杜毅博， 王國法， 曾慶良

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部， 北京 100013； 2.山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島 266590；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院， 北京 100013)

液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)

杜毅博1,2,3， 王國法1,3， 曾慶良2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部， 北京 100013； 2.山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島 266590；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院， 北京 100013)

為確保智能焊接工藝適用于支架結構件生產，提高設備利用率，保證焊接質量，充分發(fā)揮智能焊接車間優(yōu)勢，研究了基于制造執(zhí)行系統(tǒng)的液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)總體模型及其網絡架構，分析了系統(tǒng)功能需求，并建立了系統(tǒng)數據庫模型；詳細介紹了智能焊接車間生產信息數據采集模塊的設計，該模塊實現了車間現場信息的全面采集。實際應用結果表明，該系統(tǒng)實現了企業(yè)決策層和生產現場的有效數據溝通，保證了液壓支架的生產質量和效率。

液壓支架； 智能焊接車間； 生產信息管控； 制造執(zhí)行系統(tǒng)

0 引言

隨著中國工業(yè)的迅猛發(fā)展，機器人焊接技術已廣泛應用于汽車、航天、船舶等機械制造領域。為保證焊接質量與效率，減少焊接工人數量，改善工人的勞動環(huán)境，煤機制造行業(yè)特別是煤礦液壓支架制造已逐步開始應用焊接機器人完成生產任務，并以焊接機器人為核心，逐步建成液壓支架智能焊接車間[1]。所謂液壓支架智能焊接車間，就是根據液壓支架焊接的工藝流程順序，搭建不同生產工位，并應用智能物流小車搭載工件在各個工位之間轉運焊接，應用焊接機器人實現工件的智能焊接。

液壓支架為多品種、小批量產品，不同型號產品需要編制不同程序；支架主要由結構件組成，多為格子間結構，焊縫極多，加工工藝復雜，焊接質量要求高；支架生產涉及多種工序，每個操作可能涉及不同的物料、設備、工具及文檔，這些資源分布較分散。為保證液壓支架制造質量，提高生產效率，必須對液壓支架智能焊接車間進行統(tǒng)一管理，合理調配車間生產資源，進行設備與人員的管理及生產質量的追溯，發(fā)揮智能焊接車間的優(yōu)勢。

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)是面向車間層的生產管理和優(yōu)化運行管理軟件，擁有制造過程所有靜態(tài)和動態(tài)的數據，形成巨大的制造數據集合，為車間生產管理及質量追溯提供了豐富的數據基礎。本文基于MES系統(tǒng)研究適用于液壓支架智能焊接車間的生產信息管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了企業(yè)決策層和生產現場的有效數據溝通，保證了液壓支架的生產質量和效率。

1 系統(tǒng)模型及架構

1.1 系統(tǒng)模型

MES系統(tǒng)介于生產計劃層與設備控制層之間，具有承上啟下的樞紐作用，為液壓支架智能焊接車間現場制造過程管理、控制和監(jiān)測提供統(tǒng)一工作平臺[2]。根據對液壓支架智能焊接生產流程的實際調研，結合MES系統(tǒng)特點及其與企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)和產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)之間的關系，建立適用于液壓支架智能焊接車間的生產信息管控系統(tǒng)總體模型，如圖1所示。

由圖1所示模型，可歸納出基于MES系統(tǒng)的液壓支架生產流程。生產計劃部分接收訂單任務信息后，基于ERP系統(tǒng)，一方面根據合同任務信息及物流庫存情況制定采購計劃，一方面根據產品技術資料，將液壓支架生產任務根據其結構拆解為頂梁、掩護梁、底座和連桿等不同部件，制定生產計劃，下達生產圖紙、生產工藝和質量標準。車間管理人員接到生產任務后根據PDM系統(tǒng)下發(fā)的生產工藝圖紙將任務拆解為各個焊接工藝流程，系統(tǒng)根據數據采集設備所反饋的設備資源狀況將各焊接任務及相應的焊接程序下發(fā)到各個焊接工作站，通過物流小車帶動工件完成各焊接工藝任務。在整個生產過程中，可對整個生產資源的狀態(tài)信息進行統(tǒng)計和分析，包括設備運行狀態(tài)及關鍵焊接參數采集、生產進度、人員考勤、工時統(tǒng)計、物料消耗等，以報表形式反饋給車間管理部門，以便更好地調動車間生產資源，進行質量回溯。

圖1 系統(tǒng)總體模型

1.2 系統(tǒng)網絡架構

基于MES的液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)涉及到車間管理人員、車間工作人員、智能焊接機器人、物流小車、工件組對系統(tǒng)等多類別人員和設備，因此，設計了混合型網絡拓撲結構，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網絡架構

