船用发电机智能车间互联互通标准试验与验证

2020-04-15丁卫刚李利民毕晋燕

机电设备 2020年1期

丁卫刚，李利民，毕晋燕

（山西汾西重工有限责任公司，太原 030027）

0 引言

船舶与海洋工程装备制造业是为海洋资源的开发和海军舰船建造提供技术装备的现代综合性和战略性产业，是国家发展高端装备制造业的重要组成部分，也是我国实现海洋强国战略的重要支撑和基础[1]。近年来，随着我国船舶制造业的发展，船舶与海洋工程关键装备需求也越来越多样化，企业传统的发展模式已经跟不上国家海洋强国战略的需求。因此，船舶与海洋工程装备制造业不仅在技术和质量方面需进一步提升，以满足目前船舶行业需求的多样性和更高的性能指标，而且在制造方面也需不断向数字化、网络化、智能化方向发展，以实现船舶与海洋工程装备数字化制造、网络化制造、智能化制造。

高技术船舶与海洋工程装备数字化车间的建设是基于网络、设备和信息系统的互联互通标准的[2]。为解决各船舶与海洋工程装备制造企业在实施智能制造过程中存在的方法多样性、模式不统一、信息不兼容等问题，国家智能制造标准体系建设要求中提出了“智能制造、标准先行”[3]。为解决标准缺失、滞后以及交叉重复等问题，指导当前和未来一段时间内智能制造标准化工作，需要制定国家智能制造标准体系，包含智能制造跨行业、跨领域的基础共性标准，关键技术标准和十大领域重点行业应用标准[4-5]。

本文主要探讨了船用发电机数字化车间互联互通标准的制定及试验验证。

1 制约船用发电机智能制造的技术因素

船用发电机属于高技术船舶与海洋工程装备，其制造工艺复杂。制约船用发电机智能制造的因素有以下几点：

1）生产模式。船用发电机具有多品种、小批量、系列化的特点，需根据客户进行定制化生产。

2）质量控制方式。以多品种、小批量、系列化生产为特点的船用发电机不适用常规SPC控制方式。

3）数字化技术应用。由于船用发电机的生产工艺中包含独有的铁心、绕组等工艺，手工劳动比重大，其数字化基础较差。

4）生产组织方式。

（1）加工。与大批量汽车零部件自动流水生产线不同，船用发电机使用的非标设备较多，因此相应的非标准工艺设备也较多；生产线主要以柔性生产线FMS为主，一条柔性生产线需用于生产十几个以上的类似零部件；大型零部件则无法建立柔性生产线。

（2）物流。船用发电机具有较大的尺寸和较重的质量，上下料必须使用吊车或大型平板车。

（3）装配。为提高装配效率，一般在不同区域进行部件装配与整机装配，部件装配完成后运至整机装配待装区域，开始整机装配；船用发电机特有的绕组工艺，其手工劳动占比很大，装配效率很低。

（4）试验。船用发电机装配完成后需进行长时间的性能试验，以确保其满足设计要求。

综上，船用发电机制造业具有典型的离散制造的特点，要实现船用电机数字化车间互联互通，不仅需提高其数字化应用基础，同时也需根据其生产模式进行相应的数字化建设。

2 船用发电机数字化车间互联互通标准制定

制定船用发电机数字化车间互联互通标准，主要解决企业在建设船用发电机数字化车间过程中网络互联互通、设备互联互通、信息交互等问题。通过构建船用发电机数字化车间网络架构和业务架构，对数字化车间的网络传输、设备互联互通和信息交互等方面进行规范，实现企业在船用发电机数字化车间建设过程中的方法统一、模式统一和信息兼容。

在网络传输要求方面，对互联方式、互通方式和有线无线传输给出了明确要求；在设备互联互通方面，对组成船用发电机数字化车间设备的数字化需求进行了合理归纳，并提出了相关要求；在信息交互方面，明确了交互信息的类型、传递形式和处理方式。

