郵輪薄板分段生產(chǎn)車間智能化管控和設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

陳剛，黃詠文，張學(xué)輝，袁軼

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

豪華郵輪在結(jié)構(gòu)上采用了大量較薄的鋼板，在郵輪建造過程中，薄板分段的變形及精度控制是主要難點(diǎn)，分段質(zhì)量好壞將直接影響郵輪的整體建造質(zhì)量。有必要通過信息化手段對(duì)分段生產(chǎn)進(jìn)行智能化管控，提升分段建造質(zhì)量。以某郵輪薄板分段生產(chǎn)車間為例，開展車間智能化管控及系統(tǒng)設(shè)備物聯(lián)集成技術(shù)應(yīng)用分析，考慮基于郵輪薄板車間典型布局，結(jié)合生產(chǎn)工藝方法，構(gòu)建車間智能化管控方案以及系統(tǒng)設(shè)備物聯(lián)集成技術(shù)方案，使郵輪薄板分段建造更加迅速，質(zhì)量更加穩(wěn)定。

1 智能化管控和設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

智能化管控就是運(yùn)用數(shù)字化手段包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)以及底層控制系統(tǒng)將車間的生產(chǎn)物流計(jì)劃與排程進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的智能監(jiān)測(cè)，連接數(shù)字化的虛擬空間與真實(shí)的物理空間并對(duì)車間實(shí)現(xiàn)“感知—分析—決策—執(zhí)行”全封閉鏈管控[1]。研究智能化管控技術(shù)首先要明確車間現(xiàn)場(chǎng)所包含的信息，例如場(chǎng)地規(guī)劃信息、物料信息、托盤信息、堆場(chǎng)庫(kù)存信息以及運(yùn)輸車輛信息等，將上述車間現(xiàn)場(chǎng)信息通過智能化管控技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地設(shè)施規(guī)劃管理、零部件及托盤管理、堆場(chǎng)庫(kù)存管理、車輛設(shè)備管理以及物流系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析管理，以此提高車間生產(chǎn)效率與產(chǎn)品的質(zhì)量。

設(shè)備物聯(lián)技術(shù)就是通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以及RFID技術(shù)等相融合進(jìn)行設(shè)備間通信協(xié)作解決車間的生產(chǎn)調(diào)度及控制問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源與信息資源之間采集、傳輸、計(jì)算、分析及反饋與服務(wù)的新模式[2]。設(shè)備物聯(lián)技術(shù)通過對(duì)車間在生產(chǎn)制造過程中全方位、多角度的傳遞與處理使得生成的信息數(shù)據(jù)符合預(yù)期目標(biāo)，從而將“人、機(jī)、物”三者相互聯(lián)系。擁有感知、交互、分析以及執(zhí)行是設(shè)備物聯(lián)技術(shù)的一個(gè)典型特征，這種由傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)要素與物聯(lián)技術(shù)結(jié)合成的智能生產(chǎn)車間為船舶生產(chǎn)建造提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2 郵輪薄板分段生產(chǎn)車間智能化管控方案

2.1 薄板分段生產(chǎn)車間典型布局

在現(xiàn)代造船模式下，船舶企業(yè)在生產(chǎn)過程中，依照殼、舾、涂同步協(xié)調(diào)的作業(yè)要求開展生產(chǎn)，不同造船企業(yè)在分段制造的工藝流程方面差異較小，以某郵輪薄板分段生產(chǎn)車間為例，其生產(chǎn)車間典型布局見圖1。

圖1 郵輪薄板分段生產(chǎn)車間典型布局

2.2 薄板分段智能生產(chǎn)車間總體架構(gòu)

基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，按照智能車間構(gòu)架，重點(diǎn)進(jìn)行智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控、智能設(shè)備與生產(chǎn)線、智能倉(cāng)儲(chǔ)/運(yùn)輸與物流、智能化生產(chǎn)控制中心4個(gè)方面的車間智能化建設(shè)，突破船舶薄板生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管控技術(shù)，構(gòu)建智能薄板生產(chǎn)車間。

薄板智能車間建設(shè)的總體指導(dǎo)原則，是按照感知、網(wǎng)絡(luò)、決策控制3個(gè)層次，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合車間建設(shè)和運(yùn)營(yíng)狀況，按照漸進(jìn)明細(xì)的原則，逐步構(gòu)建薄板智能車間。具體到系統(tǒng)建設(shè)層級(jí)上，薄板智能車間將按照智能設(shè)備層、設(shè)備控制層、制造執(zhí)行層、車間管理層、智能決策層5個(gè)層次進(jìn)行建設(shè)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 薄板智能車間建設(shè)層級(jí)

