制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)在重車車橋廠的應(yīng)用

趙志彪， 趙明 ， 劉暉 ， 范薇， 史 靖宇

(中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053)

0 引言

車橋作為車輛底盤的重要部件，對(duì)于整車質(zhì)量與運(yùn)行可靠性有著重要影響。隨著產(chǎn)品質(zhì)量控制方式由成品檢驗(yàn)等事后控制模式逐步向過程控制轉(zhuǎn)變，對(duì)生產(chǎn)過程各類數(shù)據(jù)采集能力的要求日益提升。同時(shí)，由于很多車橋廠生產(chǎn)手段較為落后，自動(dòng)化、信息化能力薄弱，數(shù)據(jù)采集作為非增值作業(yè)，為了不影響生產(chǎn)供應(yīng)能力，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。此外，生產(chǎn)過程中信號(hào)干擾、油污等問題均會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程的數(shù)據(jù)完備性、可靠性帶來挑戰(zhàn)。因此，在架構(gòu)、設(shè)計(jì)面向車橋裝配過程的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡(jiǎn)稱MES）時(shí)，需綜合考慮上述問題以及應(yīng)對(duì)措施。制造執(zhí)行系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)使傳統(tǒng)生產(chǎn)過程黑箱透明化[1]，扮演了ERP和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間信息橋梁的角色，是走向制造過程實(shí)時(shí)信息集成的紐帶。

1 MES數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用概述

上海柴油機(jī)股份有限公司通過射頻識(shí)別、掃描槍及手工錄入信息的方式實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)裝配過程信息采集與追蹤[2]；張金等[3]針對(duì)目前質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法的缺陷和不足,構(gòu)建了一種基于Android平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以平板或手機(jī)作為客戶端，完成信息采集工作，關(guān)俊濤等[4]通過二維碼和移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備完成生產(chǎn)過程信息采集，王帥等[5]基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，李佳林、涂化剛、任工昌[6-8]在變速箱生產(chǎn)過程中也應(yīng)用了OPC技術(shù)，楊立峰、李西等[9-10]利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造過程物料追蹤。綜上所述，基于各類數(shù)據(jù)傳感設(shè)備，MES在生產(chǎn)過程質(zhì)量控制[11-12]與物料流控制[13-15]方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 車橋裝配過程數(shù)據(jù)采集需求分析

2.1 重車車橋裝配過程

兵器工業(yè)集團(tuán)下屬某重型車橋廠作為某重卡品牌旗下車橋供應(yīng)商，提供前橋、中橋、后橋等多類車橋產(chǎn)品。以中橋?yàn)槔?，車橋裝配環(huán)節(jié)主要由主減速器裝配與車橋總裝兩大部分構(gòu)成。其中主減速器裝配過程主要分為主錐總成、差速器總成、軸間差速器總成以及主減總成合裝四大區(qū)域；總裝環(huán)節(jié)主要是工人對(duì)主減速器總成、橋殼、輪轂等部件完成合裝。

2.2 數(shù)據(jù)采集需求分析

車橋裝配過程中，需要采集的數(shù)據(jù)類型主要有產(chǎn)品數(shù)據(jù)、零部件數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)以及人員數(shù)據(jù)。在完成上述四類數(shù)據(jù)采集的過程中，還需要針對(duì)車橋裝配過程中特有的主、被齒輪配對(duì)問題進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配校驗(yàn)，保證裝配過程質(zhì)量。

以往該廠生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集完全依賴裝配人員，通過“隨工單”的形式進(jìn)行記錄。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境存在油污等情況，紙質(zhì)材料易受污染；同時(shí)，由于年生產(chǎn)批量較大，在發(fā)生質(zhì)量問題或用戶索賠時(shí)，大量紙質(zhì)材料為查詢追溯工作帶來了極大不便；在主、被齒輪配對(duì)時(shí)，以往采用粉筆標(biāo)號(hào)的方式進(jìn)行配對(duì)記錄，該類記號(hào)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很難長時(shí)間存留，同時(shí)在配對(duì)過程中靠人眼識(shí)別的方式，很難避免錯(cuò)裝、誤裝。此外，由于該條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)6類產(chǎn)品，需要生產(chǎn)線保證足夠的柔性，設(shè)備能夠自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前工件進(jìn)行加工。

3 基于MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇

本項(xiàng)目系統(tǒng)基于.NET構(gòu)建，以SQL Server數(shù)據(jù)庫作為中心數(shù)據(jù)庫，采用了掃描槍、RFID、OPC等多種數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合。表1列出了各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能與作用。

表1 各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備功能與作用

3.2 數(shù)據(jù)采集方式及流程設(shè)計(jì)

根據(jù)第2小節(jié)分析，本項(xiàng)目將產(chǎn)品信息作為串聯(lián)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)的核心要素。設(shè)計(jì)“產(chǎn)品出生證”，采用一定編碼規(guī)則涵蓋產(chǎn)品類型信息、計(jì)劃隊(duì)列信息以及生產(chǎn)日期信息，并利用打碼機(jī)刻于在制品上，在上線工位掃描二維碼，利用RFID將產(chǎn)品信息寫入托盤隨在制品一同流轉(zhuǎn)。

在制品生產(chǎn)加工信息主要存儲(chǔ)于設(shè)備PLC中，主要利用OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)同在制品信息實(shí)時(shí)綁定、上傳。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集流程圖

圖2 零部件數(shù)據(jù)采集流程圖

針對(duì)關(guān)鍵零部件數(shù)據(jù)的信息采集問題，本項(xiàng)目根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，將需要采集信息的零部件分為A類件與B類件，A類件為關(guān)鍵重要零部件（如主、被齒輪），每個(gè)零部件上具有二維碼。B類件為批次件，整批次零件由一張遵循一定編碼規(guī)則的條碼表示。零部件數(shù)據(jù)采集流程圖2所示。

