面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng)研究

涂化鋼, 葛茂根, 蔣增強(qiáng), 扈 靜, 劉明周

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng)研究

涂化鋼, 葛茂根, 蔣增強(qiáng), 扈 靜, 劉明周

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng)是一個(gè)支持生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)過(guò)程控制信息交互的自動(dòng)化系統(tǒng),文章在分析了以工序?yàn)橹行牡难b配車間作業(yè)管控過(guò)程的基礎(chǔ)上,采用語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型化技術(shù)——IDEF1X方法構(gòu)建了裝配車間作業(yè)管控對(duì)象的統(tǒng)一信息模型,實(shí)現(xiàn)了裝配作業(yè)管控系統(tǒng)的邏輯集成。采用的OPC技術(shù)使得PC機(jī)和過(guò)程控制器之間的數(shù)據(jù)交互具有與控制器驅(qū)動(dòng)程序無(wú)關(guān)的特性,從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性,實(shí)現(xiàn)了裝配作業(yè)管控系統(tǒng)的物理集成。

管控集成;工序;裝配過(guò)程;IDEF1X方法;OPC技術(shù)

目前,在采用全手工或輔以MRPII/ERP延伸功能的半手工車間作業(yè)管理模式中,上層計(jì)劃管理信息難以及時(shí)傳遞給執(zhí)行單元,過(guò)程控制信息也難以實(shí)時(shí)反映給管理決策層。而車間作業(yè)執(zhí)行層作為連接企業(yè)上層計(jì)劃管理層和底層過(guò)程控制層的橋梁,是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)信息集成的紐帶[1]。對(duì)于像汽車變速器等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配制造企業(yè),由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、裝配工藝復(fù)雜,對(duì)裝配的精度要求高,同時(shí)還要滿足日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下高生產(chǎn)效率的要求,因此,迫切需要集成化的車間作業(yè)執(zhí)行層管控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)管理的可控化和實(shí)時(shí)化。

本文提出的面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng),通過(guò)建立統(tǒng)一的管控?cái)?shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)了裝配車間管控系統(tǒng)的邏輯集成,通過(guò)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上層PC機(jī)工作站與下層設(shè)備控制PLC的物理集成,從而實(shí)現(xiàn)了裝配車間作業(yè)管理與控制的無(wú)縫集成。

1 管控集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品的裝配主要是通過(guò)壓裝設(shè)備、擰緊設(shè)備、焊接設(shè)備、翻轉(zhuǎn)設(shè)備、物料移動(dòng)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備以及各種輔助設(shè)備等,操作工人在裝配流水線上將各種零部件組合成具有一定功能,并能滿足某種需要的產(chǎn)品。在這個(gè)過(guò)程中,隨著物料的流動(dòng)不斷發(fā)生物理變化和物料的組合,最終形成產(chǎn)品。裝配的最終產(chǎn)品往往由多個(gè)和多層子部件構(gòu)成,在裝配工藝中每一道裝配工序的進(jìn)行,需要等待多個(gè)上道工序的完成,這種分枝的工藝結(jié)構(gòu)給執(zhí)行管控問(wèn)題帶來(lái)了復(fù)雜的配套關(guān)聯(lián)關(guān)系[2]。

通過(guò)一體化的管控集成系統(tǒng)將管理方法和執(zhí)行設(shè)備、人員有機(jī)結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)裝配執(zhí)行過(guò)程物料流通順暢、工序節(jié)拍均衡以及能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中的異常做出及時(shí)響應(yīng)。面向裝配過(guò)程的管控集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車間作業(yè)管控集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)將面向裝配過(guò)程的管控集成系統(tǒng)分為3層。其中物理控制層是管控信息處理的主體,由于裝配作業(yè)執(zhí)行過(guò)程是一個(gè)人與設(shè)備交互的過(guò)程,因此,物理控制層需要處理的信息就包括與設(shè)備交互的信息和與作業(yè)人員交互的信息2類。設(shè)備控制器與管理系統(tǒng)可以通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)形成固定的連接,相關(guān)的管理決策信息可以準(zhǔn)確傳遞到執(zhí)行控制器并直接控制設(shè)備動(dòng)作。作業(yè)執(zhí)行控制的另一重要內(nèi)容是控制作業(yè)人員的操作,作業(yè)人員與管理系統(tǒng)間的信息關(guān)聯(lián)度是一種松散耦合的關(guān)系,管理決策信息不能直接作用于作業(yè)人員,需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)信息感知設(shè)備傳遞給作業(yè)人員,如電子看板、報(bào)警燈等物理設(shè)備。業(yè)務(wù)流程層是管控系統(tǒng)工作的流程,它與裝配作業(yè)流程一致,業(yè)務(wù)流程層決定了物理控制層的工作邏輯。

