基于MTConnect的船舶板材切割车间数据采集系统研究

2021-07-25姚振宇刘会霞

制造业自动化 2021年7期

姚振宇，刘会霞，王霄

（江苏大学机械工程学院，镇江 212000）

0 引言

随着近年来中国经济形势的发展，船舶制造业已经越来越凸显其在国民经济中的重要地位。如何在竞争日趋激烈的船舶制造业中保持企业的竞争力，并实现企业的加速发展，对于船舶制造企业来说，关键就是实现制造车间信息化与工业化的结合[1,2]。对船舶制造产业信息化现状的研究表明，当前大多数船厂的信息化建设的重点是企业信息管理系统及自动化系统等方面。然而，企业竞争的市场化导向对船厂的生产组织以及加工车间的管理水平要求更加严格。所以，船厂仅依赖自动化系统和ERP系统将在竞争中处于不利地位。

船舶板材切割是船舶制造中的重要基础工序，对板材切割车间生产的有效管理能极大提高船舶制造的效率和质量。为了实现板材切割车间生产工艺及时参数、设备负载统计分析、生产信息安全稳定传递等功能，管理层需掌握车间实时生产数据，因此亟需一种船舶板材切割车间数据采集系统。

然而我国船厂由于历史条件、经济条件、生产工艺等因素，板材切割车间生产设备种类众多，结构形式差异较大，钢板预处理流水线由于年代久远没有提供通信接口，数控等离子切割机的批次和品牌众多，这导致板材切割车间使用生产设备时存在一个普遍问题：缺乏对切割车间异构设备生产数据统一采集，车间设备管理处于离散状态。各生产设备与管理层计算机以及其他设备交流有限，形成一个个信息孤岛，无法实现统一管理。

1 板材切割车间设备数据采集需求分析

在船舶板材切割车间中，热轧钢板加工成零件需经历三个流程，分别是钢板预处理、划线喷码印字以及板材切割。钢板预处理分为矫平、预热、抛丸、涂装和烘干流程，可实现减小钢板变形、去氧化皮、去污、防锈等功能。钢板划线可验证切割指令的可行性。喷码印字功能是在对应零件位置标记零件号，该工作原本由工人手工完成，现在使用数控印字划线机极大提高了生产率。钢板切割则是实现最后的下料工作。板材切割车间生产工艺流程如图1所示。船舶板材切割工艺现已成熟，但板材切割车间信息化程度不高，生产数据采集存在以下问题：

图1 车间生产工艺流程

1）船舶板材切割车间数字化程度低，多采用纸张存储数据并采用人工方式传递数据，生产数据的准确性和实时性低。

2）在切割车间加工过程中，车间缺少对生产设备的实时监控，无法实现对生产过程及时优化。板材当前工序完成后无法及时安排到下道工序，降低了加工效率。在等离子切割机加工板材时，工人贪多求快，使用过大割炬电流过快进给速度，降低了板材切割质量。

3）切割车间生产设备种类较多，设备数据通信接口差异大，比如钢板预处理流水线和数控印字划线机没有提供通信接口，等离子切割通信接口又分为串口和网口，无法实现设备间数据通信的兼容性。

针对以上问题，本文采用MTConnect协议建立切割车间设备信息模型，消除异构设备通信协议的差异，开发一套船舶板材切割车间数据采集系统，系统具有加工任务实时监控、生产设备数据采集、生产设备信息模型建立等功能。而在车间数据采集系统中，最重要的是生产数据采集的种类。钢板预处理流水线和数控印字划线机没有接口，可采集的数据种类较少，包含生产进度、已完工数量等信息。等离子切割机可采集数据较多，包含割炬实时位置、割炬电流、进给速度、生产进度、已完工数量、电源状态等信息。

2 板材切割车间数据采集系统方案设计

在船舶板材切割车间中，车间数据采集系统需要对生产设备状态以及生产进度进行监督，并对采集到的数据进行分析和处理。在结合国内外研究成果的基础上，提出了面向船舶板材切割车间的多层次系统架构，自顶向下分成管理应用层、数据服务层（代理层）、网络服务层、数据采集层（网络适配器层）以及设备层[3]，如图2所示。

图2 板材切割车间体系架构

1）管理应用层

车间数据采集系统的顶层是管理应用层。应用层通过企业局域网与数据服务层进行交互，实时监控车间生产状况。

2）数据服务层

车间数据采集系统的第二层数据服务层，主要包含数据库、服务器等。车间数据采集系统架构中的数据服务层也是MTConnect协议中的Agent层，主要功能是缓存Adapter发送的数据并响应客户端数据请求。

3）网络传输层

车间数据采集系统的第三层是网络传输层，主要包含交换机、以太网口等装置。在车间数据采集系统中，网络传输层贯穿整个系统架构，各层通过网络传输层实现了数据交互。

4）数据采集层

车间数据采集系统的第四层是数据采集层，主要包含数据采集、数据传输、接收派工等功能。车间数据采集系统架构中的数据采集层也是MTConnect协议中的Adapter层，将不同类型的数据整理成标准格式，然后通过网络传输层发送到Agent层。

