智能钢结构制造厂网络设计探索

2020-06-08夏泉

昆钢科技 2020年2期

夏泉

（电子信息公司）

1 系统概述

昆钢智能制造厂工艺设计为年产轻型钢结构100 000 t的自动化工厂，厂房智能化、自动化程度高，大部分生产设备均无人化，这也要求提高对生产环境、设备远程监控能力，同时厂区基础网络日常正常办公的保证，快速、通畅的园区网络是各个子系统正常运转的基础。

鉴于该厂智能化、自动化程度高，大部分生产设备均无人化，建设一套安全、快速、智能化的基础网络来满足园区的使用，根据智能制造园区的功能使用规划此次园区的网络按照功能以分层的网络结构来规划，整个园区网络分为办公网络、视频监控网络、生产网络三个独立的网络来进行规划，网络结构清晰、扩展性好、便于管理维护可以满足现在及未来3-5年内的发展需要。

2 厂区各子系统应用需求分析

整个厂区分为办公区域，钢材原料堆场、能源及原料仓库（燃气罐、油漆、焊接辅材等）、成品堆场。生产区域分为小件切割区域、立体仓库及AGV自动运输系统区域、高速钻床及坡口机区域、型材加工区域或锯锻锁区域、机器人组焊区域、抛丸喷涂区域六个区域。

办公区域需求为办公网络，生产数据统计分析及生产实绩收集及考核等信息。

生产区域需求为生产管控、过程控制、设计实绩收集、生产过程监控及操作等数据。仓储区域需要对物料进出操作，生产投料及成本归集。

整个厂区需要进行安防监控及重要工位工艺监控，门岗物资进出稽查信息交换，重要危险源安全健康及预警。

3 厂区各子系统设计

3.1 网络设计的依据

3.1.1 工艺设备区域划分及数据通信需求

1）办公网主要覆盖区域为办公室，厂区部分岗位，比如仓储收发货、保安门岗值守的电子出门条管理等工位。办公网络用于各办公人员接入昆钢信息化网络进行日常的协同办公、ERP、邮箱、上网等办公使用，视频监控网络专门用于整个园区的视频监控设备的接入使用，生产网络用于接入整个园区的自动化生产设备的接入互联，三个网络互相独立互不影响可以保障办公、视频监控、生产的高效、快速、安全使用。

2）生产数据网的设计主要依据智能化工厂将来预定的生产组织管理模式对数据传输的需求，生产工艺设备各区域（原料堆场、产品堆场、小件切割区域、立体仓库及AGV自动运输系统区域、高速钻床及坡口机区域、型材加工区域或锯锻锁区域、机器人组焊区域、抛丸喷涂区域）之间的数据交换需求，以及各区域内部设备连网及生产操作的功能要去来实施。

3）视频网覆盖整个厂区，视频图像数据采集包括安防监控及生产工艺监控，其中生产工艺监控还需要与生产数据网进行数据交换，实现工位生产数据与视频的软件集成，进而实现特定的智能化生产管理。而安防监控通过服务器智能图像分析可以实现特定区域人员进出预警或人数统计等智能安防功能。

4）工厂投产后预定的生产组织模式，智能化工厂，生产计划自动生成及自动排产，通过网络自动下达到各工位，并执行，生产实绩收集及统计，形成生产绩效考核评估；智能化工厂生产集中监控，集中操作，减少各工位人力资源需求，提升企业效益；各工艺设备采用物联网技术网络，实现远程监控及操作，通过MES系统进行生产统一管控，进而实现各生产工艺协同生产，实现无人化生产管控。

5）各生产工艺区域建设要实现一定程度的智能化，而这些智能化的实现，就会形成各区域内工艺设备数据交换需求、各工艺区域设备间也会产生数据通信的需求，甚至办公网、生产网、视频网三网间也会形成网间数据交换需求。而这些需求对数据通信的量和速度是不相同的，对网络设计时，网络结构、设备性能定位需要有针对性地进行。

6）网际间数据通讯的可靠性快速性及网络安全，网际间数据通讯的可靠性快速性与网络安全是一个矛盾的量，在网络设计时，这两者的均衡性也是网络设计时需要考虑的重要因素。

3.2 办公网

办公网络以办公楼为中心作为汇聚层接入昆钢新区办公网络，原料堆场、产品堆场、小件切割区域、立体仓库及AGV自动运输系统区域、高速钻床及坡口机区域、型材加工区域或锯锻锁区域、机器人组焊区域、抛丸喷涂区域作为接入层来对整个智能制造园区进行办公网络的覆盖。