管控集成系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管控信息的全局一致性控制,全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐。同時(shí),系統(tǒng)提供了異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)提取功能以及遠(yuǎn)程訪問(wèn)接口,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與企業(yè)級(jí)的管理軟件集成和用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

2 以工序?yàn)橹行牡难b配作業(yè)管控

工序是一個(gè)或一組工人在同一工作地對(duì)同一個(gè)或同時(shí)對(duì)幾個(gè)工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過(guò)程,它是生產(chǎn)過(guò)程中最基本的組成單位[3]。

對(duì)于裝配過(guò)程,一個(gè)裝配工序即是在裝配流水線上的一個(gè)裝配工位所完成的工藝過(guò)程。對(duì)裝配過(guò)程的作業(yè)管控包括要完成工序的上工序來(lái)料監(jiān)管、本工序上料監(jiān)管、生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控、裝配質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控以及工序作業(yè)指導(dǎo)書的管理等內(nèi)容。圖2所示表明了對(duì)裝配工序作業(yè)管控的流程,圖中按序標(biāo)識(shí)了流程中的部分關(guān)鍵步驟,下面是對(duì)相關(guān)步驟的說(shuō)明。

步驟1 作業(yè)記錄是作業(yè)計(jì)劃的分解,它規(guī)定了當(dāng)日的某個(gè)時(shí)間段需要裝配哪種產(chǎn)品以及裝配的數(shù)量,一條作業(yè)記錄只對(duì)應(yīng)一種產(chǎn)品。作業(yè)記錄是裝配線的調(diào)度任務(wù),記錄執(zhí)行的順序可以根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀況調(diào)整。

步驟2 物料配送方案根據(jù)作業(yè)記錄的物料需求和工位存料信息計(jì)算得出,規(guī)定了在某個(gè)時(shí)間段需要向某個(gè)工位配送物料的數(shù)量。物料配送方案和電子看板的需料信息結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了車間物料的實(shí)時(shí)配送。

步驟3 產(chǎn)品出生證是具體產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí),一般由產(chǎn)品編號(hào)、日期和生產(chǎn)流水號(hào)形成,裝配過(guò)程中產(chǎn)生的產(chǎn)品相關(guān)信息都需要與產(chǎn)品出生證聯(lián)系,作為查詢和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。

步驟4 獲取的上工序裝配質(zhì)量信息只是與本工序裝配作業(yè)相關(guān)的質(zhì)量信息,主要包括上工序加工質(zhì)量是否合格的信息以及由于裝配的配套關(guān)系在本工序需要的質(zhì)量信息[4],比如選墊工序需要測(cè)量工序測(cè)出的選墊值。

步驟5 關(guān)鍵零部件的供應(yīng)商追溯作為系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能,需要在相應(yīng)零部件裝配上件時(shí)記錄下零部件的供應(yīng)商并與產(chǎn)品出生證綁定,通常采用條碼掃描、觸摸屏錄入等方式。

步驟6 綜合查詢與分析主要是通過(guò)記錄的裝配過(guò)程信息,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量追溯和產(chǎn)品裝配零部件的供應(yīng)商追溯,同時(shí)還包括生產(chǎn)異常信息、設(shè)備信息以及計(jì)劃信息等其它與過(guò)程相關(guān)信息的查詢。

