應用于民用航天設備生產的物聯網系統

夏守先

技術應用

應用于民用航天設備生產的物聯網系統

夏守先

（廣州市龍玥電氣科技有限公司，廣東 廣州，510120）

為滿足民用航天設備質量高、生產周期短等要求，針對傳統裝配作業能力不平衡、周期長、效率低、質量一致性難以保證等問題，提出應用于民用航天設備生產的物聯網系統。基于民用航天設備數字化裝配流程，設計物聯網系統，實現多源異構生產設備的智能感知、互聯互通，并縮短生產周期，使民用航天設備裝配向自動化、數字化、網絡化模式轉變。

民用航天設備；數字化裝配；物聯網系統；設備管控

0 引言

隨著我國航天事業的飛速發展，越來越多的航天技術成果得以向民用轉化。民用航天技術是以民事應用為目的，開發和利用太空的一門綜合性工程技術，是國家綜合實力的集中體現[1]。《中國制造2025》提出：加快推進國家民用空間基礎設施建設，發展新型衛星等空間平臺與有效載荷、空天地寬帶互聯網系統，形成長期持續穩定的衛星遙感、通信、導航等空間信息服務能力。目前，我國民用航天技術與世界發達國家相比較落后，其原因主要有：部分民用航天技術不適合市場發展的需求；民用航天設備投資規模大、耗時長、研制難度大[2]。裝配是民用航天設備研制的重要環節，具有時間長，生產管理信息量大等特點[3]。為實現產能目標，提高民用航天設備裝配效率，本文設計了應用于民用航天設備生產的物聯網系統。

應用于民用航天設備生產的物聯網系統以智能化、數字化和集控管控為目標，實現多源異構生產設備的智能感知、智能互聯；采用大數據、人工智能等技術對生產設備數據進行集中管理及分析應用，實現生產設備的智能決策和智能控制，并滿足設備遠程管理與監控需求。

1 數字化裝配流程

民用航天設備數字化裝配工序流程圖如圖1所示，其工序流程如下：

1）標準件、儀器等零部件入廠復檢、貼碼/噴碼，自動化入庫、數字化存儲；

2）艙段殼體入廠復檢、貼碼/噴碼，自動化入庫、數字化存儲；

3）按計劃對部裝車間進行排產、自動生成配送單；

4）標準件智能立體倉庫出庫，人工分揀成套；

5）自動導引車（automated guided vehicle，AGV）自動配送標準件、艙段殼體；

6）采集艙段裝配、檢測過程中的數據，為智能決策、控制提供數據基礎；

7）艙段裝配完成后由AGV運送至周轉區；

8）按計劃對總裝車間進行排產、自動生成配送單；

9）平板車配送各艙段至總裝車間緩存區緩存；

10）車間行車吊裝上線；

11）一二三級體裝配及測試；

12）采集裝配、測試數據，為智能決策、控制提供數據基礎；

13）裝箱發運。

根據裝配工序流程，結合工序特點，裝配車間整體布局為：車間內布置2條地軌、2套有軌制導車（rail guided vehicle, RGV）調姿平臺和2套AGV輸送調姿平臺[4-5]。該裝配車間同時滿足裝配兩發的需求，實現裝配過程中物料的自動識別、跟蹤定位、加工控制及各階段物料的工藝狀態、質量狀況等信息自動采集、分析與優化決策。

圖1 民用航天設備數字化裝配工序流程圖

2 物聯網系統

應用于民用航天設備生產的物聯網系統在基礎環境和網絡安全的支撐下，分為設備感知/數據采集層、數據存儲層、數據處理層、數據融合與分析層、數據利用層，框架如圖2所示。其中，基礎環境提供感知端口、工業總線、工業網絡、數據服務和應用服務，為設備互聯互通、數據存儲和系統運行提供軟硬件環境；網絡安全提供接入控制、訪問控制、病毒防殺、邊界防護、主機防護等網絡安全防護措施，確保設備網絡安全可靠；設備感知/數據采集層采集生產設備實時狀態數據和運行數據；數據存儲層包含實時數據庫和歷史數據庫，集中存放來自設備感知/數據采集層的數據；數據處理層對數據進行清洗和規范化，并發送至目標DNC，MDC，DCS，OPC等控制系統和中間件；數據融合與分析層通過對歷史數據的挖掘，形成各類主題報表；數據利用層實現設備養護、能力平衡及遠程控制等應用。

圖2 應用于民用航天設備生產的物聯網系統框架

3 物聯網系統設計

3.1 多源異構設備感知

針對不同型號生產設備的異構工作參數，設計集多參數感知于一體的傳感裝置，實現機械加工、特種加工、精益裝配、環境試驗、工藝檢測、計量檢測等多源異構生產設備的多參數感知。