5）设备层

车间数据采集系统的底层是设备层，主要包含钢板预处理流水线、数控印字划线机数、数控等离子切割机床、串口服务器、数据采集卡、传感器等设备。这些设备采用工业以太网进行组网，通过数据采集卡、串口服务器等设备与数据采集层进行交互。

3 基于MTConnect的板材切割车间设备信息模型建立

基于MTConnect实现的数据采集系统基本架构如图3所示。系统主要由五部分组成，分别是网络（Network）、设备（Device）、适配器（Adapter）、代理（Agent）以及应用（Application），其中网络贯穿整个系统[4]。适配器作为MTConnect标准的可选项，用于从不支持MTConnect标准的设备获取异构数据并整理成标准格式发送给代理。生产设备本身支持MTConnect协议，则不需使用适配器。代理是MTConnect的核心组件，用于处理收集来自设备或适配器的数据。客户端通过HTTP协议向代理提出请求，代理将XML文档发送给客户端作为响应，客户端解析后获取数据。

图3 基于MTConnect协议的系统架构

为了消除数据共享时异构设备之间通信协议与接口的差异，MTConnect标准定义了标准化信息模型，可使用统一的数据模型描述不同类型的生产设备。

1）针对数控等离子切割机床的设备建模

MTConnect代理负责管理的生产设备（Device）均包含在设备集（Devices）中，每个设备集可以包含若干设备。设备（Device）由组件集（Components）构成，组件集（Components）中包含组件（Component）。组件（Component）是抽象的结构元素，具体的Component类型结构元素有轴（Axes）、系统（Systems）、控制器（Controller）、辅助设备（Auxiliaries）、资源（Resources）等。组件（Component）由数据项集（DataItems）组成，数据项集（DataItems）又由数据项（DataItem）构成。数据项（DataItem）有三种类型，分别是采样值（Sample）、事件值（Event）和条件值（Condition）。采样值（Sample）类型是连续变化的数据项，事件值（Event）类型是离散变化的数据项，条件值（Condition）类型是代表设备健康状况的数据项。

具有网口和具有串口的等离子切割机设备数据模型差别较小，故以下只选用具有网口的等离子切割机构建设备数据模型。

本车间等离子切割机床（网口）设备数据模型如图4所示。等离子切割机的数据模型包含轴（Axes）、系统（Systems）、控制器（Controller）和辅助设备（Auxiliaries）[5]。轴（Axes）的子组件是三个直线轴（Linear），分别为进给轴X、Y、Z。进给轴的数据项包含绝对坐标、相对坐标、机械坐标、剩余移动量和伺服负载率。系统（Systems）包含电源（Electric）子组件，电源组件由电源状态数据项组成。控制器（Controller）包含路径（Path）子组件以及加工状态、报警信息和紧急停止数据项。路径（Path）组件包含套料图号、钢板号、余料号、进给速率、完工零件数、程序名、工件开始时间和工件结束时间。辅助设备（Auxiliaries）包含传感器（Sensor）子组件，传感器组件由割炬电流数据项组成。

图4 等离子切割机的组件与数据项

2）针对钢板预处理流水线与数控印字划线机的设备建模

钢板预处理流水线的生产设备和数控印字划线机并没有提供通信接口，可采集的设备参数较少，故建立的设备数据模型较简单。钢板预处理生产设备和数控印字划线机均由控制器（Controller）组件构成，该组件由报警数据项和路径（Path）子组件组成。其中，路径（Path）组件套料图号、钢板号、完工零件数、工件开始时间和工件结束时间数据项构成。

4 板材切割车间生产数据采集关键技术分析

A船厂的板材切割有三大类生产设备，分别是钢板预处理流水线、数控印字划线机以及数控等离子切割机床。其中，A厂有3条齐齐哈尔-斯潘塞钢板预处理流水线，4台型号Trident plus的Farley数控印字划线机，5台数控系统是Fanuc-0i的带串口小池酸素等离子切割机以及4台数控系统是Fanuc-310i的带网口小池酸素等离子切割机。板材切割车间中的生产数据采集方式可以分为自动数据采集和手动数据采集[6]。前者一旦安装就能自动按指定格式采集数据，而后者需操作人员在生产过程中手动输入实时数据。

1）针对钢板预处理流水线与数控印字划线机的信息采集

钢板预处理流水线生产设备和数控印字划线机没有提供通信口，较难实现生产数据的自动采集，所以采用手动采集数据的方式。手动采集数据方式可分为工控机输入、手持终端输入以及条码扫描输入。

