，提升了設(shè)備可用性，實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)建模

針對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)流程中工序流轉(zhuǎn)的工藝和質(zhì)量控制問(wèn)題，本文通過(guò)工藝路線、工藝參數(shù)和質(zhì)量要求的梳理，設(shè)計(jì)風(fēng)電葉片生產(chǎn)管控系統(tǒng)。按工藝路線，生產(chǎn)工序可按鋪層、投料、合模3個(gè)重要工藝管控節(jié)點(diǎn)切分，以期降低人為干預(yù)因素，加強(qiáng)工藝和質(zhì)量控制水平。

在每個(gè)階段內(nèi)，工序相對(duì)連續(xù)，實(shí)際生產(chǎn)工序及設(shè)備操作順序如下：（1）不同階段間工序流轉(zhuǎn)依賴MES質(zhì)檢結(jié)果作為觸發(fā)。（2）同一階段工序下，設(shè)備啟動(dòng)先后順序固定。設(shè)備間串行的銜接依賴設(shè)備邏輯量（開(kāi)關(guān)信號(hào)）和過(guò)程量（數(shù)值狀態(tài)）進(jìn)行觸發(fā)。

1.1 業(yè)務(wù)邏輯

根據(jù)風(fēng)電葉片生產(chǎn)工序劃分，生產(chǎn)管控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯如下：（1）默認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備均處于未連接的通電狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備接入時(shí)，系統(tǒng)將核實(shí)設(shè)備編碼及相應(yīng)接入網(wǎng)絡(luò)地址，僅當(dāng)設(shè)備與工序工位匹配時(shí)，設(shè)備呈現(xiàn)為連接鎖定狀態(tài)。（2）在不同階段的工序過(guò)渡中，僅當(dāng)系統(tǒng)拉取上一階段工序質(zhì)檢合格后，系統(tǒng)才對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下發(fā)解鎖指令。（3）同一階段工序下，設(shè)備間串行順序啟動(dòng)，當(dāng)上游設(shè)備處于完工狀態(tài)，系統(tǒng)將自動(dòng)解鎖下游設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于企業(yè)級(jí)私有化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)，采用平臺(tái)功能模塊構(gòu)建生產(chǎn)管控系統(tǒng)，如圖2所示?？紤]安全因素，系統(tǒng)將OT與IT網(wǎng)絡(luò)隔離。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)可從現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將設(shè)備閾值告警類信息推送給設(shè)備管理系統(tǒng)，從而觸發(fā)工單。通過(guò)開(kāi)發(fā)接口，用戶可從已有MES定時(shí)獲取生產(chǎn)計(jì)劃及工序進(jìn)度。在獲得設(shè)備及生產(chǎn)相關(guān)信息后，通過(guò)平臺(tái)管理工具，如應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）編排調(diào)度等，可對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)流的串聯(lián)。所有應(yīng)用及服務(wù)均部署于容器云，以保證服務(wù)的高可用及可拓展性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備數(shù)據(jù)

根據(jù)已有生產(chǎn)設(shè)備軟硬件條件，系統(tǒng)對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)適配，開(kāi)發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定傳輸。本文設(shè)備數(shù)據(jù)采集量主要為設(shè)備編碼、網(wǎng)絡(luò)地址、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、工況值（如溫度、壓力），如表1所示。

現(xiàn)場(chǎng)中控系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)接收和工序邏輯推進(jìn)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)HMI交互，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工序、設(shè)備狀態(tài)（可用狀態(tài)、在線狀態(tài)、工作參數(shù)）。由于加熱器和真空泵兩類設(shè)備的品牌及型號(hào)較為分散，數(shù)量眾多，設(shè)計(jì)者考慮采取低代碼工具開(kāi)發(fā)工單頁(yè)面填報(bào)錄入。

2.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成功能模塊實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)多協(xié)議接口開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行跨系統(tǒng)、多維度數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)僅與MES和設(shè)備管理系統(tǒng)（Equipment Management System，EAM）產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互。通過(guò)API接口定時(shí)輪詢，系統(tǒng)獲取MES生產(chǎn)工單質(zhì)檢結(jié)果，按工序建立相關(guān)庫(kù)表結(jié)構(gòu)匯集于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。低代碼工具通過(guò)構(gòu)建自定義表結(jié)構(gòu)，可快速開(kāi)發(fā)配置表單，同時(shí)拉取EAM設(shè)備主數(shù)據(jù)，維護(hù)設(shè)備編號(hào)與網(wǎng)絡(luò)地址映射關(guān)系。數(shù)據(jù)交互所涉及的開(kāi)發(fā)接口均在API服務(wù)中注冊(cè)，API接口調(diào)取需進(jìn)行Token驗(yàn)證授權(quán)。為保證服務(wù)可用性及可維護(hù)性，系統(tǒng)需對(duì)服務(wù)分發(fā)、編排、集成、共享、監(jiān)控等進(jìn)行全生命周期管理。

2.3 安全防護(hù)

安全防護(hù)主要考慮云平臺(tái)IT網(wǎng)絡(luò)及工控OT網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備接入、系統(tǒng)控制等安全防護(hù)，如圖3所示。

設(shè)備安全：設(shè)備準(zhǔn)入白名單均由設(shè)備物模型維護(hù)，可在模塊內(nèi)直接更改現(xiàn)有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)地址綁定關(guān)系。中控系統(tǒng)僅從平臺(tái)接收和存儲(chǔ)白名單。設(shè)備通電后，中控系統(tǒng)獲得設(shè)備編碼及當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)地址。通過(guò)調(diào)取白名單，系統(tǒng)對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址認(rèn)證。若設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)地址與白名單配置項(xiàng)一致，則通過(guò)認(rèn)證。否則，系統(tǒng)直接顯示相應(yīng)工位的設(shè)備離線，產(chǎn)生相應(yīng)日志記錄。

