陳剛，黃詠文，張學輝，袁軼

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

豪華郵輪在結(jié)構(gòu)上采用了大量較薄的鋼板，在郵輪建造過程中，薄板分段的變形及精度控制是主要難點，分段質(zhì)量好壞將直接影響郵輪的整體建造質(zhì)量。有必要通過信息化手段對分段生產(chǎn)進行智能化管控，提升分段建造質(zhì)量。以某郵輪薄板分段生產(chǎn)車間為例，開展車間智能化管控及系統(tǒng)設(shè)備物聯(lián)集成技術(shù)應用分析，考慮基于郵輪薄板車間典型布局，結(jié)合生產(chǎn)工藝方法，構(gòu)建車間智能化管控方案以及系統(tǒng)設(shè)備物聯(lián)集成技術(shù)方案，使郵輪薄板分段建造更加迅速，質(zhì)量更加穩(wěn)定。

1 智能化管控和設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

智能化管控就是運用數(shù)字化手段包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)以及底層控制系統(tǒng)將車間的生產(chǎn)物流計劃與排程進行信息化管理，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的智能監(jiān)測，連接數(shù)字化的虛擬空間與真實的物理空間并對車間實現(xiàn)“感知—分析—決策—執(zhí)行”全封閉鏈管控[1]。研究智能化管控技術(shù)首先要明確車間現(xiàn)場所包含的信息，例如場地規(guī)劃信息、物料信息、托盤信息、堆場庫存信息以及運輸車輛信息等，將上述車間現(xiàn)場信息通過智能化管控技術(shù)手段實現(xiàn)場地設(shè)施規(guī)劃管理、零部件及托盤管理、堆場庫存管理、車輛設(shè)備管理以及物流系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析管理，以此提高車間生產(chǎn)效率與產(chǎn)品的質(zhì)量。

設(shè)備物聯(lián)技術(shù)就是通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以及RFID技術(shù)等相融合進行設(shè)備間通信協(xié)作解決車間的生產(chǎn)調(diào)度及控制問題，實現(xiàn)設(shè)備資源與信息資源之間采集、傳輸、計算、分析及反饋與服務的新模式[2]。設(shè)備物聯(lián)技術(shù)通過對車間在生產(chǎn)制造過程中全方位、多角度的傳遞與處理使得生成的信息數(shù)據(jù)符合預期目標，從而將“人、機、物”三者相互聯(lián)系。擁有感知、交互、分析以及執(zhí)行是設(shè)備物聯(lián)技術(shù)的一個典型特征，這種由傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)要素與物聯(lián)技術(shù)結(jié)合成的智能生產(chǎn)車間為船舶生產(chǎn)建造提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2 郵輪薄板分段生產(chǎn)車間智能化管控方案

2.1 薄板分段生產(chǎn)車間典型布局

在現(xiàn)代造船模式下，船舶企業(yè)在生產(chǎn)過程中，依照殼、舾、涂同步協(xié)調(diào)的作業(yè)要求開展生產(chǎn)，不同造船企業(yè)在分段制造的工藝流程方面差異較小，以某郵輪薄板分段生產(chǎn)車間為例，其生產(chǎn)車間典型布局見圖1。

圖1 郵輪薄板分段生產(chǎn)車間典型布局

2.2 薄板分段智能生產(chǎn)車間總體架構(gòu)

基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，按照智能車間構(gòu)架，重點進行智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控、智能設(shè)備與生產(chǎn)線、智能倉儲/運輸與物流、智能化生產(chǎn)控制中心4個方面的車間智能化建設(shè)，突破船舶薄板生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管控技術(shù)，構(gòu)建智能薄板生產(chǎn)車間。

薄板智能車間建設(shè)的總體指導原則，是按照感知、網(wǎng)絡(luò)、決策控制3個層次，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合車間建設(shè)和運營狀況，按照漸進明細的原則，逐步構(gòu)建薄板智能車間。具體到系統(tǒng)建設(shè)層級上，薄板智能車間將按照智能設(shè)備層、設(shè)備控制層、制造執(zhí)行層、車間管理層、智能決策層5個層次進行建設(shè)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 薄板智能車間建設(shè)層級