圖2 以工序?yàn)橹行牡难b配作業(yè)管控流程圖

3 管控集成系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)方法

3.1 裝配過(guò)程統(tǒng)一管控信息模型

建立統(tǒng)一的管控信息模型是構(gòu)建系統(tǒng)的基礎(chǔ),它通過(guò)明確裝配過(guò)程中的管控對(duì)象、對(duì)象所包含的信息、對(duì)象間的關(guān)系和交互的信息內(nèi)容描述了裝配過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的活動(dòng),是建立系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的直接依據(jù)。

語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型化技術(shù)IDEF1X[5,6](Integration Definition for Information M odeling)是在實(shí)體聯(lián)系方法的基礎(chǔ)上增加了一些規(guī)則,使語(yǔ)義更為豐富,用于建立系統(tǒng)的信息模型;它能以一致性定義真實(shí)地反映企業(yè)中各種數(shù)據(jù)的含義和相互關(guān)系,達(dá)到集成、共享和信息數(shù)據(jù)的完整性。IDEF通過(guò)定義實(shí)體、定義聯(lián)系、定義鍵3個(gè)階段進(jìn)行信息數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

如圖3所示,采用IDEF1X方法構(gòu)建裝配過(guò)程的統(tǒng)一管控信息模型,為了使模型較為清晰簡(jiǎn)潔,模型中未將全部屬性列出,只列出了實(shí)體的主關(guān)鍵字、鑒別器、外來(lái)鍵和部分屬性。模型中的實(shí)體代表了對(duì)裝配過(guò)程管控的眾多對(duì)象。

根據(jù)各對(duì)象在系統(tǒng)中的不同功能,可以將對(duì)象分為3大類,包括作為系統(tǒng)支撐的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品裝配工藝數(shù)據(jù)類對(duì)象;作為過(guò)程管理的作業(yè)計(jì)劃和物料配送類對(duì)象;作為過(guò)程監(jiān)控的控制設(shè)備控制數(shù)據(jù)位、控制項(xiàng)目和過(guò)程信息記錄類對(duì)象。對(duì)象的主關(guān)鍵字唯一確定了作為實(shí)體的每個(gè)管控對(duì)象,外關(guān)鍵字則體現(xiàn)了裝配過(guò)程管控的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的關(guān)系和流向。

模型的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)了管理數(shù)據(jù)對(duì)象與控制數(shù)據(jù)對(duì)象的統(tǒng)一,產(chǎn)品工序控制項(xiàng)目對(duì)象的外關(guān)鍵字是產(chǎn)品裝配工藝對(duì)象的主關(guān)鍵字,通過(guò)該聯(lián)系使得產(chǎn)品在某個(gè)工序進(jìn)行的裝配獲得了需要的控制項(xiàng)目。

控制項(xiàng)目通過(guò)外關(guān)鍵字控制數(shù)據(jù)位ID和外關(guān)鍵字產(chǎn)品工序控制項(xiàng)目ID的對(duì)應(yīng),與控制數(shù)據(jù)地址對(duì)象產(chǎn)生聯(lián)系,而執(zhí)行過(guò)程記錄對(duì)象通過(guò)外關(guān)鍵字裝配工藝ID,獲得需要的產(chǎn)品裝配工藝對(duì)象和產(chǎn)品工序控制項(xiàng)目對(duì)象的信息。同時(shí),執(zhí)行過(guò)程記錄對(duì)象通過(guò)外關(guān)鍵字產(chǎn)品出生證獲得了生產(chǎn)計(jì)劃信息。

例如,根據(jù)作業(yè)計(jì)劃對(duì)象(具體是計(jì)劃產(chǎn)品出生證對(duì)象)和裝配工藝對(duì)象,可以獲知t1時(shí)間段某產(chǎn)品A在裝配工序P1需要壓入2個(gè)銷釘,又根據(jù)裝配工藝對(duì)象和產(chǎn)品工序控制項(xiàng)目對(duì)象,可以獲知A產(chǎn)品在P1工序的控制項(xiàng)目之一是獲取2個(gè)壓力值,并對(duì)壓力值超出閾值進(jìn)行報(bào)警。又根據(jù)產(chǎn)品工序控制項(xiàng)目對(duì)象和控制數(shù)據(jù)地址對(duì)象的聯(lián)系,可以獲知壓機(jī)的控制器類型以及2個(gè)壓力值在控制器中的地址。

