軍工防爆車間數據采集技術研究及應用

肖乾柯， 劉治紅， 邱 楓， 趙智聰

（中國兵器裝備集團自動化研究所 智能制造事業部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

近年來，智能制造裝備產業受到國家的高度重視，一系列鼓勵政策的支持下裝備的智能制造快速發展[1]。

以產品整個生命周期的相關數據作為基礎的數字化制造是我國未來形成新的商業模式和經濟增長點， 產生深遠的產業變革[2]。 防爆車間對環境等因素有嚴格的要求， 目前大多數防爆車間生產線的生產制造管理提升的水平不大，尤其是在數字化工藝、在線質量檢測、物料和可視化管控等方面技術短缺，在物料搬運、設備維護等方面耗費大量的時間，生產效率低。軍工防爆車間內生產線的數據采集實現可以有效地提高對生產線生產制造的管理水平，提高生產線效率。

數據是智能制造的核心要素。 數據采集系統是智能制造的基礎，是實現生產線智能運維的信息通道，是實現對生產實時管控的前提。 文獻[3]研發了一套基于PLC 數據采集的玻璃生產流水線控制系統[3]，可以通過組態軟件進行生產工序控制。 文獻[4]建立了一套基于FPGA 的串行多節點數據采集傳輸系統[4]，通過采集點的“總線模型”實現數據采集。 綜上所述，國內外在各種車間生產線的數據采集系統上已經做了很多的技術研究和成果， 而針對防爆車間等有特殊要求的研究和應用較少。

本文從軍工防爆車間的嚴格要求出發， 結合數據采集技術及工業物聯網相關技術， 對防爆車間的數據采集技術進行研究， 結合某裝藥裝配生產線的防爆車間進行應用驗證，實現對防爆車間的生產線數據采集，促進生產線的生產管理水平，提升車間的生產能力。

1 防爆車間數據采集

1.1 現狀

軍工裝備制造企業的數字化制造技術目前應用在工藝設計環節較多，對于制造過程的管控水平較低，主要有以下幾個問題：①車間制造工藝自動化、智能化水平低。生產加工大多是以機械加工和半自動化為主， 打磨工藝和裝配生產大都以手工為主； ②生產制造信息與物聯網融合度低；③防爆車間生產環境安全性要求高；④防爆車間對網絡的要求，不能使用無線網絡，采集數據的設備均要進行防爆處理。

1.2 采集需求

裝藥裝配生產車間屬于高危作業場所， 對安全等級和范圍提出了極高的要求， 特別是防爆車間內的生產線對數據采集方式及數據采集單元選擇方面更加嚴格。 目前裝藥裝配車間依賴工人的手工填寫生產數據， 無法作為車間智能運維系統的自動化和持續化的數據源。

1.3 防爆要求

根據裝藥裝配車間的特征和防爆要求， 保持電氣設備和電氣線路的安全運行，需要運行時電流、電壓和溫度不能超過允許范圍，包括絕緣良好、連接和接觸完好無損等要求，結構上需要防止運行時產生火花、電弧成為爆炸性混合物的危險源。 根據防爆結構的不同可以分為以下幾種類型： 隔爆型設備是具有承受內部的混合物爆炸而其外殼不受到損壞的電氣設備； 增安型設備是在正常運行時不產生火花或高溫的電氣設備上采取措施增強安全的電氣設備[5]；本質安全型設備是指在設備正常或者故障時產生的火花和高溫都不會被點燃爆炸混合物。

2 制造數據采集技術研究

2.1 數據采集結構

工業生產線的數據采集是利用各種工業協議驅動的數據采集平臺對環境因素、生產線設備、運行狀態信息的采集。 生產設備數據采集結構如圖1 所示。

圖1 生產設備數據采集結構

生產線工業設備的數據采集接入主要有以下兩種方式。 方式一，數據采集平臺將各種工業協議進行集成，直接與設備層的各種類設備進行網絡連接并進行數據解析。此類連接方式設備種類多，對于以太網的接口支持困難， 需要將目前常用的控制器局域網的RS485 等物理接口進行轉接。 方式二，工業數據采集網關進行驅動集成。網關作為數據采集平臺和設備之間的橋梁， 可以減少采集平臺需要支持的協議種類。