在主錐總成與差速器總成合裝工位配對(duì)校驗(yàn)環(huán)節(jié)，基于主錐總成和差速器總成上的二維碼，采用“掃描槍+報(bào)警燈”組合的目視化管理方式，校驗(yàn)流程如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖如圖4所示，可分為管理層、制造過程監(jiān)控層以及設(shè)備層。管理層通過服務(wù)器與ERP進(jìn)行信息交互，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將相關(guān)信息及時(shí)下達(dá)至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以指導(dǎo)生產(chǎn)。中間層主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、異常工況信息的采集與存儲(chǔ)，以及對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類制造資源的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控；設(shè)備層根據(jù)生產(chǎn)指令和對(duì)當(dāng)前在制品的識(shí)別信息進(jìn)行裝配作業(yè)，并實(shí)時(shí)反饋工況信息。

圖3 主錐總成與差速器總成合裝校驗(yàn)流程圖

圖4 系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

3.4 主要問題及解決方案

3.4.1 基于OPC的生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即面向過程控制的OLE[16]，為工業(yè)控制的應(yīng)用程序之間提供良好交互功能和高效信息集成的組件對(duì)象的模型接口標(biāo)準(zhǔn)。為了方便配置、監(jiān)控，本項(xiàng)目選擇了KEPserver作為OPC服務(wù)器。上位機(jī)通過OPC服務(wù)器與下層PLC建立關(guān)聯(lián)，OPC服務(wù)器包含若干Group，每個(gè)Group由可以自定義的Item組成。

圖5為OPC服務(wù)器的組態(tài)界面，通過定義不同的設(shè)備（device）建立與不同PLC間的一一映射關(guān)系；在PLC中構(gòu)建多個(gè)與裝配工位具有映射關(guān)聯(lián)的組（Group）；在每個(gè)Group中根據(jù)邏輯交互需要定義相應(yīng)的Item，用戶只需編寫相應(yīng)的OPC客戶端對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問即可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層中PLC的交互。

工況信息傳輸架構(gòu)采用基于OPC的Server/Client模型，不同制造區(qū)域中的設(shè)備PLC與該區(qū)域中的總控PLC交互。

3.4.2 RFID抗干擾問題

RFID作為以電磁感應(yīng)原理為主要作用機(jī)理的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其數(shù)據(jù)完備性很大程度上取決于整套系統(tǒng)的抗干擾能力。雖然聯(lián)結(jié)讀寫頭和網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸線多有屏蔽層，但實(shí)踐過程中仍需要在細(xì)節(jié)方面加以完善，盡可能杜絕一切干擾源。

本項(xiàng)目選用的是圖爾克的RFID系統(tǒng)，采用金屬支架方式將讀寫頭固定在生產(chǎn)線上。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段發(fā)現(xiàn)在讀寫頭工作信號(hào)正常的情況下，偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整的情況，通過對(duì)上位機(jī)程序、硬件系統(tǒng)的排查，最終確定是用于讀寫頭直接與金屬支架接觸導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，故在讀寫頭和金屬支架之間鋪設(shè)一層尼龍墊塊實(shí)現(xiàn)絕緣，從而解決干擾問題。

3.4.3 關(guān)鍵零部件追溯問題

圖5 OPC服務(wù)器組態(tài)界面

二維碼已經(jīng)成為離散制造業(yè)中追溯產(chǎn)品或零部件的重要手段之一。但由于機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)、工作環(huán)境中油污問題會(huì)對(duì)二維碼可識(shí)別性造成很大問題。比較好的解決方式是通過激光打碼機(jī)提高打碼質(zhì)量，但激光打碼機(jī)價(jià)格昂貴，本項(xiàng)目依然選用了氣動(dòng)打碼機(jī)。該打碼機(jī)在關(guān)鍵零部件非工作面刻印二維碼，但易被油污污染，造成識(shí)別困難，為此專門設(shè)計(jì)了一種透明貼膜，掃描后貼覆于二維碼上，以保持碼的表面清潔。

4 系統(tǒng)功效

本項(xiàng)目實(shí)施后，使用戶在生產(chǎn)敏捷化程度、制造過程質(zhì)量、精益生產(chǎn)水平等方面得到了有效提升。在項(xiàng)目實(shí)施前，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞依靠人員進(jìn)行；項(xiàng)目實(shí)施后通過各類報(bào)警燈、電子看板等方式，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過程信息及時(shí)傳遞、即使反饋，保證了生產(chǎn)過程的連續(xù)性；生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)記錄在過去主要采用紙質(zhì)記錄方式，每年需要耗費(fèi)大量紙張。項(xiàng)目實(shí)施后在實(shí)現(xiàn)無紙化同時(shí)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了可追溯、可查詢，同時(shí)為人員績(jī)效考核提供了量化依據(jù)。在人員使用方面，過去基本是1～2個(gè)工位就需要安排1名工人。項(xiàng)目實(shí)施后，主減速器裝配區(qū)域每條線體人員需求量?jī)H為原來的60%～70%，在“全自動(dòng)”模式下，部分線體只需要上、下線工位安排工人完成調(diào)裝工件以及更換擰緊機(jī)套筒這類基本操作即可，有效節(jié)約了人工成本。

5 結(jié) 語

面向車橋裝配過程的MES基于各類數(shù)據(jù)采集技術(shù)的技術(shù)支撐，形成信息采集/傳輸/反饋的閉環(huán)鏈路，將車橋裝配過程中的工藝資源、物料資源與生產(chǎn)制造無縫銜接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化，提升了企業(yè)精益管理水平。

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