2）数控等离子切割机床的信息采集

具有网口的等离子切割机和具有串口的等离子切割机的数据采集均采用自动采集与手动采集相结合的方式。

从自动数据采集的方法来看，可以分为基于机床通信接口采集和基于机床电气电路采集。对于可采集的机床生产数据，位于数控系统内部的数据可通过通信接口获取，数控系统外部的信息可通过外加传感器获取。A船厂的数控等离子切割机床均采用带通信接口的Fanuc数控系统，带网口的数控机床可采用FOCAS开发包，带串口的数控机床可采用镶嵌宏指令的方式。其中等离子切割机的割炬输出电流通过外加传感器和数据采集卡的方式获取。

FOCAS软件开发包可以实现PC对数控系统进行HSSB或者Ethernet连接，实现对机床生产数据的采集。基于Socket通讯技术，数据采集层的工控机使用FOCAS函数与数控系统进行通信，故数控系统和工控机需处于同一网段。设备层的数控机床端需配置好IP地址和子网掩码并设置机床端口号为8193，完成数控机床端相关通讯参数设置。机床端设置完成后，在PC端工程中加载fwlib32.dll及相关文件。本文使用C#作为开发语言，首先使用short cnc_allclibhndl3（Objectip，ushortport，inttimeout，outushortFlibHndl）与数控机床进行连接，获取通信句柄。其中各项参数意义如下：ip是机床端IP地址，port是机床端端口号，timeout是连接时间，FlibHndl中存储通信句柄。当cnc_allclibhndl3函数返回EW_OK时代表连接成功，然后其他FOCAS函数可通过调用通信句柄实现相关功能。各数控机床以IP地址作为区分条件，获取相应通信句柄。当连接使用结束时，调用shortcnc_freelibhndl（ushortFlibHndl）释放连接，返回EW_OK代表通信句柄释放成功[7]。当PC端使用FOCAS开发包与机床端建立连接后即可调用各功能函数。以运动轴进给速度数据采集为例，函数声明为shortcnc_actf（ushortFlibHndl，ODBACTfeedrate）。FlibHndl存储通信句柄，feedrate作为输出参数存放进给速度。feedrate是ODBACT类型的对象，进给速度数据项需要从类中获得，定义如下。

进给速度存储在data数据项中，读取data中的值就能获取进给速度。等离子切割机床机械坐标、绝对坐标等生产数据可通过cnc_machine、cnc_absolute等函数获取。

具有串口的数控机床可通过镶嵌宏指令的方式输出数据，经串口服务器将数据打包发送给数据采集层的工控机。镶嵌宏指令是指使用程序编辑的方式在数控程序中嵌入宏指令，实现对机床生产数据的采集。设备层数控机床需配置好机床端波特率、校验位、数据位、停止位等参数，并设置好串口服务器的对应串口参数以及以太网通讯参数。将含有外部通信宏指令的NC程序传入数控机床，当切割机执行这些代码时，切割机会将机床生产信息发送到串口服务器，服务器将数据整理好后再发送到数据采集层。

利用外部通信宏指令POPEN、PCLOSE、DPRNT、BPRNT可以实现进给速度、加工程序名、开始加工时间、结束加工时间、绝对坐标、机械坐标、已加工零件数等机床数据的采集[8]。POPEN指令用于建立与外部设备的连接，PCLOSE指令用于接触与外部设备的连接，BPRNT和DPRNT均是外部数据输出指令。例如，若要采集等离子切割机床割炬的机械坐标，则可在数控程序中嵌入如下指令：

其中#5021、#5022、#5023是系统变量，分别代表切割机割炬X轴、Y轴和Z轴的机械坐标。

5 原型系统开发与验证

本文板材切割车间数据采集系统使用C#语言开发适配器、代理端以及客户端的应用程序，适配器基于RS232、ModbusTCP等协议采集设备数据，适配器和代理端之间使用Socket套接字进行通信，代理端和客户端基于HTTP协议进行通信。

板材切割车间生产数据多源异构性决定了适配器（Adapter）采集车间设备生产数据方式的多样性。钢材预处理流水线和数控印字划线机采用在工控机中输入信息的方式将数据传输到适配器，等离子切割机的割炬实时电流数据基于ModbusTCP协议采用数据采集卡模块发送到适配器。带串口的切割机生产数据传输到串口服务器中，适配器通过Socket套接字读取实时信息。带网口的切割机数据采集较便捷，适配器使用基于Socket通信的FOCAS开发包采集机床生产数据。

打开适配器服务器，适配器会监听端口等待代理端连接。连接成功时，各适配器将采集的异构数据整理成标准格式报文发送到代理端。代理端是系统的核心，客户端与代理端之间的信息交互是MTConnect的重点。代理端和客户端之间主要使用REST接口进行通信，底层通信协议是HTTP。客户端向代理端提出请求，代理端会返回XML文档作为响应，客户端解析XML文档获取数据项内容。

为了验证系统可行性，在等离子切割机加工时在客户端进行试验，试验结果如图5所示。