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机加行业智能化改造成功案例

1、项目简介

2015年,集团公司发布文件,要求各单位开展“三哑”统计与治理工作。按照集团公司要求,公司技术质量部会同智能制造分公司等单位,开展了相关调研工作。根据集团公司关于“三哑”改造的工作要求,为推进股份公司设备智能化改造工程技术的建设和应用,推动股份公司转型升级。选择某工程有限公司作为股份公司“智能制造、智慧企业”试点单位,逐步推进设备智能化改造及智能化制造等工作,旨在实现数字化制造设备与管理系统之间的系统集成,并实现供应链内外贯通,构建立与航天云网的对接能力,实现“非哑”企业改造的目标。

目前已完成研制工作,现将研制工作情况总结如下:

2、概述

2.1用途

推动设备信息化应用,是根据市场化原则,通过技术手段,实现资源内部优化和外部拓展。通过对“哑设备”进行信息化改造,建立车间级有线和无线两种组网技术应用,并自行设计监测软件,接入公司信息系统,与MES等集成,实现对设备工作过程信息的实时采集和管理,将生产过程实时、高效地展现至管理决策层。进行批次跟踪,实现质量追溯,提高企业的生产效率。通过对股份公司的设备智能化改造,将为股份公司转型升级、可持续发展起到重要的技术支持。

针对本公司设备种杂,老旧设备多的实际情况,针对不同设备(以焊机、金属切削设备和机加工成型设备为主),进行智能化改造系统解决方案定制,实现车间级设备的数据采集和联网,实现设计工艺的数字化,以及生产进度等信息的实时反馈,对设备的实时状态进行数据采集并通过软件进行监控,实现对业务数据的科学、高效管理。改变设备状态手工录入上报的管理模式。达到智能制造对设备使用、管理的要求。

2.2项目总体目标

针对设备的类型、采购时间和设备使用率,经过前期调研和技术沟通,该工程公司选取了四类设备进行第一阶段的改造试点。其中CNC加工中心3台(2台五轴型和1台三轴型)、等离子切割机(AG-400型)1台、中频炉(3T/1000KW型)1台及其配套的测温设备、树脂混砂机(S2820型)2台。

另外,东螺公司对手工氩弧焊机(多台)、自动纵缝焊机(HL-2500型)2台提出了信息化改造要求。

2.3 主要功能及技术要求

设备智能化改造主要功能及技术要求由信息中心提出,经过智能制造分公司调研,并与被改造单位经过讨论确定。

  a. 主要采集的物理量有:设备总功率、工作电压、工作电流、速度、温度、压力、设备信息等,对不同的设备要求不同。需要得出的设备状态有:开机、关机、运行、空闲、故障、工作时间等。

  b. 设备改造不能破坏设备结构,并在改造后不影响设备的正常使用。

  c. 需采集的数据类型及数量由设备使用单位工艺人员根据具体设备、需要和可行性提出。数据采集频率不低于1次/分钟,数据采集精度为小数点后两位。

  d. 网络通讯采用以太网、无线网络传输,传输采用网络协议(TCP/IP)。

  e. 软件需支持Windows32位和64位操作系统。

  f. 应选用知名品牌组态软件(力控科技、亚控科技组态王、西门子WINCC等)保证质量,降低风险。软件供应商能辅助MES供应商进行集成,相应的对组态程序进行修改。

  g. 组态软件无需用户管理模块,相应的用户管理整合至MES系统进行统一授权和管理。

  h. 所有采集的数据最终必须存储在oracle(版本oracle10g以上)数据库中。

  i. 在局域网内通过Web发布,支持电脑使用当前主流浏览器(IE7/8/9、Safari3、Google、chrome等)访问,手机和Pad通过客户端访问。

  j. 系统可扩展性,在通信网络允许的范围内,每个车间可以按实际需要增减设备。

  3、案例介绍:

3.1 设计方案

  比较老旧的设备几乎都没有通讯接口,多数是非数字化电路。这些设备状态数据无法通过设备系统本身提供。改造的方法是增加传感器对设备内部的电路信号进行釆集、转换,并增加网络通信接口。

  对于数字化控制、或部分数字化控制设备,其内部已经存在有用信息,对这类设备改造的工作主要是采取措施导出数据,然后转换为网络接口。但此类设备原先往往都采取了加密措施,而制造厂家多数不能提供技术支持,因此导出数据十分困难,需要采用软、硬件结合的方法。