2.1 互联互通总体架构

2.1.1 网络架构

船用发电机数字化车间应能通过网络将车间设备和控制系统连接起来，以构建船用发电机数字化车间网络架构。如图1所示，该网络架构主要包括车间现场设备、可编程控制设备、可视化监控设备、服务器、电子看板和 EPR/MES等。在数字化车间现场，有的装备不能直接与控制中心进行通信，需要借助通信组件进行连接。

2.1.2 业务架构

船用发电机数字化车间互联互通业务框架如图 2所示，主要包括 PDM、ERP、MES和车间设备。

2.2 互联互通网络传输要求

数字化车间网络环境的搭建是船用发电机数字化车间互联互通的基础，通过网线和网络设备将分布于不同生产环境的各系统和数控、装配等设备连接起来，打破原有业务流程和过程控制流程脱节而形成的“信息孤岛”的局面，由此数据信息才能从底层设备贯穿至上层决策系统。网络环境的搭建不仅关系到数字化车间数据通信的效率，也会影响制造执行系统对车间排产任务的下达。船用发电机数字化车间网络传输要求见表1和表2。

图1 船用发电机数字化车间互联互通网络架构

图2 船用发电机数字化车间互联互通业务架构

表1 有线网络传输要求

表2 无线网络传输要求

2.3 互联互通设备要求

目前，我国大多数船用发电机生产企业的车间内大多数设备还处在单机自动化阶段，车间设备大多没有接入工控网络，因此不能直观地反映车间设备状态、设备作业任务和物料供给情况等。根据船用发电机数字化车间互联互通建设需要，规范车间加工设备、装配设备、物流设备、网络设备和用户终端设备的数字化要求，是船用发电机数字化车间互联互通的设备基础，同时数字化的设备也是实现数字化车间的重要组成部分。

在船用发电机数字化车间互联互通建设过程中，加工设备应能基于现场工业网络，实现设备与 MES之间的通信，并应具备数据交互和故障报警等功能；装配设备应能基于现场工业网络，实现设备与 MES之间的通信；物流设备应具备程序自动控制、手动控制或半自动控制功能，对于质量大的部分工件，若普通机器人难以进行上下料，则可通过吊车进行上下料，车间内部可通过运输装置实现工件在各工位间的自动流转；船用发电机物流设备应能基于现场的工业网络，实现物流设备与中央控制系统的通信，物流设备应能够根据指令将工件运至相应工位；网络设备主要包括工业现场网络设备和控制中心，工业现场网络设备主要包括交换机、路由器、防火墙和网关，控制中心应能够通过网络进行数据收集、指令下发和综合控制；互联互通用户终端设备是面向用户的，可显示车间现场生产执行、设备运行状态监控、物料管理等的信息。

2.4 互联互通信息交互

船用发电机数字化车间通过网络向制造执行系统MES提交的信息类型应包括设备状态信息、设备故障信息、生产状态和质量检测信息等；制造执行系统 MES向工控网络传递的信息类型应包括生产计划信息、生产物料信息和设备维护信息等。

船用发电机数字化车间互联互通交互信息流如下：车间现场数控设备的传感数据信息被收集、分类和整理，经过过滤、剔除和合并等处理，进而在工控系统上进行控制、显示和记录等，最终相关信息数据被上传至决策系统和业务系统。

3 标准验证方案

通过建设船舶与海洋工程智能制造车间互联互通标准试验验证体系，来实现标准的循环迭代优化；通过建设标准试验验证平台，对标准内容归纳出不同的验证场景，列出各验证场景的设计目的、设计方案、场景工作流程、内容设计、案例设计、操作步骤及过程和验证结论，同时出具现场验证关系对照表，确保能验证标准的所有内容，实现船用发电机数字化车间互联互通的架构验证、网络传输验证、设备互联互通验证和信息交互验证等，最终形成现场验证报告，并根据行业特色形成企业应用示范报告。