圖3 裝配過(guò)程統(tǒng)一管控信息模型

這樣,在t1時(shí)間段從該控制器地址接收到的2個(gè)數(shù)據(jù)就是產(chǎn)品A在P1工序壓入2個(gè)銷釘?shù)膲毫χ?。同?通過(guò)將接收到的壓力值與壓力閾值對(duì)比,經(jīng)過(guò)一個(gè)相反的過(guò)程可以將報(bào)警信息寫入相應(yīng)的控制器,控制器通過(guò)所控制的報(bào)警設(shè)備報(bào)警。物料配送單是指導(dǎo)配送裝置和人員配送物料的直接依據(jù),因此,管控?cái)?shù)據(jù)對(duì)象的統(tǒng)一也體現(xiàn)在計(jì)劃對(duì)象和物料配送單對(duì)象的聯(lián)系。統(tǒng)一的管控信息模型中數(shù)據(jù)的各種操作集中在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中完成,實(shí)現(xiàn)了管控?cái)?shù)據(jù)的全局一致性控制,同時(shí)大大減少了系統(tǒng)處理程序的堆砌,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

3.2 基于OPC技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制

在面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控系統(tǒng)中,PC機(jī)工作站的軟件系統(tǒng)需要與車間現(xiàn)場(chǎng)眾多的控制終端和信息采集終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,這些不同的終端具有不同的驅(qū)動(dòng)程序。因此,采用直接與驅(qū)動(dòng)程序通信的方法需要針對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序編寫代碼,難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通用化,而OPC技術(shù)為解決該問(wèn)題提供了可能。

OPC是OLE for Process Control的縮寫,即面向過(guò)程控制的OLE[7]。它的目的是使過(guò)程控制工業(yè)中的自動(dòng)化控制應(yīng)用程序、現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)、儀表以及商業(yè)辦公應(yīng)用程序之間有更強(qiáng)大的互操作性和兼容性[8]。它通過(guò)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存取規(guī)范,使得客戶應(yīng)用程序只關(guān)心自身所實(shí)現(xiàn)的功能,而不需要關(guān)心不同開發(fā)商提供的驅(qū)動(dòng)程序協(xié)議的不一致。

系統(tǒng)采用OPC的自動(dòng)化接口和異步響應(yīng)方式,將產(chǎn)品裝配過(guò)程要求的控制項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制器地址轉(zhuǎn)換為OPC服務(wù)器的Item項(xiàng),通過(guò)接口中的 pIOP-CA syncIO2.Read(…)函數(shù)讀取Item中的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)了相應(yīng)控制器地址中的數(shù)據(jù),通過(guò) pIOPCA-sync IO2.W rite(…)函數(shù)向Item中寫入控制信息。同時(shí)該異步響應(yīng)接口還提供了 OndataChange(…)、OnReadComp lete(…)、OnW riteComp lete(…)3個(gè)事件響應(yīng)函數(shù),它們?cè)贗tem中的數(shù)據(jù)發(fā)生改變、數(shù)據(jù)讀完成、數(shù)據(jù)寫完成時(shí)執(zhí)行函數(shù)中的內(nèi)容。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文所描述的面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng),在某汽車變速器裝配生產(chǎn)車間中得到了應(yīng)用。圖4所示是系統(tǒng)作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度管理和裝配生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控2個(gè)子功能模塊的軟件系統(tǒng)界面,系統(tǒng)還提供了作業(yè)人員管理、在線設(shè)備管理和車間庫(kù)存管理以及作為系統(tǒng)支撐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能模塊。

