了在构建智能车间中OPC UA所发挥的关键作用。关键词：薄板平面分段加工智能车间;OPC UA ；工业互联网中图分类号：TP27
文献标志码：A智能制造在船舶领域的应用是一大难题。不 同于电子、汽车、航空等行业，船舶生产具有订单个
的新的OPC统一架构（OPC UA）应用于海上采油平 台的研究⑵。对于船舶建造而言，在船舶薄板平面
性化强、生产离散性高、制造周期长等特点。这些特 分段加工智能车间建设中也存在着设备层、服务层
性使得船舶行业很难实现简单的流水线式的批量
和应用层间数据的互联互通问题，可基于OPC UA 架构加以解决。文中对基于0PC UA的船舶薄板平
化、智能化生产。但行业中也不乏很多企业在客观 条件很困难的情况下实现了数字化、智能化突破，如
面分段加工智能车间的构建进行了研究。南通中远川崎船舶重工、德国迈尔船厂等。虽然国 内外发展程度存在差距，但发展思路是一致的，那就
1船舶薄板平面分段加工车间目前船舶主要采用总装化建造模式，一条船划 分为不同数量的总段，总段又由数个分段构成。以
是以自动化为先导，以互联互通为必要条件。在复
杂的作业环境下，船舶智能制造车间需要对生产过
程中人员、机床、物料、加工设备，以及加工进度、生 产过程工艺和产品质量等构建全方位的信息感知系
大型邮轮为例，其平面分段数量占了分段总数的
统，以实现智能制造车间全要素的物理层和信息层
70%以上。采用总段、分段的建造模式便于用流水
线批量化生产，这样即可保证质量，又提高建造效
集成。微软开发的过程控制方面的对象链接和嵌入
率。薄板平面分段加工车间（薄板车间）如图1所 示，主要用于邮轮的平面片段和平面分段的建造。 设计建造的目标产能为每年生产1. 5条VISTA
（object linking and embedding （ OLE ） for process con
trol, OPC） 技术⑴，可实现不同系统间的数据传输与
信息整合，实现现场设备、自控应用、企业管理应用 软件之间系统无缝集成，因而在国内外各个行业中
13.35万t级的豪华邮轮。都得了广泛应用。在海洋工程领域，目前已有将OPC基金会发布
作者简介：刘雨田，助理工程师，研究方向为船舶企业信息化。中外列舶科技 2019年第4期船菊白设计与理造运出工僅Logout *iMiorCutting stationt耀安知焊播工位/I Beam mountKKf and rotxa weeding st 皱聲餐獰工位/ 導絲]Sttffenetmooting*^*«*^9ttat»nLH； 切tunazm /IHAW butt wddin^ vta 横移工位，以及2条分段生产线（分段线）。片段线 包括激光复合焊拼板设备、等离子切割设备、激光复 造中发挥作用。因此，OPC UA在船舶制造领域具 有很高的适用性。合纵骨装焊设备、数控等离子型钢切割机及片段线 地面传输系统。每条分段线包括T - beam装配工 OPC技术作为一种使能基础，可作为构建智能 车间的基础。目前0PC UA作为OPC的升级版本， 位、T-beam机器人焊接工位、围壁装焊工位、顶升 运出工位，以及相应的地面传输系统。作为连接生产设备IT系统的“数据总线”，解决了用 于船舶建造的控制系统和IT系统类型众多、厂商各 异，数据格式、模型不同，以及无法被其他系统所理 2 OPC UA在智能车间中的作用工业互联网智能车间的支撑体系分为3个层 面：一是实现工业互联网、系统与设备之间数据集成 解和处理的问题。3 基于0PC UA的船舶薄板平面分段加工 智能车间的构建构建智能车间的前提是“万物互联”，即车间内 应用的使能技术；二是工业互联网应用的服务平台； 三是服务化封装集成技术。工业互联网、系统与设备集成应用的使能技术 所有工业相关要素包括智能加工设备、扫描采集设 备等，都接入网络中并实现数据的实时传输。OPC 是支撑工业企业内部或工业企业与互联网数据分析 平台之间实现数据集成和互操作的基础协议。与互 UA框架就是可将不同类型设备统一接入的优秀框 架，能够为实现智能车间打下基础。具备了数据基 础后，才能进一步考虑如何把这些数据有效地与车 间业务逻辑相结合，充分发挥数据的价值，让智能车 联网中的HTML等协议类似，工业互联网中应用的 使能技术的主要作用是在异构系统之间实现数据层 面的相互“理解”，实现信息集成与互操作。