軍工防爆車間數(shù)據(jù)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(yè)部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

近年來，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)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(fā)展[1]。

以產(chǎn)品整個生命周期的相關數(shù)據(jù)作為基礎的數(shù)字化制造是我國未來形成新的商業(yè)模式和經(jīng)濟增長點， 產(chǎn)生深遠的產(chǎn)業(yè)變革[2]。 防爆車間對環(huán)境等因素有嚴格的要求， 目前大多數(shù)防爆車間生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造管理提升的水平不大，尤其是在數(shù)字化工藝、在線質(zhì)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(chǎn)效率低。軍工防爆車間內(nèi)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)可以有效地提高對生產(chǎn)線生產(chǎn)制造的管理水平，提高生產(chǎn)線效率。

數(shù)據(jù)是智能制造的核心要素。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是智能制造的基礎，是實現(xiàn)生產(chǎn)線智能運維的信息通道，是實現(xiàn)對生產(chǎn)實時管控的前提。 文獻[3]研發(fā)了一套基于PLC 數(shù)據(jù)采集的玻璃生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)[3]，可以通過組態(tài)軟件進行生產(chǎn)工序控制。 文獻[4]建立了一套基于FPGA 的串行多節(jié)點數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)[4]，通過采集點的“總線模型”實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。 綜上所述，國內(nèi)外在各種車間生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上已經(jīng)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(fā)， 結合數(shù)據(jù)采集技術及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關技術， 對防爆車間的數(shù)據(jù)采集技術進行研究， 結合某裝藥裝配生產(chǎn)線的防爆車間進行應用驗證，實現(xiàn)對防爆車間的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集，促進生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理水平，提升車間的生產(chǎn)能力。

1 防爆車間數(shù)據(jù)采集

1.1 現(xiàn)狀

軍工裝備制造企業(yè)的數(shù)字化制造技術目前應用在工藝設計環(huán)節(jié)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(chǎn)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(chǎn)大都以手工為主； ②生產(chǎn)制造信息與物聯(lián)網(wǎng)融合度低；③防爆車間生產(chǎn)環(huán)境安全性要求高；④防爆車間對網(wǎng)絡的要求，不能使用無線網(wǎng)絡，采集數(shù)據(jù)的設備均要進行防爆處理。

1.2 采集需求

裝藥裝配生產(chǎn)車間屬于高危作業(yè)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(nèi)的生產(chǎn)線對數(shù)據(jù)采集方式及數(shù)據(jù)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(chǎn)數(shù)據(jù)， 無法作為車間智能運維系統(tǒng)的自動化和持續(xù)化的數(shù)據(jù)源。

1.3 防爆要求

根據(jù)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(chǎn)生火花、電弧成為爆炸性混合物的危險源。 根據(jù)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(nèi)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(chǎn)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(zhì)安全型設備是指在設備正常或者故障時產(chǎn)生的火花和高溫都不會被點燃爆炸混合物。

2 制造數(shù)據(jù)采集技術研究

2.1 數(shù)據(jù)采集結構

工業(yè)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集是利用各種工業(yè)協(xié)議驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集平臺對環(huán)境因素、生產(chǎn)線設備、運行狀態(tài)信息的采集。 生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集結構如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集結構

生產(chǎn)線工業(yè)設備的數(shù)據(jù)采集接入主要有以下兩種方式。 方式一，數(shù)據(jù)采集平臺將各種工業(yè)協(xié)議進行集成，直接與設備層的各種類設備進行網(wǎng)絡連接并進行數(shù)據(jù)解析。此類連接方式設備種類多，對于以太網(wǎng)的接口支持困難， 需要將目前常用的控制器局域網(wǎng)的RS485 等物理接口進行轉(zhuǎn)接。 方式二，工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關進行驅(qū)動集成。網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)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(xié)議種類。

2.2 OPC 協(xié)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(xiàn)在是一種用于工業(yè)自動化的通信標準。 OPC 設計目的是為基于微軟操作系統(tǒng)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(xié)議中定義了訪問現(xiàn)場設備的一致性方法。 不論數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集技術

本文中防爆車間內(nèi)生產(chǎn)線設備的采集主要是工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集。 其中現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集可以分為3 種：對傳感器、采集器等專用的數(shù)采設備的數(shù)據(jù)采集；對PLC、嵌入式系統(tǒng)等通用控制設備的數(shù)據(jù)采集；對AGV、數(shù)控機床等智能設備的數(shù)據(jù)采集。 裝藥裝配車間的設備以及數(shù)據(jù)采集方式如表1 所示。

表1 設備數(shù)據(jù)采集

3 應用實現(xiàn)

3.1 硬件實施方案

針對不同車間不同生產(chǎn)過程中的人員、物料、工藝數(shù)據(jù)、制造環(huán)境、裝藥設備等對象，根據(jù)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(lián)網(wǎng)，構建以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎的生產(chǎn)線傳感網(wǎng)絡。在裝藥工房的生產(chǎn)車間內(nèi)部署線纜均要穿入防爆軟管。 網(wǎng)絡建設拓撲圖如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡建設拓撲圖

網(wǎng)絡建設分為兩部分，一部分是RS485 通訊網(wǎng)絡，一部分是TCP/IP 網(wǎng)絡。 RS485 網(wǎng)絡主要是連接各個傳感器設備，并向監(jiān)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(xié)議， 每組傳感器均接入RS485 集線器。為了集中統(tǒng)一管理，由RS485 集線器轉(zhuǎn)成TCP/IP 協(xié)議，接入傳感網(wǎng)絡交換機，將數(shù)據(jù)傳入傳感網(wǎng)絡監(jiān)控主機系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件

使用基于Windows 平臺的.NET 環(huán)境， 使用C# 編程語言在Visual Studio 2019 上進行數(shù)據(jù)采集程序的采集顯示界面和設備信號配置網(wǎng)頁開發(fā)。 裝藥裝配生產(chǎn)過程中與質(zhì)量相關數(shù)據(jù)的安全采集是實現(xiàn)數(shù)字化管控的基礎，裝藥裝配過程數(shù)據(jù)處理主要包括：

（1）裝藥裝配過程的數(shù)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(shù)字化建模。建模分類如圖3 所示。在對數(shù)據(jù)進行圖3 的建模分類后，將數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫，應用層的各個模塊統(tǒng)一從數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)獲取。

圖3 建模分類

（2）異構數(shù)據(jù)統(tǒng)一準確采集技術。采用傳輸協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術、 總控系統(tǒng)集成技術等實現(xiàn)生產(chǎn)線設備的數(shù)據(jù)采集。 C# 的數(shù)據(jù)采集程序?qū)υO備的通用運行狀態(tài)信息定義如表2 所示。

表2 設備通用狀態(tài)表

3.3 運行情況

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)上電運行， 實現(xiàn)對車間內(nèi)的裝藥裝配生產(chǎn)線的實時數(shù)據(jù)的采集。通過大屏上的應用系統(tǒng)，顯示生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀態(tài)信息， 實現(xiàn)對防爆車間內(nèi)生產(chǎn)設備的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。 采集程序采集到的部分數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序界面

4 結束語

筆者基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集技術研究， 實現(xiàn)了對軍工防爆車間裝藥裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 解決了裝藥裝配車間高要求生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集難點問題， 提高了車間生產(chǎn)的信息化水平。通過了系統(tǒng)半年的試運行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定運行， 驗證了方案在防爆車間下生產(chǎn)現(xiàn)場的可靠性。