其中，智能設(shè)備和智能控制層建設(shè)主要涉及對(duì)人、機(jī)、料的感知和控制，通過對(duì)各類生產(chǎn)設(shè)備、PLC、工控機(jī)、傳感器、工位和移動(dòng)終端、輸送線、AGV小車、立體倉(cāng)庫(kù)等的物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)這3大生產(chǎn)要素的自感知、互感知、自適應(yīng)、互適應(yīng)，從而建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的感知和控制系統(tǒng)；制造控制層和車間管理層建設(shè)，主要是建設(shè)以MES為核心的智能生產(chǎn)過程管控系統(tǒng)和物流管控系統(tǒng)，MES是實(shí)現(xiàn)智能車間的核心和中間橋梁，起到承上啟下的關(guān)鍵作用，對(duì)車間來說，無論是企業(yè)級(jí)的系統(tǒng)PLM、ERP、SCM、OA等，還是部門或車間級(jí)的系統(tǒng)APS、WMS、TPM、EMS等，都需要與車間MES系統(tǒng)進(jìn)行深度集成，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)世界里的萬物互連、協(xié)同一致[3-4]。

智能決策層的建設(shè)一方面基于上述的4個(gè)層次建設(shè)的基礎(chǔ)，同時(shí)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)采集的背景下，需要建立相應(yīng)的車間數(shù)據(jù)中心和集控室，充分運(yùn)用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以工業(yè)機(jī)理模型庫(kù)和決策分析模型庫(kù)建設(shè)為對(duì)象，建立與車間工業(yè)系統(tǒng)相映射的“數(shù)字孿生”，提升車間運(yùn)營(yíng)管理的綜合預(yù)見性，做到?jīng)Q策科學(xué)，控制精準(zhǔn)、處置快速、柔性，形成閉環(huán)。

如圖3所示，從功能建設(shè)上來說，薄板智能車間重點(diǎn)進(jìn)行智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控、智能設(shè)備與生產(chǎn)線、智能倉(cāng)儲(chǔ)/運(yùn)輸與物流、智能化生產(chǎn)控制中心4個(gè)方面的車間智能化建設(shè)，在系統(tǒng)框架上，采用總控、分控的布局，以車間集控室、工位終端為建設(shè)重點(diǎn)，方便車間智能運(yùn)營(yíng)管理。

圖3 薄板智能車間功能框架

3 郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

大型郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備布局包括運(yùn)出工位、圍壁安裝/焊接工位、部件制作工位、T排安裝/焊接工位、橫移工位、縱骨裝焊工位、板材切割、切割劃線工位、拼板工位、薄板預(yù)處理工位、型材加工線等，每個(gè)工位布置著相應(yīng)的智能生產(chǎn)設(shè)備，例如：切割設(shè)備、型鋼加工設(shè)備、T-Beam焊接設(shè)備等，將生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并形成智能化的生產(chǎn)線，是推進(jìn)車間智能化管控需要解決的首要問題。薄板分段生產(chǎn)車間主要工序流程見圖4。

圖4 薄板分段生產(chǎn)車間主要工序流程

郵輪薄板分段生產(chǎn)線為節(jié)拍式生產(chǎn)，為確保流水線的生產(chǎn)效率、質(zhì)量，必須對(duì)每個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行管控，但是由于生產(chǎn)過程零部件信息量大，自動(dòng)化生產(chǎn)效率高，節(jié)奏變化快，靠人工進(jìn)行協(xié)調(diào)管理難度大，且易出錯(cuò)，較難以發(fā)揮出流水線的特點(diǎn)和效率[5]。

薄板分段生產(chǎn)線的拼板工位、切割工位、縱骨裝焊工位、型鋼加工線、T-Beam焊接工位等都需要設(shè)計(jì)提供生產(chǎn)信息。T-Beam工位為3D模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)，切割工位可通過設(shè)計(jì)軟件套料并生成切割指令；型鋼線讀取設(shè)計(jì)套料文件生成切割加工指令，在不同的工位設(shè)備來源及工作運(yùn)行模式并不完全相同。因此，需要建立基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造集成控制系統(tǒng)，才能有效提高流水線設(shè)備自動(dòng)化程度，保障設(shè)備正常生產(chǎn)。

郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備物聯(lián)的目標(biāo)是結(jié)合各生產(chǎn)設(shè)備及工位情況，針對(duì)車間生產(chǎn)及過程管控特征進(jìn)行薄板生產(chǎn)線智能化適應(yīng)性改造，進(jìn)行傳感器及智能裝備的設(shè)置，通過合理的空間布局和技術(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與環(huán)境和人與設(shè)備間的信息交互以及即時(shí)通訊，完善信息化系統(tǒng)，使其具備薄板分段建造的智能化與數(shù)字化效果進(jìn)而提升生產(chǎn)效率。按照工作流程，薄板分段智能設(shè)備物聯(lián)系統(tǒng)可以分為信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 信息感知系統(tǒng)