數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全：為防止設(shè)備傳輸?shù)膱?bào)文被暴力破解，影響生產(chǎn)安全，設(shè)備指令間傳輸采用SM4密文加密。數(shù)據(jù)傳輸需遵循相應(yīng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則，確保數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確無(wú)損。工廠車間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理隔離，本地工控OT網(wǎng)絡(luò)到遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)IT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)需嚴(yán)格脫敏。兩層網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)將在本地配有固定數(shù)據(jù)地址段內(nèi)完成指令交互。

控制安全：生產(chǎn)設(shè)備支持遠(yuǎn)程和本地解鎖。在遠(yuǎn)程模式下，根據(jù)上文控制邏輯，調(diào)度邏輯依賴于生產(chǎn)管控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間指令下發(fā)由中控PLC調(diào)度。系統(tǒng)配置有車間現(xiàn)場(chǎng)操作模式，開(kāi)啟后切換至本地控制，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工解鎖設(shè)備。

2.4 數(shù)據(jù)交互

中控系統(tǒng)預(yù)留指令傳輸接口，持續(xù)與IT網(wǎng)絡(luò)工序質(zhì)檢模塊保持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互。預(yù)留接口將接收下發(fā)的工序指令。

當(dāng)某工序下各類設(shè)備無(wú)先后順序的情況下，中控系統(tǒng)接收到新工序指令。在確認(rèn)進(jìn)入新工序后，即解鎖新工序所需設(shè)備，如圖4所示。

當(dāng)某工序下設(shè)備存在串行關(guān)系情況下，系統(tǒng)將自動(dòng)監(jiān)測(cè)判斷上游設(shè)備是否處于完工狀態(tài)。若上游設(shè)備已完成操作，則鎖定上游設(shè)備操作權(quán)限，同時(shí)解鎖下游設(shè)備操作權(quán)限。若上游設(shè)備尚未滿足工藝要求，則繼續(xù)保持上游設(shè)備操作權(quán)限。

串聯(lián)設(shè)備間的自動(dòng)監(jiān)測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，可定義為當(dāng)前值是否等于設(shè)定值。即在工藝執(zhí)行階段，檢測(cè)加工條件是否滿足需求。設(shè)定值為可編程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）下發(fā)指令數(shù)值。當(dāng)前值可通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)采集，部分現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法采集參數(shù)，如真空度等，可通過(guò)人工讀取，再由低代碼工具構(gòu)建表單錄入系統(tǒng)，完成閉環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)風(fēng)電葉片生產(chǎn)過(guò)程中所涉及工藝控制、設(shè)備管理、質(zhì)量追溯等問(wèn)題，本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)管控系統(tǒng)。考慮生產(chǎn)設(shè)備存在反向控制，將中控系統(tǒng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分別部署于OT網(wǎng)絡(luò)及IT網(wǎng)絡(luò)。由于風(fēng)電葉片生產(chǎn)工藝相似度較高，本文所提出的技術(shù)方案具有一定普適性。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)采集，可配置閾值超限推送，有效提升現(xiàn)場(chǎng)加工工藝精度。（2）平臺(tái)匯集各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打通業(yè)務(wù)系統(tǒng)壁壘， 完善設(shè)備可用性和設(shè)備履歷，實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)撥有跡可循，避免固有資產(chǎn)流失。（3）平臺(tái)可構(gòu)建工作流表單，提高生產(chǎn)資料完整度及追溯性。（4）中控系統(tǒng)可規(guī)范人工操作規(guī)范，保證工序控制及工藝標(biāo)準(zhǔn)，避免因人為非規(guī)范操作引起的經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn)

［1］周濟(jì).中國(guó)智能制造的發(fā)展路徑［J］.中國(guó)經(jīng)濟(jì)報(bào)告，2019（2）：36-43.

［2］王麟琨，劉丹，龔彥杰.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)互通問(wèn)題分析及解決思路［J］.信息通信技術(shù)與政策，2022（10）：37-42.

［3］張衛(wèi)，朱信忠，顧新建，等.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能制造服務(wù)流程縱向集成［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2021（7）：1762-1770.

［4］翟保利，楊清海，周百能，等.預(yù)固化溫度對(duì)風(fēng)電葉片復(fù)合材料性能的影響［J］.復(fù)合材料科學(xué)與工程，2021（1）：112-115.

（編輯 王永超）

Research on wind turbine blade production process management and control based on industrial Internet platform

YANG? Yujun

（Shanghai Electric Digital Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201100， China）

Abstract： Based on the industrial Internet architecture and the requirements of wind power blade production process control， an integrated mechanism for the interaction of equipment real-time information and business data is established in this paper. The use of the Internet of Things， cloud computing， big data， the Internet and other technical means is to fully open up equipment， production and management links. Through the data integration capability of the industrial Internet platform， the bottom-up information flow from the OT layer to the IT layer is formed in this paper.The system fully considers industrial control safety protection measures， takes production data as the starting point， and triggers top-down decision flow based on cloud platform business， so as to promote the flow of production processes and equipment. Through the production process control system， the application of the production process control system in the whole process information coordination reduces the influence of artificial non-standard operation， and improves product quality and manufacturing efficiency.

Key words： industrial Internet; intelligent manufacturing; production control