對于不具備數控功能的傳統生產設備進行智能化升級，通過增加傳感器、智能儀表、智能采集模塊、網絡通訊等嵌入式系統，實現設備數據感知，其框圖如圖3所示。

圖3 嵌入式設備感知框圖

對于具備傳感器、控制器或控制軟件等數控功能的生產設備，通過協議轉換器、適配器和集成接口將控制器或控制軟件中的設備數據轉換為統一的數據格式，并集成到設備智能管控平臺[6]，其框圖如圖4所示。

圖4 智能設備感知框圖

3.2 多協議的設備互聯互通

面向多源異構生產設備，開發支持ModBus，CAN，Profibus，Ethercat等多通信協議的互聯互通適配器。通過適配器對不同廠商、不同型號設備的通信協議進行解析和轉換，實現異構通信協議的生產設備互聯與實時通訊，并實現民用航天設備與設備智能管控平臺之間的互聯互通。其框圖如圖5所示。

圖5 多協議互聯互通框圖

3.3 分級保護的設備網絡安全保障

將安全防御和分級保護技術應用于設備網絡安全保障，實現數據加密、內容過濾、行為審計、數據備份等網絡安全防護功能，確保設備互聯網絡安全可靠[6]。應用于民用航天設備生產的物聯網分級保護網絡架構如圖6所示。

圖6 分級保護網絡架構

3.4 跨平臺的設備管控服務

可基于Java EE技術架構搭建跨平臺、可伸縮、易集成、易維護的多層設備智能管控平臺，提供設備地圖導航、可視化展示、數據管理、狀態監視、KPI指標分析、能力平衡、養護管理、設備控制、網絡安全等服務。設備智能管控平臺包括客戶層、應用層、服務層和數據層。其中，客戶層通過HTTP協議連接訪問Web應用服務器，平臺采用IE/Chrome瀏覽器作為客戶層應用；應用層包括表示層和業務層，表示層生成動態Web頁面及轉發客戶端請求和數據，業務層實現低功能耦合的各類業務處理Bean；服務層部署各類Web Service服務組件；數據層部署于關系數據庫管理平臺上，由完成服務所必須訪問的數據資源組成。

3.5 數據驅動的設備故障分析及養護

基于關系數據庫平臺集中存儲和統一管理設備數據，應用數據挖掘技術從性能劣化、精度衰減、能力損失、結構性偏差、自然老化等方面進行設備故障分析和預測，從而徹底改變被動等待維修為主動預防性養護，不僅縮短設備運維時間，而且降低設備故障引發的生產擾動。

3.6 設備數據多維度分析及可視化展示

實現設備歷史數據挖掘，從利用率、故障率、運行狀態趨勢等多維度形成設備主題數據，并進行分級、分層可視化直觀展示[7]。設備數據多維分析框圖如圖7所示。

圖7 設備數據多維分析框圖

4 結語

本文設計的應用于民用航天設備生產的物聯網系統已經在某民用航空設備制造集團公司實施應用，各類生產設備接入500多臺套，實現了公司90%生產設備的在線監控，提高了民用航天設備在線管控綜合能力。目前系統運行穩定，后續將對系統進一步優化，擴充功能，提高性能，實現民用航天設備在離散制造業中的產業化。

[1] 薛春珍.我國航天民用產業發展前景及趨勢[J].中國航天,2020(3):50-53.

[2] 吳寶中,李國喜,龔京忠,等.面向航天產品的裝配數據庫體系研究[J].國防制造技術,2009,3(1):43-47.

[3] 李佳樂.淺析航空航天設備制造與控制技術現狀及發展趨勢[J].通訊世界,2017,(24):288-289.

[4] 郭具濤,洪海波,鐘珂珂,等.基于數字孿生的航天制造車間生產管控方法[J].中國機械工程,2020,31(7):808-814.

[5] 陳洪雁,萬俊偉,李文溯,等.航天試驗業務網的智慧物聯感知體系架構研究與應用[J].現代電子技術,2020,43(13):21-24.

[6] 王云良,杜蘭,程熙,等.面向智能裝備制造的工業企業網絡安全綜合防護平臺[J].中國儀器儀表,2020(12):21-26.

[7] 葉遠龍.大數據背景下企業設備管理策略研究[J].信息系統工程,2020(8):38-39.

Internet of Things System for Civil Aerospace Equipment Production

Xia Shouxian

(Guangzhou Longyue Electric Technology Co., Ltd, Guangzhou 510120, China)

In order to meet the requirements of high quality and short production cycle of civil aerospace equipment, aiming at the problems of traditional assembly operation capacity imbalance, long cycle, low efficiency and difficult to guarantee quality consistency, the Internet of things system applied to civil aerospace equipment production is proposed. Based on the digital assembly process of civil aerospace equipment, the Internet of things system is designed to realize the intelligent perception and interconnection of multi-source heterogeneous production equipment, shorten the production cycle, and change the assembly mode of civil aerospace equipment to automation, digitization and networking.

civil aerospace equipment; production and assembly; Internet of things system; equipment management and control

TP29

A

1674-2605(2021)02-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.02.008

夏守先，男，1976年生，本科，工程師，主要研究方向：自動控制及儀器儀表。E-mail: 2782157865@qq.com