船用發(fā)電機智能車間互聯(lián)互通標準試驗與驗證

丁衛(wèi)剛，李利民，畢晉燕

（山西汾西重工有限責任公司，太原 030027）

0 引言

船舶與海洋工程裝備制造業(yè)是為海洋資源的開發(fā)和海軍艦船建造提供技術裝備的現(xiàn)代綜合性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國家發(fā)展高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，也是我國實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略的重要支撐和基礎[1]。近年來，隨著我國船舶制造業(yè)的發(fā)展，船舶與海洋工程關鍵裝備需求也越來越多樣化，企業(yè)傳統(tǒng)的發(fā)展模式已經(jīng)跟不上國家海洋強國戰(zhàn)略的需求。因此，船舶與海洋工程裝備制造業(yè)不僅在技術和質量方面需進一步提升，以滿足目前船舶行業(yè)需求的多樣性和更高的性能指標，而且在制造方面也需不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展，以實現(xiàn)船舶與海洋工程裝備數(shù)字化制造、網(wǎng)絡化制造、智能化制造。

高技術船舶與海洋工程裝備數(shù)字化車間的建設是基于網(wǎng)絡、設備和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通標準的[2]。為解決各船舶與海洋工程裝備制造企業(yè)在實施智能制造過程中存在的方法多樣性、模式不統(tǒng)一、信息不兼容等問題，國家智能制造標準體系建設要求中提出了“智能制造、標準先行”[3]。為解決標準缺失、滯后以及交叉重復等問題，指導當前和未來一段時間內智能制造標準化工作，需要制定國家智能制造標準體系，包含智能制造跨行業(yè)、跨領域的基礎共性標準，關鍵技術標準和十大領域重點行業(yè)應用標準[4-5]。

本文主要探討了船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標準的制定及試驗驗證。

1 制約船用發(fā)電機智能制造的技術因素

船用發(fā)電機屬于高技術船舶與海洋工程裝備，其制造工藝復雜。制約船用發(fā)電機智能制造的因素有以下幾點：

1）生產(chǎn)模式。船用發(fā)電機具有多品種、小批量、系列化的特點，需根據(jù)客戶進行定制化生產(chǎn)。

2）質量控制方式。以多品種、小批量、系列化生產(chǎn)為特點的船用發(fā)電機不適用常規(guī)SPC控制方式。

3）數(shù)字化技術應用。由于船用發(fā)電機的生產(chǎn)工藝中包含獨有的鐵心、繞組等工藝，手工勞動比重大，其數(shù)字化基礎較差。

4）生產(chǎn)組織方式。

（1）加工。與大批量汽車零部件自動流水生產(chǎn)線不同，船用發(fā)電機使用的非標設備較多，因此相應的非標準工藝設備也較多；生產(chǎn)線主要以柔性生產(chǎn)線FMS為主，一條柔性生產(chǎn)線需用于生產(chǎn)十幾個以上的類似零部件；大型零部件則無法建立柔性生產(chǎn)線。

（2）物流。船用發(fā)電機具有較大的尺寸和較重的質量，上下料必須使用吊車或大型平板車。

（3）裝配。為提高裝配效率，一般在不同區(qū)域進行部件裝配與整機裝配，部件裝配完成后運至整機裝配待裝區(qū)域，開始整機裝配；船用發(fā)電機特有的繞組工藝，其手工勞動占比很大，裝配效率很低。

（4）試驗。船用發(fā)電機裝配完成后需進行長時間的性能試驗，以確保其滿足設計要求。

綜上，船用發(fā)電機制造業(yè)具有典型的離散制造的特點，要實現(xiàn)船用電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通，不僅需提高其數(shù)字化應用基礎，同時也需根據(jù)其生產(chǎn)模式進行相應的數(shù)字化建設。

2 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標準制定

制定船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標準，主要解決企業(yè)在建設船用發(fā)電機數(shù)字化車間過程中網(wǎng)絡互聯(lián)互通、設備互聯(lián)互通、信息交互等問題。通過構建船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡架構和業(yè)務架構，對數(shù)字化車間的網(wǎng)絡傳輸、設備互聯(lián)互通和信息交互等方面進行規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)在船用發(fā)電機數(shù)字化車間建設過程中的方法統(tǒng)一、模式統(tǒng)一和信息兼容。

在網(wǎng)絡傳輸要求方面，對互聯(lián)方式、互通方式和有線無線傳輸給出了明確要求；在設備互聯(lián)互通方面，對組成船用發(fā)電機數(shù)字化車間設備的數(shù)字化需求進行了合理歸納，并提出了相關要求；在信息交互方面，明確了交互信息的類型、傳遞形式和處理方式。

2.1 互聯(lián)互通總體架構

2.1.1 網(wǎng)絡架構

船用發(fā)電機數(shù)字化車間應能通過網(wǎng)絡將車間設備和控制系統(tǒng)連接起來，以構建船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡架構。如圖1所示，該網(wǎng)絡架構主要包括車間現(xiàn)場設備、可編程控制設備、可視化監(jiān)控設備、服務器、電子看板和 EPR/MES等。在數(shù)字化車間現(xiàn)場，有的裝備不能直接與控制中心進行通信，需要借助通信組件進行連接。