信息感知系統(tǒng)(見圖5)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄板車間各種要素的實(shí)時(shí)監(jiān)控與過程管理,一方面通過傳感器對(duì)車間的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行信息采集與分析，另一方面針對(duì)物料、工件、人員等對(duì)象采用電子標(biāo)簽對(duì)進(jìn)行標(biāo)識(shí)和追蹤，這樣便搭建了車間級(jí)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將收集到的信號(hào)信息進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)車間各生產(chǎn)要素的集成管理。

圖5 信息感知傳感系統(tǒng)

作為底層感知系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、智能測(cè)量器、傳感器、采集器等組成。車間現(xiàn)場(chǎng)要素由人員、機(jī)器、物料、工裝及環(huán)境等構(gòu)成。以上要素由相關(guān)設(shè)備采集、分析及處理后,由物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào)進(jìn)而通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析與展示。RFID采集器將感知區(qū)域內(nèi)的信息讀取出來并將管理要素信息的寫入與采集。智能測(cè)量設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行信息的采集與讀取。環(huán)境設(shè)備的采集負(fù)責(zé)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息(例如：溫度、濕度、噪音、粉塵等)的動(dòng)態(tài)采集。感知系統(tǒng)是對(duì)物體信息的獲取以及信息的互通，為數(shù)據(jù)采集層提供支撐。

3.2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽讀寫模塊、數(shù)據(jù)清洗模塊、設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合模塊,以及在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上的存儲(chǔ)模塊和基于消息機(jī)制的數(shù)據(jù)處理模塊，見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

薄板分段車間因組成要素的種類較多,使得延伸出的數(shù)據(jù)異常分散，因此采集到的數(shù)據(jù)必須通過組網(wǎng)技術(shù)上傳至服務(wù)器中的數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。電子標(biāo)簽讀寫模塊可通過車間現(xiàn)場(chǎng)中的臺(tái)式計(jì)算機(jī)連接485總線組網(wǎng),由各電子標(biāo)簽的讀寫器進(jìn)行信息讀取與寫入操作。單個(gè)的讀寫器得到的原始數(shù)據(jù)并入數(shù)據(jù)清洗模塊，該模塊的主要功能是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、去冗余、排錯(cuò)、數(shù)據(jù)漏讀填補(bǔ)處理,經(jīng)過初篩的數(shù)據(jù)進(jìn)入讀寫器的清洗層進(jìn)行深度清理。設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行采集與傳輸，如變量開關(guān)、運(yùn)行狀態(tài)等，該類數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)形式發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。

環(huán)境采集模塊可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對(duì)車間環(huán)境進(jìn)行信息采集與傳輸，該模塊統(tǒng)一部署在環(huán)境數(shù)據(jù)處理器上，其數(shù)據(jù)傳輸原理是運(yùn)用Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)與車間部署的傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，采集到的數(shù)據(jù)按簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合和簇間數(shù)據(jù)融合模式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息匯聚，將匯聚后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的統(tǒng)一形式。

采集到的信息可以保存到數(shù)據(jù)庫(kù)供歷史查詢并寫入服務(wù)器全局內(nèi)存變量中供實(shí)時(shí)檢索，也可以轉(zhuǎn)化為消息傳輸?shù)交谙C(jī)制的數(shù)據(jù)處理模塊。

3.3 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)

基于信息的感知、采集、處理，最終形成的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過應(yīng)用對(duì)象要求，將請(qǐng)求響應(yīng)信息按應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)象要求的方式呈現(xiàn)出來。展示界面主要通過圖形圖標(biāo)、數(shù)據(jù)列表、曲線樣條等直觀形象展示車內(nèi)各種要素的基本信息給有關(guān)用戶,有關(guān)用戶可觀看可視化界面并通過操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,從用戶的可視化界面了解車間生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)狀態(tài)。將系統(tǒng)導(dǎo)入平臺(tái)，連接移動(dòng)式終端以及顯示屏幕、臺(tái)式機(jī)等,各類信息均可以直觀可視化形式展示給用戶并加以體驗(yàn)。

4 結(jié)論

基于薄板分段生產(chǎn)車間典型布局，形成以智能設(shè)備層、設(shè)備控制層、制造執(zhí)行層、車間管理層、智能決策層5個(gè)層次進(jìn)行建設(shè)的薄板車間智能化管控方案，結(jié)合大型郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備布局，形成以信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)組建薄板分段智能設(shè)備物聯(lián)系統(tǒng)的方案，并落地實(shí)施，保障了郵輪薄板分段建造的高效和質(zhì)量，為新一代的智能化船舶分段生產(chǎn)車間建設(shè)提供借鑒。