其中，智能設(shè)備和智能控制層建設(shè)主要涉及對人、機、料的感知和控制，通過對各類生產(chǎn)設(shè)備、PLC、工控機、傳感器、工位和移動終端、輸送線、AGV小車、立體倉庫等的物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)這3大生產(chǎn)要素的自感知、互感知、自適應、互適應，從而建立實時動態(tài)的感知和控制系統(tǒng)；制造控制層和車間管理層建設(shè)，主要是建設(shè)以MES為核心的智能生產(chǎn)過程管控系統(tǒng)和物流管控系統(tǒng)，MES是實現(xiàn)智能車間的核心和中間橋梁，起到承上啟下的關(guān)鍵作用，對車間來說，無論是企業(yè)級的系統(tǒng)PLM、ERP、SCM、OA等，還是部門或車間級的系統(tǒng)APS、WMS、TPM、EMS等，都需要與車間MES系統(tǒng)進行深度集成，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)世界里的萬物互連、協(xié)同一致[3-4]。

智能決策層的建設(shè)一方面基于上述的4個層次建設(shè)的基礎(chǔ)，同時在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)采集的背景下，需要建立相應的車間數(shù)據(jù)中心和集控室，充分運用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以工業(yè)機理模型庫和決策分析模型庫建設(shè)為對象，建立與車間工業(yè)系統(tǒng)相映射的“數(shù)字孿生”，提升車間運營管理的綜合預見性，做到?jīng)Q策科學，控制精準、處置快速、柔性，形成閉環(huán)。

如圖3所示，從功能建設(shè)上來說，薄板智能車間重點進行智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控、智能設(shè)備與生產(chǎn)線、智能倉儲/運輸與物流、智能化生產(chǎn)控制中心4個方面的車間智能化建設(shè)，在系統(tǒng)框架上，采用總控、分控的布局，以車間集控室、工位終端為建設(shè)重點，方便車間智能運營管理。

圖3 薄板智能車間功能框架

3 郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

大型郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備布局包括運出工位、圍壁安裝/焊接工位、部件制作工位、T排安裝/焊接工位、橫移工位、縱骨裝焊工位、板材切割、切割劃線工位、拼板工位、薄板預處理工位、型材加工線等，每個工位布置著相應的智能生產(chǎn)設(shè)備，例如：切割設(shè)備、型鋼加工設(shè)備、T-Beam焊接設(shè)備等，將生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并形成智能化的生產(chǎn)線，是推進車間智能化管控需要解決的首要問題。薄板分段生產(chǎn)車間主要工序流程見圖4。

圖4 薄板分段生產(chǎn)車間主要工序流程

郵輪薄板分段生產(chǎn)線為節(jié)拍式生產(chǎn)，為確保流水線的生產(chǎn)效率、質(zhì)量，必須對每個工位的生產(chǎn)節(jié)拍進行管控，但是由于生產(chǎn)過程零部件信息量大，自動化生產(chǎn)效率高，節(jié)奏變化快，靠人工進行協(xié)調(diào)管理難度大，且易出錯，較難以發(fā)揮出流水線的特點和效率[5]。

薄板分段生產(chǎn)線的拼板工位、切割工位、縱骨裝焊工位、型鋼加工線、T-Beam焊接工位等都需要設(shè)計提供生產(chǎn)信息。T-Beam工位為3D模型導入數(shù)據(jù)，切割工位可通過設(shè)計軟件套料并生成切割指令；型鋼線讀取設(shè)計套料文件生成切割加工指令，在不同的工位設(shè)備來源及工作運行模式并不完全相同。因此，需要建立基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造集成控制系統(tǒng)，才能有效提高流水線設(shè)備自動化程度，保障設(shè)備正常生產(chǎn)。

郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備物聯(lián)的目標是結(jié)合各生產(chǎn)設(shè)備及工位情況，針對車間生產(chǎn)及過程管控特征進行薄板生產(chǎn)線智能化適應性改造，進行傳感器及智能裝備的設(shè)置，通過合理的空間布局和技術(shù)選擇，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與環(huán)境和人與設(shè)備間的信息交互以及即時通訊，完善信息化系統(tǒng)，使其具備薄板分段建造的智能化與數(shù)字化效果進而提升生產(chǎn)效率。按照工作流程，薄板分段智能設(shè)備物聯(lián)系統(tǒng)可以分為信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析應用系統(tǒng)。

3.1 信息感知系統(tǒng)

信息感知系統(tǒng)(見圖5)可以實現(xiàn)對薄板車間各種要素的實時監(jiān)控與過程管理,一方面通過傳感器對車間的設(shè)施設(shè)備進行信息采集與分析，另一方面針對物料、工件、人員等對象采用電子標簽對進行標識和追蹤，這樣便搭建了車間級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將收集到的信號信息進行處理與轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)車間各生產(chǎn)要素的集成管理。