系統(tǒng)硬件架構分為底層、中間層、上層共3層。底層是數據采集層，應用串口服務器、PLC等一方面通過Profibus總線獲取設備通信狀態(tài)，一方面通過傳感系統(tǒng)采集關鍵參數，從而獲取現場生產焊接數據。中間層是數據存儲層，應用Oracle數據庫存儲數據，并通過軟件接口連接ERP數據庫及PDM數據庫，共享信息，方便統(tǒng)一管理。上層是數據監(jiān)控層，通過MES的各個功能模塊下達車間生產管理指令，并對生產過程數據進行監(jiān)測、分析，進行質量回溯，形成生產監(jiān)控閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)功能設計

液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)以Oracle為底層數據庫，VS2008軟件為上位開發(fā)軟件。該系統(tǒng)可采集焊接機器人工作站、加工中心和其他設備的相關信息，實現對車間內所有生產信息的監(jiān)視和控制；可為生產計劃排產提供數據依據；實現生產實時監(jiān)控、設備故障診斷、設備維護管理等功能，并能對設備操作和管理人員進行授權。系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)基于B/S架構進行開發(fā)，通過網頁的方式即可登錄，實現車間設備的在線管理、實時監(jiān)控和歷史數據的查詢、分析及報表輸出等，方便快捷，對用戶端的配置要求較低，且便于升級。系統(tǒng)包括生產管理模塊、設備管理模塊、故障診斷模塊和品質管理模塊四大基本模塊。生產管理模塊包括生產計劃安排、變更和下達，工件信息統(tǒng)計及焊絲保護氣等使用信息的統(tǒng)計等；設備管理模塊包括設備保養(yǎng)及備品備件準備的提醒、設備使用效率統(tǒng)計等；故障管理模塊包括對設備故障信息的匯總及故障原因提示等；品質管理模塊對車間設備(如物流小車、焊接機器人等)進行工況數據監(jiān)測，并對工件歷史焊接參數進行存儲、查詢、分析等。

系統(tǒng)的最大特點在于可對設備操作及管理人員設置不同權限，避免了不必要的誤操作。

2.2 系統(tǒng)數據庫設計

為使系統(tǒng)結構功能和各個模塊之間的關系更清晰具體，建立了系統(tǒng)數據庫物理模型[3]，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數據庫物理模型

系統(tǒng)數據庫模型設計過程中，綜合考慮了數據交互的時效性、數據安全性及工作人員的登錄權限等因素。限于篇幅，本文只介紹系統(tǒng)主要數據庫的設計。

2.3 系統(tǒng)數據流研究

基于MES的液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)數據流如圖5所示。

圖5 液壓支架智能車間數據流

數據采集模塊是生產信息管控系統(tǒng)的核心，為整個系統(tǒng)提供了極其關鍵的生產現場信息。由于支架生產呈多品種、小批量的離散制造特點，所以生產過程數據必須要帶有清晰的時標，并應確保數據的完整性。數據緩存模塊具有數據校驗及緩存功能，能夠確保在斷網的情況下設備數據不丟失。車間現場的實時數據與歷史數據分開傳輸，實時數據通過通信模塊傳輸至網頁服務器暫存與顯示，指示當前設備工作狀態(tài)；歷史數據加蓋時間戳及焊接工作狀態(tài)，并打包傳輸至數據服務器進行存儲，以實現對產品焊接關鍵參數歷史數據的追溯，還原最真實的數據現場。

3 數據采集模塊研究

由于液壓支架智能焊接車間內設備種類繁多、各設備的接口協(xié)議難以統(tǒng)一、設備工況監(jiān)測數據不夠全面、工作人員操作信息難以記錄等問題，液壓支架智能焊接車間管理與生產容易發(fā)生脫節(jié)，設備利用率難以有效提高。數據采集模塊將企業(yè)決策層與生產現場聯(lián)成統(tǒng)一整體，保證了車間資源的合理調配及產品質量回溯[4-6]。數據采集模塊包括焊接機器人信息采集子系統(tǒng)、智能物流小車信息采集子系統(tǒng)及輔助信息采集子系統(tǒng)。

3.1 焊接機器人信息采集子系統(tǒng)

焊接機器人信息采集子系統(tǒng)主要采集焊接過程中的關鍵參數及機器人的工作狀態(tài)信息。該子系統(tǒng)以Q02UCPU為MCU核心，一方面通過Profibus總線與機器人控制器通信，獲取焊接機器人的工作狀態(tài)及報警信息等；另一方面通過電壓變送器、電流互感器、紅外測溫器等實現對產品焊接過程中關鍵參數的測量。為便于觀察機器人焊接的具體情況，在工作站附近安裝高清攝像頭，實現對該站工作情況的整體監(jiān)控。焊接機器人信息采集子系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 焊接機器人信息采集子系統(tǒng)