2.1.2 業(yè)務架構

船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通業(yè)務框架如圖 2所示，主要包括 PDM、ERP、MES和車間設備。

2.2 互聯(lián)互通網(wǎng)絡傳輸要求

數(shù)字化車間網(wǎng)絡環(huán)境的搭建是船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的基礎，通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡設備將分布于不同生產(chǎn)環(huán)境的各系統(tǒng)和數(shù)控、裝配等設備連接起來，打破原有業(yè)務流程和過程控制流程脫節(jié)而形成的“信息孤島”的局面，由此數(shù)據(jù)信息才能從底層設備貫穿至上層決策系統(tǒng)。網(wǎng)絡環(huán)境的搭建不僅關系到數(shù)字化車間數(shù)據(jù)通信的效率，也會影響制造執(zhí)行系統(tǒng)對車間排產(chǎn)任務的下達。船用發(fā)電機數(shù)字化車間網(wǎng)絡傳輸要求見表1和表2。

圖1 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通網(wǎng)絡架構

圖2 船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通業(yè)務架構

表1 有線網(wǎng)絡傳輸要求

表2 無線網(wǎng)絡傳輸要求

2.3 互聯(lián)互通設備要求

目前，我國大多數(shù)船用發(fā)電機生產(chǎn)企業(yè)的車間內大多數(shù)設備還處在單機自動化階段，車間設備大多沒有接入工控網(wǎng)絡，因此不能直觀地反映車間設備狀態(tài)、設備作業(yè)任務和物料供給情況等。根據(jù)船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通建設需要，規(guī)范車間加工設備、裝配設備、物流設備、網(wǎng)絡設備和用戶終端設備的數(shù)字化要求，是船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的設備基礎，同時數(shù)字化的設備也是實現(xiàn)數(shù)字化車間的重要組成部分。

在船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通建設過程中，加工設備應能基于現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備與 MES之間的通信，并應具備數(shù)據(jù)交互和故障報警等功能；裝配設備應能基于現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備與 MES之間的通信；物流設備應具備程序自動控制、手動控制或半自動控制功能，對于質量大的部分工件，若普通機器人難以進行上下料，則可通過吊車進行上下料，車間內部可通過運輸裝置實現(xiàn)工件在各工位間的自動流轉；船用發(fā)電機物流設備應能基于現(xiàn)場的工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)物流設備與中央控制系統(tǒng)的通信，物流設備應能夠根據(jù)指令將工件運至相應工位；網(wǎng)絡設備主要包括工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡設備和控制中心，工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡設備主要包括交換機、路由器、防火墻和網(wǎng)關，控制中心應能夠通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收集、指令下發(fā)和綜合控制；互聯(lián)互通用戶終端設備是面向用戶的，可顯示車間現(xiàn)場生產(chǎn)執(zhí)行、設備運行狀態(tài)監(jiān)控、物料管理等的信息。

2.4 互聯(lián)互通信息交互

船用發(fā)電機數(shù)字化車間通過網(wǎng)絡向制造執(zhí)行系統(tǒng)MES提交的信息類型應包括設備狀態(tài)信息、設備故障信息、生產(chǎn)狀態(tài)和質量檢測信息等；制造執(zhí)行系統(tǒng) MES向工控網(wǎng)絡傳遞的信息類型應包括生產(chǎn)計劃信息、生產(chǎn)物料信息和設備維護信息等。

船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通交互信息流如下：車間現(xiàn)場數(shù)控設備的傳感數(shù)據(jù)信息被收集、分類和整理，經(jīng)過過濾、剔除和合并等處理，進而在工控系統(tǒng)上進行控制、顯示和記錄等，最終相關信息數(shù)據(jù)被上傳至決策系統(tǒng)和業(yè)務系統(tǒng)。

3 標準驗證方案

通過建設船舶與海洋工程智能制造車間互聯(lián)互通標準試驗驗證體系，來實現(xiàn)標準的循環(huán)迭代優(yōu)化；通過建設標準試驗驗證平臺，對標準內容歸納出不同的驗證場景，列出各驗證場景的設計目的、設計方案、場景工作流程、內容設計、案例設計、操作步驟及過程和驗證結論，同時出具現(xiàn)場驗證關系對照表，確保能驗證標準的所有內容，實現(xiàn)船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通的架構驗證、網(wǎng)絡傳輸驗證、設備互聯(lián)互通驗證和信息交互驗證等，最終形成現(xiàn)場驗證報告，并根據(jù)行業(yè)特色形成企業(yè)應用示范報告。

4 結束語

本文通過制定船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通標準，給出船用發(fā)電機數(shù)字化車間互聯(lián)互通中的網(wǎng)絡傳輸、設備互聯(lián)互通、信息交互要求，為船用發(fā)電機的智能制造提供參考模式，對傳統(tǒng)制造業(yè)有一定的參考價值。