圖5 信息感知傳感系統(tǒng)

作為底層感知系統(tǒng)由RFID標簽、RFID讀寫器、智能測量器、傳感器、采集器等組成。車間現(xiàn)場要素由人員、機器、物料、工裝及環(huán)境等構(gòu)成。以上要素由相關(guān)設(shè)備采集、分析及處理后,由物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號進而通過軟件系統(tǒng)進行分析與展示。RFID采集器將感知區(qū)域內(nèi)的信息讀取出來并將管理要素信息的寫入與采集。智能測量設(shè)備對現(xiàn)場的設(shè)備運作狀態(tài)進行信息的采集與讀取。環(huán)境設(shè)備的采集負責對車間現(xiàn)場的環(huán)境信息(例如：溫度、濕度、噪音、粉塵等)的動態(tài)采集。感知系統(tǒng)是對物體信息的獲取以及信息的互通，為數(shù)據(jù)采集層提供支撐。

3.2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括電子標簽讀寫模塊、數(shù)據(jù)清洗模塊、設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合模塊,以及在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上的存儲模塊和基于消息機制的數(shù)據(jù)處理模塊，見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

薄板分段車間因組成要素的種類較多,使得延伸出的數(shù)據(jù)異常分散，因此采集到的數(shù)據(jù)必須通過組網(wǎng)技術(shù)上傳至服務器中的數(shù)據(jù)處理中心進行處理。電子標簽讀寫模塊可通過車間現(xiàn)場中的臺式計算機連接485總線組網(wǎng),由各電子標簽的讀寫器進行信息讀取與寫入操作。單個的讀寫器得到的原始數(shù)據(jù)并入數(shù)據(jù)清洗模塊，該模塊的主要功能是對原始數(shù)據(jù)進行去噪、去冗余、排錯、數(shù)據(jù)漏讀填補處理,經(jīng)過初篩的數(shù)據(jù)進入讀寫器的清洗層進行深度清理。設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊可以對生產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)信息進行采集與傳輸，如變量開關(guān)、運行狀態(tài)等，該類數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)形式發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。

環(huán)境采集模塊可根據(jù)預先設(shè)定的參數(shù)對車間環(huán)境進行信息采集與傳輸，該模塊統(tǒng)一部署在環(huán)境數(shù)據(jù)處理器上，其數(shù)據(jù)傳輸原理是運用Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)與車間部署的傳感器節(jié)點組網(wǎng)，采集到的數(shù)據(jù)按簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合和簇間數(shù)據(jù)融合模式進行數(shù)據(jù)匯聚，通過軟件系統(tǒng)進行信息匯聚，將匯聚后的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的統(tǒng)一形式。

采集到的信息可以保存到數(shù)據(jù)庫供歷史查詢并寫入服務器全局內(nèi)存變量中供實時檢索，也可以轉(zhuǎn)化為消息傳輸?shù)交谙C制的數(shù)據(jù)處理模塊。

3.3 數(shù)據(jù)分析應用系統(tǒng)

基于信息的感知、采集、處理，最終形成的數(shù)據(jù)庫，可以通過應用對象要求，將請求響應信息按應用領(lǐng)域中對象要求的方式呈現(xiàn)出來。展示界面主要通過圖形圖標、數(shù)據(jù)列表、曲線樣條等直觀形象展示車內(nèi)各種要素的基本信息給有關(guān)用戶,有關(guān)用戶可觀看可視化界面并通過操作系統(tǒng)進行實時交互,從用戶的可視化界面了解車間生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)狀態(tài)。將系統(tǒng)導入平臺，連接移動式終端以及顯示屏幕、臺式機等,各類信息均可以直觀可視化形式展示給用戶并加以體驗。

4 結(jié)論

基于薄板分段生產(chǎn)車間典型布局，形成以智能設(shè)備層、設(shè)備控制層、制造執(zhí)行層、車間管理層、智能決策層5個層次進行建設(shè)的薄板車間智能化管控方案，結(jié)合大型郵輪薄板分段生產(chǎn)設(shè)備布局，形成以信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析應用系統(tǒng)組建薄板分段智能設(shè)備物聯(lián)系統(tǒng)的方案，并落地實施，保障了郵輪薄板分段建造的高效和質(zhì)量，為新一代的智能化船舶分段生產(chǎn)車間建設(shè)提供借鑒。