  无论何种方案,均需要将设备数据和状态通过网络接口输出,除非原先已经存在网络接口。从釆集、转换,到网络通信接口,需要专门的电路。有两种选择:一是选用现成的通信转换模块,前提是设备已有串口,并且使用的常用标准通信协议。二是对于非标准电路,采用自主研发的数据采集控制器,实现转换和网络通信功能。

  实现设备状态数据采集的功能,并转换为网络接口后,统一通过有线、无线网络通过AP、交换机将所有采集数据输送至服务器。以此实现了将现场采集的设备数据汇总,通过软件进行解析、统计、计算,并生产相应的图形、报表等文件。设备管理者可以通过网络访问服务器,因此只需在办公室的 PC 端即可全面、快速了解现场生产的整体运行状况,甚至使用手机客户端软件获得同样的信息,从而实现精确管理决策、及时处理生产现场异常问题。

目前,已经实现设备上云。

3.2 CNC加工中心

  设备:810D三轴CNC加工中心一台,840D五轴CNC加工中心两台

  改造前:都不可联网,其中三轴CNC加工中心无硬盘

  改造后:采集设备实时电流、电压、主轴转速、进给速度、工作状态;实现设计任务远程下发。

  方案:

  西门子CNC数控系统是由数控及驱动单元(CCU或NCU)、PLC和人机界面(HMI)等分系统组成,通过PROFIBUS总线连接驱动装置以及输入输出模板,完控制功能。

  西门子数控的相关上位机软件自成体系,而且价格不菲。通过这些软件获得机床数据及其困难。此外因为西门子希望推广其较新的系统,对非设备制造厂老系统基本上没有技术支持。

  数控系统已经是数字化设备,其内部已经包含需要采集的参数,不可以采取外加传感器的办法采集机床数据,因为一般数据采集方案肯定达不到数控系统的精度。对数控系统的改造,既需要了解控制系统,又需要特别了解机床结构,还要有相当的网络系统组网经验、软件编程能力。即对综合能力要求较高。

  该设备原产于台湾,制造厂家不提供内部硬件电路图、接口关系、通信协议等资料。也不能进行软件改造导出数据,要求升级系统硬件到最新,每台费用高达20多万。

  对于840D系统,智能制造分公司开动脑筋,采取将数据上载和下载分不同的渠道处理的方法,在不改动设备硬件的情况下添加通信转换器件达到远程网络通信的功能。

  对于810D系统,最简单的方法是升级到经840D,但是费用高达20多万。或者将其控制电脑升级到PCU50,费用也要好几万。经过大量调研和与相关单位交流,确定了少量升级硬件、主要以软件升级为主改造的方案。

图1 使用西门子系统的CNC

3.3 树脂混砂机

  设备:S2820树脂混砂机2台

  改造前:树脂混砂机:无网口,不可联网

  改造后:采集设备实时电流、电压、开机、关机、运行、空闲、工作时间

  方案:

  该型号树脂混砂机由PLC控制设备的动作,但PLC不含需要采集的数据。因此采用基于传感器及数据融合的采集办法提取需要采集的信号。

  本系统中要求采集多通道的电流和电压等信号,综合上述性能参数考虑,采用智能采集器,支持路隔离模拟量输入,符合网络通信要求。

  此外,这两台树脂混砂机属于移动设备,工作时需要在几十米长的轨道上移动,因此使用无线AP接入网络。

图2 树脂混砂机改造

3.4 等离子切割机

  设备:AG-400等离子切割机

  改造前:等离子切割机:有网口,但无网驱,不可联网

  改造后:采集设备实时电流、电压、切割速度、切割深度、消耗气量、工作状态,实现设计任务远程下发。

  方案:

  根据实际情况,由于等离子切割机采用LINUX操作系统,系统内部硬件电路图、接口关系和通信协议厂家不提供,系统已经加密。通过设计加装网络驱动卡,建立设备联网关系,实现切割任务数据的远程下传,改变以往通过U盘进行数据导入的麻烦。

  同时,采用基于传感器及数据融合的采集办法,通过添加传感器提取需要采集的信号,实现实时电流、电压的监测。但切割速度等设备内部数据只能以截屏的形式取得。

图3 等离子切割机改造

3.5 中频炉

  设备:3T/1000KW中频炉,KDW330手持式测温仪

  改造前:中频炉无通信接口,不可联网,无法对外输出信号;手提式熔炼测温仪无网络接口,无法接入网络。

  改造后:采集设备实时电流、电压、铜合金熔炼温度、铜合金浇注温度、工作时间、开机、关机、运行、空闲

  方案:

  由于中频炉没有与外部设备进行信息传输的通信接口,采用基于数据采集器的采集办法,通过设备本身电路提取需要采集的信号。手提式熔炼测温仪则重新设计为带无线通信接口的无线手提式熔炼测温仪,手持式测温仪与挂壁式温度显示单元之间采用无线通信,使用方便。并自行设计、加装带网络接口的嵌入式控制器,实现远程数据通信联网功能。

图4 中频炉改造

3.6 自动纵缝焊机

  设备:HL-2500自动纵缝焊机两台

  改造前:PLC控制,都不可联网

  改造后:采集设备焊接电压、焊接电流、焊接速度、送丝速度、运行时间

  方案:

  我们对自动纵缝焊机进行了数据采集研究。通过对PLC与显示屏之间的的通信进行侦听,首先对大量数据进行分类,找出规律,经过大量现场检测和反向数据传输实验得到实际工程值。然后转换为网络通信信号输出。

图5 纵缝焊机改造

3.7 手工氩弧焊机

  设备:ZX7-400STG、BNC500等手工氩弧焊机多台

  改造前:非数字化设备,都不可联网

  改造后:采集设备输入电压、输入电流、焊接电压、焊接电流、运行时间

  方案:

  由于手工氩弧焊机没有与外部设备进行信息传输的通信接口,采用增加传感器和从设备本身电路提取信号相结合的办法采集数据。使用有线或无线模块,实现远程数据通信功能。为此设计了一款手工焊机数据采集终端。

图6 手工焊机改造

3.8设备联网

  一般数据监测系统大都使用有线组网方式,有点是抗干扰能力强。对于未投产或者正在规划的新厂房,以及不常搬动的设备间,通过以太网或现场总线传输数据,可以方便快捷的建立互联互通的设备监测系统。

  对于已投产的工厂,存在线路多、布线复杂、维护困难等缺点,在很多特定区域无法进行布线。而无线组网则无需布线,可忽略设备位置的不利条件影响,并可随意移动设备。增减数据采集点方便,自动组网,既方便使用又节省布线成本。

  本方案采取有线和无线两种设备联网方式集合使用的组网方式,测试结果说明,所选用的无线通信设备在较大电磁干扰的环境里可以稳定地运行。

3.9监控、管理软件

针对小规模系统(设备数量90台左右),一般的设备状态、工艺状态监控和简单的数据统计,通过标准的组态软件来实现。

图8 监控、管理软件模块结构

  车间级服务器管理软件采用组态软件,B/S架构方式,功能完善、安全可靠。经过各系统采集汇总及分析处理后得到报告和图表,实现设备和生产过程资料的量化,使管理具有事实依据,变得更为科学,通过数据来大力提高设备利用率及生产效率。

  系统把制造过程有关的设备、数据采集系统、设备监视系统和通信设施按一定的结构和层次结合成一个整体。设备层主要包括车间现场的不同生产设备、传感器和数据采集设备等,负责输出底层设备的信息。数据监控中心负责从设备层获取数据并对采集的数据进行处理、汇总,从而得到车间生产过程的实时信息,并可利用采集的数据进行设备效率分析。同时以实时的方式将采集到的数据发送到公司级或园区的数据库服务器,在车间或园区管理层,通过Web发布,实现园区级的远程访问,使得在网络上的任何位置都可以进行设备监控。

图9  监控、管理软件界面示例

4、技术难点


  4.1 数控系统数据通信

  数控技术和数控机床是制造业现代化的基础,是一个国家综合国力的重要体现。CNC加工中心属于精密加工设备,是所有分系统中最复杂、最难改造的设备。

  制像公司CNC加工中心的控制系统是西门子SINUMERIK系统的老型号,其中的3轴CNC更是淘汰的型号。这是一个封闭的系统,所有的软件都不对外开放。而西门子的软件价格相当昂贵,并且不能与其它软件通信。