图1 办公网络示意图

3.3 生产网络

生产网络以办公楼为中心作为汇聚层，原料堆场、产品堆场、小件切割区域、立体仓库及AGV自动运输系统区域、高速钻床及坡口机区域、型材加工区域或锯锻锁区域、机器人组焊区域、抛丸喷涂区域作为接入层来对整个智能制造园区进行生产网络的覆盖，在生产网络中将对小件智能下料中心进行无线网络的覆盖来满足对AGV小车的使用。各区域内网络设计为百兆网，区域间设计为千兆网。

图2 生产网络示意图

3.3.1 锯钻锁生产线上位监控及网络通信要求

图3 锯钻锁生产线操作站示意图

1）标准产品控制器采用采用西门子品牌控制器，非标控制器由设备制造商完成通信接口和通信协议转换，并实现与上位操作站监控软件的通信，为建设方开发全厂MES系统创造统一的通信方式、统一的通信协议。

2）设备制造商完成锯钻锁生产线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。

3）操作站使用西门子工业控制监控软件WinCC，在操作站上完成如下功能：人机对话、设备运行状态及关键参数显示、设备预警数据显示、生产实绩收集。

4）设置4个操作站，其中三个操作站使用研华19寸触摸屏一体机，分别安装于三条锯钻锁生产线现场合适位置，操作站4使用pc机，安装于中控室。

3.3.2 锯钻锁生产线上位监控及网络通信要求

图4 锯钻锁生产线操作站示意图

1）标准产品控制器采用采用西门子品牌控制器，非标控制器由设备制造商完成通信接口和通信协议转换，并实现与上位操作站监控软件的通信，为建设方开发全厂MES系统创造统一的通信方式、统一的通信协议、统一的数据格式。

2）设备制造商完成立体仓库自动物流线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。

3）操作站使用西门子工业控制监控软件WinCC，在操作站上完成如下功能：人机对话、设备运行状态及关键参数显示、设备预警数据显示、生产实绩收集。4）设置2个操作站，其中操作站2使用研华19寸触摸屏一体机，安装于生产线现场合适位置，操作站1使用pc机布置位于中控室。

3.3.3 抛丸喷涂生产线上位监控及网络通信要求

图5 抛丸喷涂生产线操作站示意图

2）设备制造商完成抛丸喷涂生产线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。

4）设置4个操作站，其中三个操作站使用研华19寸触摸屏一体机，分别安装于生产线现场合适位置，操作站4使用pc机安装于中控室。

3.3.4 切割及分拣生产线上位监控及网络通信要求

图6 切割及分拣生产线操作站示意图

2）设备制造商完成切割及分拣生产线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。交换机到切割机、分拣机器人的通讯接口、通讯协议转换、数据格式转换由设备制造商设计实施。

3）设置2个操作站，其中一个操作站使用研华19寸触摸屏一体机，安装于现场合适位置，另一台操作站使用pc机，安装于中控室。

4）操作站使用西门子工业控制监控软件WinCC，在操作站上完成如下功能：人机对话、设备运行状态及关键参数显示、设备预警数据显示、生产实绩收集。

3.3.5 数控钻床生产线上位监控及网络通信要求

图7 数控钻床生产线操作站示意图

2）设备制造商完成数控钻床生产线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。

4）设置2个操作站，其中操作站1使用研华19寸触摸屏一体机，安装于钻床生产线现场合适位置，操作站2使用pc机布置位于中控室。

3.3.6 组焊生产线上位监控及网络通信要求

图8 组焊生产线操作站示意图

2）设备制造商完成组焊生产线区域内设备集成，所有设备通过区域网络交换机进行通信，区域交换机及交换机到整个厂区的基础网络由甲方负责设计实施。

4）设置3个操作站，其中2个操作站使用研华19寸触摸屏一体机，互为备用，安装于组焊生产线现场合适位置，操作站3使用pc机，安装于中控室。

3.4 视频网

厂区视频监控系统采用纯网络模式，前端全部采用网络摄像机，信号通过厂区局域网传输。中心机房设置在监控中心旁，内部包含了管理控制子系统和集成联动等部分，是整个监控系统的核心，是软件平台的核心；在保安亭设置分控中心，保安人员可以在保安室通过客户端预览、回放监控录像，并能在权限范围内对前端监控点进行控制。系统结构图如下：

视频图像与过程控制监控及生产操作集成时，通过视频服务器读取数据，通过软件处理，与生产管理数据、PLC过程控制数集成，形成生产操作及控制系统。