OPC UA是目前企业内应用较广泛的一项使能 技术。它定义了一套通用的数据描述和语法表达方 间真正实现少人化、无人化，最终提升生产效率、质 量，降低加工成本。式，每个系统可以将各自的数据信息以OPC的格式 进行组织，以被其他系统获取和集成。它能够将来 3.1薄板平面分段加工智能车间建设的瓶颈建设薄板平面分段加工智能车间（以下简称智 自各种设备的信息集成到一个统一的平台上，并提 供兼容性强、安全性高的通信协议作为支撑，因而成 能车间），不是仅仅引进几部机器人、几条流水线那 么简单。图2所示的是传统车间网络架构。由于缺 少设备层和应用层之间的数据通路，大多数情况下， 为连接物理层和信息层的首选框架。船舶建造过程中，由于生产设备种类繁多，需要 只能由现场管理人员统计工人加工进度，再形成日 报、周报、月报等录入到企业管理系统中。采用这种 同时兼容众多设备；同时，船舶制造的生产环境复 杂，在复杂的电磁干扰下，网络传输并不稳定。在这 种条件下，普通的通信协议无法适用。而OPC UA 方式，数据延迟度、错误率都较高，且可反馈的数据 内容有限，基本局限于生产产品数量、设备运行时长 船舶设计与延造中外船舶科技 2019 年第4期等简单数据范畴。这样有限的数据远不能满足智能 工作量是巨大的，而且这种实现方式也不能充分保 车间建设的需要。由于车间内加工设备品牌众多、 型号繁杂、新老设备并存的情况增加了数据采集的 证数据传输的安全性和完整性。因此，必须寻找一 种方便快捷、安全可靠的设备层和应用层数据通路 的搭建方式。难度，若逐一针对每种设备开发接口，则开发人员的 应用层型锲加工工位设备 約◎約 感知卷 控制器 执和務切割工位设备◎約勺〔T-Beam焊接工位设备、 薄板车间 勺勺約 各工位设备<_________________>慮知莺控制总快行落图2传统薄板平面分段加工车间网络架构3.2 基于OPC UA的智能车间网络架构针对上述在建设智能车间过程中遇到的问题， 架构做出了一些改进，形成了如图3所示能够满足 智能车间建设需求的新的网络架构。结合OPC UA框架的特点和优势，对原有车间网络移动给应用层扫码设备等服务层设备层图3薄板平面分段加工智能车间网络架构中外船舶科技 2019 年第4 期船舶设计与智能车间的网络架构分为3层，有设备层、服务 同运行的目标。层和应用层。其中，服务层以OPC服务器为枢纽， 3.3 基于OPC UA网络架构的优越性实现了设备和应用的连通。车间内设备种类、品牌 基于OPC UA框架进行建设的智能车间，不仅 多种多样，包括加工设备、质量检测设备、物料采集 实现了设备层和应用层间的连通，还从多类型设备 设备等。设备生产的实时数据由OPC服务器接收、 快速接入、数据实时采集、数据安全传输等方面，切 处理，最终分发到关系数据库或实时数据库中。有 实解决了薄板车间建设实施难题，消除了一直以来 了数据基础，就能够在应用层中开发相应的车间生 设备层和应用层之间连通存在的障碍。产管理系统，对设备数据进行分析，展现薄板车间的 3.3. 1多类型设备的快速接入生产进度、设备使用情况等，并可利用设备数据分析 表1、2所列为加工部切割机以及智能车间内新 车间排布是否合理、计划安排是否符合实际,从而对 引入的自动化设备，从表中可看出，设备有多种品牌 车间进一步进行优化，最终实现车间内设备高效协 型号，操作系统、驱动系统也不尽相同。表1 现有切割设备信息表厂商型号操作系统驱动系统澳大利亚法利TRIDENTPDF32SIEMENS澳大利亚法利MAGICIANPDF32BURKERT日本小池酸素YG - 5500Fanuc 一160iFANUC日本小池酸素VERSAGRAPH -6000DXFanuc 一 300iFANUC日本小池酸素VERSAGRAPH -6002DXFanuc 一 30iFANUC德国梅塞尔OMNIMATBECKHOFFYASKAWA表2主要工位设备供应商信息表薄板车间主要工位主要设备供应商拼板工位IMG、Graebner切割工位ESAB纵骨装焊工位IMG型钢切割工位IMG、Munk & Schmitz、Graebner侧边夹持小车IMGT - Beam机器人焊接门架KRANEDONK线上喷码设备EBS由表1可看出，现有15台切割机来自3家不同 配置的方式，在清楚每台设备所支持的通信协议及 厂商，有5种不同型号，用了 5种PLC驱动系统。