基于MTConnect的船舶板材切割车间数据采集系统研究.docx

?

?

基于MTConnect的船舶板材切割车间数据采集系统研究

?

?

姚振宇刘会霞王霄

摘??要：针对船舶板材切割车间具有不同通信协议与接口的异构设备需要进行数据采集的问题，开发了一套基于MTConnect的船舶板材切割车间数据采集系统。文章分析了切割车间设备具体组件以及能够采集的数据项，基于MTConnect建立车间设备的数据模型，用C#语言和美国制造技术协会提供的开发包实现了船舶板材切割车间异构设备互联互通的数据采集系统。通过对等离子切割机床实际加工时进行测试，结果表明该数据采集系统能实时获取切割车间设备数据。

关键词：MTConnect;船舶板材切割车间;数据采集

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，其关键就是实现制造车间信息化与工业化的结合。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[1]。

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[2]。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3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。

（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，使用过高割炬电流、过快进给速度，降低了板材切割質量。

（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。

（1）管理应用层，车间数据采集系统的顶层。应用层通过企业局域网与数据服务层进行交互，将生产计划发送到代理层，并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，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，其主要功能是响应管理应用层的客户端请求，同时将应用层发送的生产计划下发到各自工位的数据采集层。

（3）网络传输层，车间数据采集系统的第三层，