通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速器裝配作業(yè)過(guò)程監(jiān)控的可視化、實(shí)時(shí)化和管理的科學(xué)化,使得裝配作業(yè)過(guò)程按節(jié)拍準(zhǔn)時(shí)化進(jìn)行。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品裝配質(zhì)量信息和外購(gòu)零部件供應(yīng)商信息的準(zhǔn)確及時(shí)采集,并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類引導(dǎo)和記錄,建立了完整的產(chǎn)品檔案,能夠進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量追溯和供應(yīng)商追溯。

圖4 面向裝配過(guò)程的車間作業(yè)管控集成系統(tǒng)部分界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)裝配車間作業(yè)管控在手工或半手工模式下信息交互性差、生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控困難等問(wèn)題,構(gòu)建了一種支持生產(chǎn)作業(yè)管理端與裝配作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)集成運(yùn)行的裝配作業(yè)管控系統(tǒng)。在分析了以工序?yàn)橹行牡难b配車間作業(yè)管控過(guò)程的基礎(chǔ)上,建立了裝配作業(yè)管控對(duì)象的統(tǒng)一信息模型。

該模型實(shí)現(xiàn)了作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)和工序控制項(xiàng)目數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,是建立系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的直接依據(jù)。同時(shí),系統(tǒng)采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)軟件系統(tǒng)和過(guò)程控制器之間的數(shù)據(jù)交互,使得系統(tǒng)能夠與車間底層生產(chǎn)裝備和工人集成化的運(yùn)行[9],從而實(shí)現(xiàn)了車間作業(yè)管控系統(tǒng)邏輯集成和物理集成的統(tǒng)一。

[1] 王琦峰,劉 飛,黃海龍.面向服務(wù)的離散車間可重構(gòu)制造

執(zhí)行系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2008,14(4):737-743.

[2] 羌 磊,肖田元.應(yīng)用擴(kuò)展貝葉斯進(jìn)化算法求解混流裝配調(diào)度問(wèn)題[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2007,13(2):317-322.

[3] 任家隆.機(jī)械制造技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:233-235.

[4] 甘麗玲,張銘鑫,劉明周,等.基于傅里葉變換的質(zhì)量預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)殘差修正模型[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(6):806-810.

[5] 陳禹六.IDEF建模分析和設(shè)計(jì)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999:44-47.

[6] 劉明周,曹 飛.面向產(chǎn)品的工藝數(shù)據(jù)數(shù)字化管理建模[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2005,17(1):137-142.

[7] 楊 光.企業(yè)制造信息系統(tǒng)的功能及管理模式[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版,2001,23(1):54-56.

[8] 黃可塑,呂光帥.基于OPC的工業(yè)過(guò)程客戶端監(jiān)控軟件開發(fā)[J].微處理器,2006,8(4):51-53.

[9] Adler D J,Herkamp J,H en ricks D,et al.Does a manufactu ring executi on sy stem reduce the cost of p rodu ction for bulk pharmaceu ticals[J].ISA T ransactions,1995,34:343-347.

Research on integrated management and control system of shop operation oriented to assembly process

TU Hua-gang, GE Mao-gen, JIANG Zeng-qiang, HU Jing, LIU M ing-zhou

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

The integrated management and control system o f shop operation oriented to assem bly process is an automation system which supports information interaction between production p lanning and production process control.By analyzing the procedure-centered management and control process of assembly shop operation,the IDEF1X,a technique of semantic datamodeling,is used to construct a common information m odelofmanagement and control objects for assembly shop operation.So the logic integration ofm anagementand contro l system o f assemb ly operations can be realized.The adop ted OPC technique enables the data exchange between PC and controller disrelated to the controller driver.Consequently the versatility of the system is greatly enhanced and the physical integration of the system is realized.

integrated management and control;w orking procedure;assem bly process;Integration Definition for Inform ation M odeling(IDEF1X)m ethod;OLE for Process Control(OPC)technique

TP315

A

1003-5060(2011)01-0018-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.005

2010-03-01;

2010-03-20

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(090414154)

涂化鋼(1984-),男,四川射洪人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

劉明周(1968-),男,安徽六安人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 朱華新)