邮轮薄板分段生产车间智能化管控和设备物联技术

陈刚，黄咏文，张学辉，袁轶

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

豪华邮轮在结构上采用了大量较薄的钢板，在邮轮建造过程中，薄板分段的变形及精度控制是主要难点，分段质量好坏将直接影响邮轮的整体建造质量。有必要通过信息化手段对分段生产进行智能化管控，提升分段建造质量。以某邮轮薄板分段生产车间为例，开展车间智能化管控及系统设备物联集成技术应用分析，考虑基于邮轮薄板车间典型布局，结合生产工艺方法，构建车间智能化管控方案以及系统设备物联集成技术方案，使邮轮薄板分段建造更加迅速，质量更加稳定。

1 智能化管控和设备物联技术

智能化管控就是运用数字化手段包括传感器、物联网以及底层控制系统将车间的生产物流计划与排程进行信息化管理，实现生产制造过程的智能监测，连接数字化的虚拟空间与真实的物理空间并对车间实现“感知—分析—决策—执行”全封闭链管控[1]。研究智能化管控技术首先要明确车间现场所包含的信息，例如场地规划信息、物料信息、托盘信息、堆场库存信息以及运输车辆信息等，将上述车间现场信息通过智能化管控技术手段实现场地设施规划管理、零部件及托盘管理、堆场库存管理、车辆设备管理以及物流系统的各项数据统计分析管理，以此提高车间生产效率与产品的质量。

设备物联技术就是通过互联网技术、通信技术、嵌入式系统技术以及RFID技术等相融合进行设备间通信协作解决车间的生产调度及控制问题，实现设备资源与信息资源之间采集、传输、计算、分析及反馈与服务的新模式[2]。设备物联技术通过对车间在生产制造过程中全方位、多角度的传递与处理使得生成的信息数据符合预期目标，从而将“人、机、物”三者相互联系。拥有感知、交互、分析以及执行是设备物联技术的一个典型特征，这种由传统的车间生产要素与物联技术结合成的智能生产车间为船舶生产建造提供了关键技术支撑。

2 邮轮薄板分段生产车间智能化管控方案

2.1 薄板分段生产车间典型布局

在现代造船模式下，船舶企业在生产过程中，依照壳、舾、涂同步协调的作业要求开展生产，不同造船企业在分段制造的工艺流程方面差异较小，以某邮轮薄板分段生产车间为例，其生产车间典型布局见图1。

图1 邮轮薄板分段生产车间典型布局

2.2 薄板分段智能生产车间总体架构

基于5G和工业互联网技术，按照智能车间构架，重点进行智能化生产执行过程管控、智能设备与生产线、智能仓储/运输与物流、智能化生产控制中心4个方面的车间智能化建设，突破船舶薄板生产的网络化协同管控技术，构建智能薄板生产车间。

薄板智能车间建设的总体指导原则，是按照感知、网络、决策控制3个层次，基于工业互联网的技术架构，结合车间建设和运营状况，按照渐进明细的原则，逐步构建薄板智能车间。具体到系统建设层级上，薄板智能车间将按照智能设备层、设备控制层、制造执行层、车间管理层、智能决策层5个层次进行建设，具体结构见图2。

图2 薄板智能车间建设层级

其中，智能设备和智能控制层建设主要涉及对人、机、料的感知和控制，通过对各类生产设备、PLC、工控机、传感器、工位和移动终端、输送线、AGV小车、立体仓库等的物联网和互联网建设，实现这3大生产要素的自感知、互感知、自适应、互适应，从而建立实时动态的感知和控制系统；制造控制层和车间管理层建设，主要是建设以MES为核心的智能生产过程管控系统和物流管控系统，MES是实现智能车间的核心和中间桥梁，起到承上启下的关键作用，对车间来说，无论是企业级的系统PLM、ERP、SCM、OA等，还是部门或车间级的系统APS、WMS、TPM、EMS等，都需要与车间MES系统进行深度集成，以实现数据世界里的万物互连、协同一致[3-4]。

智能决策层的建设一方面基于上述的4个层次建设的基础，同时在工业互联网海量数据采集的背景下，需要建立相应的车间数据中心和集控室，充分运用工业大数据分析技术，以工业机理模型库和决策分析模型库建设为对象，建立与车间工业系统相映射的“数字孪生”，提升车间运营管理的综合预见性，做到决策科学，控制精准、处置快速、柔性，形成闭环。

如图3所示，从功能建设上来说，薄板智能车间重点进行智能化生产执行过程管控、智能设备与生产线、智能仓储/运输与物流、智能化生产控制中心4个方面的车间智能化建设，在系统框架上，采用总控、分控的布局，以车间集控室、工位终端为建设重点，方便车间智能运营管理。

图3 薄板智能车间功能框架

3 邮轮薄板分段生产设备物联技术

大型邮轮薄板分段生产设备布局包括运出工位、围壁安装/焊接工位、部件制作工位、T排安装/焊接工位、横移工位、纵骨装焊工位、板材切割、切割划线工位、拼板工位、薄板预处理工位、型材加工线等，每个工位布置着相应的智能生产设备，例如：切割设备、型钢加工设备、T-Beam焊接设备等，将生产设备联网并形成智能化的生产线，是推进车间智能化管控需要解决的首要问题。薄板分段生产车间主要工序流程见图4。