由 控制器型号的情况下，将其快速接入网络，实现设备 表2可看出，薄板平面分段加工智能车间新引进自 与OPC服务器的信息连通，并利用OPC服务器自带 动化设备包含了 IMG、ESAB、Graebne、Munk & 的设备网络管理，轻松实现各设备的连接管理并监 Schmitz、KRANEDONK、EBS等6家供应商，所使用 控设备数据传输的稳定性，从而大大降低接入设备 的控制器不同，支持的协议也不相同。若以传统、非 所需的工作量，使设备接入率达到100%成为可能。 标准化的方式针对每一种设备开发数据接口，工作 OPC服务器连接设备配置界面如图4所示。量之大可想而知。而在OPC UA框架中，可以通用 设计与延込中外船舶科技 2019年第4期（a）界面一 （b）界面二图4 OPC服务器连接设备配置界面3.3.2数据采集的实时性对比传统模式下日报、周报、月报的数据采集形 式，基于OPC UA框架的OPC服务器可实现千赫兹 以上频率的数据采集。但针对智能车间生产的业务 器将立即接替主服务器的工作，保障生产数据安全 传输。4 基于OPC UA的船舶薄板平面分段加工 智能车间实施效果薄板平面分段加工智能车间是基于OPC UA框 需求以及船舶制造的生产特点，考虑到采集频率过 高会对服务器产生过高的负荷，因此，并没有采用极 限频率去采集设备生产数据，而是选择了每秒采集 一次或每隔5s采集一次的频率。而这样的数据采 集频率对于薄板分段的生产节拍而言已经可以看作 是“实时采集”了，能够满足对智能车间数据的需 架实现了设备层与应用层的通讯，利用OPC UA框 架，切实解决了建设智能车间中设备数据连通上的 难题，减少了信息孤岛，使传统的人工反馈生产数据 转变为自动实时采集生产数据。预计每人每天（按 求，使薄车间的生产数据不再是隔天、隔周反馈，从 而使管理者能够清晰准确地了解当前车间生产的实 际情况，帮助其做岀正确决策。8小时工作）可从繁重的反馈工作中节约出1个工 时投入到实际生产中。同时，生产数据反馈正确率 3.3.3数据传输安全性智能车间数据传输的安全性主要从两个角度考 由原有的80 %提升至98 %，并大大提升了生产数 据的真实性，为后续数据分析奠定了基础。将实时 虑。一是私有数据的安全性，需要考虑私有数据是 否存在被外界盗取的可能。OPC UA框架具有完善 采集的生产数据与“料+工”生产信息管理模式相 结合，使物料与设备加工指令相结合，保证所采集的 的安全体系，在数据传输中对数据进行了加密处理， 生产数据能够与所加工物料进行绑定，使数据产生 实际价值，而不是仅仅生成精美的报表。智能车间 符合国际上的安全标准。同时，针对智能车间，在 OPC服务器中配置了用户权限，严格管控用户的安 全级别，保障数据的安全。二是数据传输中是否会 的管理模式如图5所示。根据加工计划约束物料准 备进度，同时根据物料准备情况，调整实际生产安 排。相较于传统的薄板平面分段加工车间，预计智 因故障而造成丢失。针对这种情况，OPC UA框架 支持断点续传功能，如遇到断电等意外情况，当设备 恢复后，可进行断电续传。同时还为OPC服务器配 置了冗余服务器。当主服务器发生故障时，副服务 能车间可使生产效率提高15%。中外船舶科技 2019年第4期船舶设计与物料钢板1切割划线工位丿钢板2f型钢加工」I 工位］I零件E型钢零件G指令002暂时无法执行G未完工|缺料图5薄板平面分段加工智能车间“料+工”管理模式5 结语通信技术、自动化技术、物联网技术的发展和成 熟为建造智能车间开辟了道路，随着招工难的问题 实时采集及车间数据安全传输。薄板平面分段加工 智能车间的建设也为未来其他船舶智能车间的建设 提供了有益的参考价值。日趋严峻，传统车间向智能车间转变迫在眉睫。基 参考文献：［1］ 方晓时，王麟琨.OPC UA技术简介［J］,中国仪器仪表, 2014(8) ：45 -47.于OPC UA建设薄板平面分段加工智能车间的方 案，充分发挥了 OPC UA的自身特点，解决了智能车 间建设中设备层和应用层之间数据连通的技术瓶 ［2］ 吴鑫，刘俭飞，姜明军，等.OPC UA技术及其在海上采油 平台的应用［J］.自动化与仪表,2011(12):33 -36.颈，帮助智能车间实现多种设备快速接入、生产数据 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容