  本公司的CNC原产于台湾,制造厂家不提供内部硬件电路图、接口关系和通信协议,更不能进行软件改造,要求升级系统硬件,费用每台高达20多万。

  对数控系统的改造,既需要了解控制系统,又需要特别了解机床结构,还要有相当的网络系统组网经验、软件编程能力。即对综合技术能力要求特别高。

  4.2 强电磁干扰下的数据采集

  制像公司使用的是3吨中频感应加热炉,功率很大,温度可达2000度以上。厂家曾经打算进行数字化改造,增加了一台电脑。但由于中频电磁干扰实在大,结果没有改造成功。

  该设备使用现场环境恶劣、铜水飞溅,又不能随意开机、停机。使得改造工作出现反复。项目组成员经过充分论证、多次试验,并克服夏季高温酷暑,最终攻克了这一难关,实现中频感应设备的数据采集和远程数据网络通信功能。

  4.3 非标准通信协议的解析

  中频感应加热炉配套测温必须使用手提式熔炼测温仪,目前市场上的熔炼测温仪均没有网络通信接口。只能采取信号和协议转换的方法实现远程数据网络通信功能。但其存在的内、外部数字信号都是非标准的信号,因此必须自行设计、加装带网络接口的嵌入式控制器,实现远程数据通信。

  手提式熔炼测温仪制造厂家不能提供信号说明,我们采取的方法是通过大量测试,并进行各种测试条件下的模拟试验,收集测温数据后进行分析。经过模拟,获得有效温度数据。再通过自主开发的电路将数据通过网络接口、采用标准网络协议进行远程传输。

  4.4 程序加密PLC的数据连接

  凡是含有PLC控制的设备,其内部软件必然是加密的,并且多数都不带网络接口。一般在PLC中包含着有效的设备运行参数,通过其编程口将这些数据采集出来是对设备进行信息化改造的方法之一。难点是需要找出编程口支持的通信协议,模拟、分析通信协议,并从中找出有用的数据。

  例如HL-2500自动纵缝焊机属于老型号。该设备资料不全,并且内部采取了加密措施。制造单位已经找不到原始资料。只能通过特殊手段处理,通过对PLC的通信进行侦听,首先对大量数据进行分类,找出规律,经过大量现场检测和反向数据传输得到实际工程值。目前,2台焊机的数据采集已经实现。

  5、成果

  5.1 对西门子SINUMERIK数控系统信息化改造技术

  西门子CNC数控SINUMERIK系统发展了很多代,从最早的802D系统起步,其后发展了810D、840D系统。较新推出的是840DSL、828D等。目前最早的802D系统机床已经很少,现存的CNC机床有少量的810D系统,较多的840D系统,以及一些更新的型号。

  对于较老的810D、840D系统,我们创新采取了一种独特的通信方式,即:将数据上载和下载分不同的渠道处理,可在不改动设备硬件的情况下添加少量器件达到远程网络通信的功能,实现低成本信息化改造。具有较好的推广价值。

  此方案主要以软件改造为主,硬件只需要增加通信到网络转换模块即可。

图10  通信转换模块

  810D系统的PCU20不带硬盘,数据不能远程直接下发,因此需要增加一个小型电脑,相当于为PCU20增加一块硬盘。

  3轴CNC的改造成功,使得操作人员在下发加工文件时无需停机,避免了极大的麻烦,获得用户的好评。

图11  小型电脑

图12  CNC改造


  5.2  非标准数据采集控制技术及其转换器

  对于特殊设备,采用自主研发的数据采集控制电路板实现所需功能。具有模拟和数字量采集、逻辑控制、数据转换、常用通信协议和非标准通信协议转换,网络通信功能。优点是可以通过软件随意改变电路功能,对于需要特殊功能的设备智能化改造比较适用。

  该电路板一般安装在设备原有机箱中,有点是避免过多的连接电线;也避免因为更能不同造成的外壳不同。本项目中,在中频炉配套的无线通信冶炼测温仪中使用了自主研发的数据采集控制器。该项技术有利于设备智能化改造推广应用。

图13  用于中频炉的数据采集控制板、手持和壁挂式测温仪


  5.3  手工焊机数据采集终端

  手工焊机数据采集终端作为一个完整的附件挂接在手工焊机上,具备有线和无线两种网络通信能力,适合手工焊机需要经常移动的工作环境。可采集设备输入电压、输入电流、焊接电压、焊接电流等数据。该采集终端可作为产品推广,不但可用于老式手工焊机,也可用于类似类型的设备改造。

图7  手工焊机数据采集终端



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