2.2 OPC 協議

開放平臺通信 （Open Platform Communication） 簡稱OPC，以前被稱為“用于過程控制的OLE（Object Linking and Embedding，對象鏈接與嵌入）”，現在是一種用于工業自動化的通信標準。 OPC 設計目的是為基于微軟操作系統的軟件應用程序與程序控制硬件之間提供一座橋梁。OPC 在協議中定義了訪問現場設備的一致性方法。 不論數據的來源及類型如何，方法都是不變的。某一硬件設備的OPC 服務器提供給其他OPC Client 訪問數據的方式，和其他設備的OPC 服務器提供的方式都是一樣的。 減少了各類廠商花在處理這類問題和對接相關接口的時間和精力。

2.3 數據采集技術

本文中防爆車間內生產線設備的采集主要是工業現場設備的數據采集。 其中現場設備的數據采集可以分為3 種：對傳感器、采集器等專用的數采設備的數據采集；對PLC、嵌入式系統等通用控制設備的數據采集；對AGV、數控機床等智能設備的數據采集。 裝藥裝配車間的設備以及數據采集方式如表1 所示。

表1 設備數據采集

3 應用實現

3.1 硬件實施方案

針對不同車間不同生產過程中的人員、物料、工藝數據、制造環境、裝藥設備等對象，根據安全、防爆的要求，選擇安全、可靠、適應的傳感器，并將各類傳感設備進行聯網，構建以工業以太網為基礎的生產線傳感網絡。在裝藥工房的生產車間內部署線纜均要穿入防爆軟管。 網絡建設拓撲圖如圖2 所示。

圖2 網絡建設拓撲圖

網絡建設分為兩部分，一部分是RS485 通訊網絡，一部分是TCP/IP 網絡。 RS485 網絡主要是連接各個傳感器設備，并向監控主機傳遞信號。溫濕度、氣壓、粉塵等傳感器， 接口全部采用RS485 通訊協議， 每組傳感器均接入RS485 集線器。為了集中統一管理，由RS485 集線器轉成TCP/IP 協議，接入傳感網絡交換機，將數據傳入傳感網絡監控主機系統。

3.2 數據采集軟件

使用基于Windows 平臺的.NET 環境， 使用C# 編程語言在Visual Studio 2019 上進行數據采集程序的采集顯示界面和設備信號配置網頁開發。 裝藥裝配生產過程中與質量相關數據的安全采集是實現數字化管控的基礎，裝藥裝配過程數據處理主要包括：

（1）裝藥裝配過程的數字化建模。對裝藥裝配過程的組織、人員、設備、工藝工程等進行數字化建模。建模分類如圖3 所示。在對數據進行圖3 的建模分類后，將數據存入MySQL 數據庫，應用層的各個模塊統一從數據庫進行數據獲取。

圖3 建模分類

（2）異構數據統一準確采集技術。采用傳輸協議統一轉換技術、 總控系統集成技術等實現生產線設備的數據采集。 C# 的數據采集程序對設備的通用運行狀態信息定義如表2 所示。

表2 設備通用狀態表

3.3 運行情況

數據采集系統實現上電運行， 實現對車間內的裝藥裝配生產線的實時數據的采集。通過大屏上的應用系統，顯示生產現場的生產狀態信息， 實現對防爆車間內生產設備的數據實時監控。 采集程序采集到的部分數據如圖4 所示。

圖4 數據采集程序界面

4 結束語

筆者基于現有的數據采集技術研究， 實現了對軍工防爆車間裝藥裝配生產線的數據采集系統， 解決了裝藥裝配車間高要求生產環境下的數據采集難點問題， 提高了車間生產的信息化水平。通過了系統半年的試運行，數據采集系統穩定運行， 驗證了方案在防爆車間下生產現場的可靠性。