图4 薄板分段生产车间主要工序流程

邮轮薄板分段生产线为节拍式生产，为确保流水线的生产效率、质量，必须对每个工位的生产节拍进行管控，但是由于生产过程零部件信息量大，自动化生产效率高，节奏变化快，靠人工进行协调管理难度大，且易出错，较难以发挥出流水线的特点和效率[5]。

薄板分段生产线的拼板工位、切割工位、纵骨装焊工位、型钢加工线、T-Beam焊接工位等都需要设计提供生产信息。T-Beam工位为3D模型导入数据，切割工位可通过设计软件套料并生成切割指令；型钢线读取设计套料文件生成切割加工指令，在不同的工位设备来源及工作运行模式并不完全相同。因此，需要建立基于5G和工业互联网的智能制造集成控制系统，才能有效提高流水线设备自动化程度，保障设备正常生产。

邮轮薄板分段生产设备物联的目标是结合各生产设备及工位情况，针对车间生产及过程管控特征进行薄板生产线智能化适应性改造，进行传感器及智能装备的设置，通过合理的空间布局和技术选择，实现设备与设备、设备与环境和人与设备间的信息交互以及即时通讯，完善信息化系统，使其具备薄板分段建造的智能化与数字化效果进而提升生产效率。按照工作流程，薄板分段智能设备物联系统可以分为信息感知系统、数据采集处理系统、数据分析应用系统。

3.1 信息感知系统

信息感知系统(见图5)可以实现对薄板车间各种要素的实时监控与过程管理,一方面通过传感器对车间的设施设备进行信息采集与分析，另一方面针对物料、工件、人员等对象采用电子标签对进行标识和追踪，这样便搭建了车间级物联网数据采集系统，将收集到的信号信息进行处理与转化成数据信息，实现车间各生产要素的集成管理。

图5 信息感知传感系统

作为底层感知系统由RFID标签、RFID读写器、智能测量器、传感器、采集器等组成。车间现场要素由人员、机器、物料、工装及环境等构成。以上要素由相关设备采集、分析及处理后,由物理模型转换成数值信号进而通过软件系统进行分析与展示。RFID采集器将感知区域内的信息读取出来并将管理要素信息的写入与采集。智能测量设备对现场的设备运作状态进行信息的采集与读取。环境设备的采集负责对车间现场的环境信息(例如：温度、湿度、噪音、粉尘等)的动态采集。感知系统是对物体信息的获取以及信息的互通，为数据采集层提供支撑。

3.2 数据采集处理系统

数据采集处理系统包括电子标签读写模块、数据清洗模块、设备数据采集模块、环境数据采集模块、数据融合模块,以及在数据采集基础上的存储模块和基于消息机制的数据处理模块，见图6。

图6 数据采集处理系统

薄板分段车间因组成要素的种类较多,使得延伸出的数据异常分散，因此采集到的数据必须通过组网技术上传至服务器中的数据处理中心进行处理。电子标签读写模块可通过车间现场中的台式计算机连接485总线组网,由各电子标签的读写器进行信息读取与写入操作。单个的读写器得到的原始数据并入数据清洗模块，该模块的主要功能是对原始数据进行去噪、去冗余、排错、数据漏读填补处理,经过初筛的数据进入读写器的清洗层进行深度清理。设备数据采集模块可以对生产设备的相关信息进行采集与传输，如变量开关、运行状态等，该类数据将以数据形式发送到数据处理模块。

环境采集模块可根据预先设定的参数对车间环境进行信息采集与传输，该模块统一部署在环境数据处理器上，其数据传输原理是运用Zigbee 组网技术与车间部署的传感器节点组网，采集到的数据按簇内数据融合和簇间数据融合模式进行数据汇聚，通过软件系统进行信息汇聚，将汇聚后的数据进行数据清洗，转化为系统可以处理的统一形式。

采集到的信息可以保存到数据库供历史查询并写入服务器全局内存变量中供实时检索，也可以转化为消息传输到基于消息机制的数据处理模块。

3.3 数据分析应用系统

基于信息的感知、采集、处理，最终形成的数据库，可以通过应用对象要求，将请求响应信息按应用领域中对象要求的方式呈现出来。展示界面主要通过图形图标、数据列表、曲线样条等直观形象展示车内各种要素的基本信息给有关用户,有关用户可观看可视化界面并通过操作系统进行实时交互,从用户的可视化界面了解车间生产环境、生产流程以及生产状态。将系统导入平台，连接移动式终端以及显示屏幕、台式机等,各类信息均可以直观可视化形式展示给用户并加以体验。

4 结论

基于薄板分段生产车间典型布局，形成以智能设备层、设备控制层、制造执行层、车间管理层、智能决策层5个层次进行建设的薄板车间智能化管控方案，结合大型邮轮薄板分段生产设备布局，形成以信息感知系统、数据采集处理系统、数据分析应用系统组建薄板分段智能设备物联系统的方案，并落地实施，保障了邮轮薄板分段建造的高效和质量，为新一代的智能化船舶分段生产车间建设提供借鉴。