3.2 智能物流小車信息采集子系統(tǒng)

智能物流小車由子車和母車組成，子車承載備焊工件，母車背負著子車在縱向導軌上往復運動，到達不同工位后完成指定焊接操作。智能物流小車信息采集子系統(tǒng)包括工件重力感應模塊、母車速度檢測模塊、母車定位檢測模塊、子小車定位檢測模塊及若干視頻監(jiān)測模塊，如圖7所示。

圖7 智能物流小車信息采集子系統(tǒng)

母車速度檢測模塊由多個編碼傳感器組成，在母車行進過程中精確獲取母車的運行速度與行進位置。母車定位檢測模塊由紅外距離傳感器和接近開關組成，保證母車可以停在焊接工位位置；工件重力感應模塊由若干重力傳感器組成，當工件上料到物流系統(tǒng)上時，通過重力感應檢測工件是否在子車上安放妥當。子車定位檢測模塊由紅外距離傳感器和接近開關組成，確保子車帶動工件精確上料到焊接夾具，并由工件裝夾定位檢測模塊檢測工件是否安裝到位。在物流小車沿線設置若干高清視頻攝像頭，實時監(jiān)控物流小車的運行狀況。

3.3 輔助信息采集子系統(tǒng)

輔助信息采集子系統(tǒng)包括觸控一體機、車間高清攝像頭、加熱爐信息采集系統(tǒng)等。其中觸控一體機主要安裝于各個焊接工作站，由車間工人通過觸控操作。觸控一體機可以實現生產通知及生產計劃的下達、應答及完成操作，并實現車間現場工作情況的錄入，保證企業(yè)決策層與生產現場之間的有效數據溝通。加熱爐信息采集系統(tǒng)主要用于對加熱爐各組加熱絲工作狀態(tài)、工作溫度進行采集和監(jiān)控。

4 結語

隨著工業(yè)信息化、智能化的不斷發(fā)展，特別是工業(yè)4.0時代的逐步到來，機器人技術應用范圍越來越廣，為保證機器人設備最大限度的發(fā)揮其生產質量好、工作效率高的優(yōu)勢，現代制造信息管控一體化成為大勢所趨。本文針對液壓支架智能焊接車間，基于制造執(zhí)行系統(tǒng)研究了適用于大型結構件焊接生產的生產信息管控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體模型、硬件基礎架構、功能需求設計、底層數據庫開發(fā)及車間各系統(tǒng)的底層信息采集子系統(tǒng)等。該系統(tǒng)實現了整個液壓支架焊接生產過程的生產監(jiān)控及信息管理，保證了生產過程合理控制、車間資源合理調配及較高的焊接質量。目前該系統(tǒng)已在山東能源重型裝備集團高端液壓支架智能焊接車間得到應用，運行狀況良好，實現了車間層的監(jiān)控智能化和信息集成化。

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Production information management system of intelligent welding workshop for hydraulic support

DU Yibo1,2,3, WANG Guofa1,3, ZENG Qingliang2

(1.Coal Mining Technology Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China； 3.Mining Design Institute, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

In order to ensure intelligent welding process is suitable for production of structural member of support, improve equipment utilization rate, guarantee welding quality, and give full play to advantages of intelligent welding workshop, production information management system of intelligent welding workshop for hydraulic support based on MES was studied. The overall system model and its network architecture were established, functional requirements of the system were analyzed, and the system database model was established. The design of data acquisition module of intelligent welding workshop production information was introduced. The module realizes comprehensive collection of scene information of workshop. The practical application results show that the system realizes effective data communication between enterprise decision-making level and production site, and ensures production quality and efficiency of hydraulic support.

hydraulic support; intelligent welding workshop; production information control; manufacturing execution system

2016-07-22；

2016-10-30；責任編輯：胡嫻。

國家2012智能制造裝備發(fā)展專項項目；山東省2013自主創(chuàng)新專項項目(2013CXB40203)。

杜毅博(1985-)，男，河北邯鄲人，助理研究員，博士，研究方向為煤礦機電信息化，E-mail：xiaoqidyb@126.com。

1671-251X(2016)12-0083-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.018

TD355.4

A

時間：2016-12-01 10:57

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1057.018.html

杜毅博，王國法，曾慶良.液壓支架智能焊接車間生產信息管控系統(tǒng)[J].工礦自動化，2016,42(12)：83-87.