汽車車身分配中心監(jiān)控管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

任澤兵 盛步云 殷希彥

（武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070）

1 引言

隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，消費者已不再滿足于車型單一，配置千篇一律的產(chǎn)品，人們對汽車的個性化需求越來越強烈。個性化的汽車伴隨而來的是越來越豐富的產(chǎn)品配置，從而導致總裝車間裝配線上需要的零件物料種類越來越多［1～2］。因此，生產(chǎn)管控模式精益化成為了個性化定制生產(chǎn)環(huán)境下重要的任務。傳統(tǒng)控制方式已無法滿足于汽車生產(chǎn)各車間越來越高的車身序列需求，必須通過一種柔性化、靈活性更高的手段來實現(xiàn)這一目標，而在汽車生產(chǎn)的四大工藝車間（沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間）之外增加一個立體的車身分配中心（Body Distribution Center，BDC），是提高各車間生產(chǎn)序列的符合性，同時達到精益生產(chǎn)的一種合理有效的方法。監(jiān)控管理系統(tǒng)作為BDC 監(jiān)控、調(diào)度管理的核心，其設計合理性、有效性、智能性是決定整個BDC發(fā)揮其作用的關鍵因素。

目前，國內(nèi)外已有眾多學者對BDC 及立體倉庫的監(jiān)控管理系統(tǒng)進行了不同深度的研究及應用，文獻［3～5］研究了汽車零部件立體倉庫的監(jiān)控，通過建立零部件物料監(jiān)控系統(tǒng)提高了物料保障整個制造過程的零部件有效供給實現(xiàn)物流供應鏈的科學管理。文獻［6～10］研究了立體倉庫的物料出庫和入庫的路徑優(yōu)化算法，旨在尋求一種最優(yōu)的物料存取規(guī)則，充分利用有限的立庫空間，為提高汽車物流效率提供助力。文獻［11～13］通過研究基于射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），從數(shù)據(jù)采集方面來解決貨物信息的監(jiān)控問題。BDC 通過立體倉庫對焊接白車身和涂裝漆后車身進行存取，是汽車生產(chǎn)過程中保障沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間四大工藝車間的所有車身按照計劃順序執(zhí)行的重要組成部分，其中監(jiān)控與管理是整個BDC 的核心部分。國內(nèi)外學者對汽車分配中心監(jiān)控系統(tǒng)的研究多集中于對立體倉庫物流路徑規(guī)劃和圖像信息采集方面，而在對汽車生產(chǎn)中車身與四大工藝車間的調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少。因此，本文通過結(jié)合自動化物料立體倉庫監(jiān)控及管理系統(tǒng)的設計思路，對BDC 的監(jiān)控與管理系統(tǒng)進行設計與開發(fā)，能最大程度優(yōu)化生產(chǎn)過程中車身調(diào)度，解決資源瓶頸等問題。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構設計

BDC 是基于物流管理技術、現(xiàn)代信息技術、計算機通訊技術和自動控制技術等發(fā)展起來，對汽車工廠的焊接白車身和漆后車身進行自動化、智能化管理的綜合應用系統(tǒng)［14］。從系統(tǒng)監(jiān)控管理層面劃分，可將BDC分為管理層、監(jiān)控層及執(zhí)行層三層。

管理層通過Webservice 接收制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）［15］下發(fā)的焊裝、涂裝及總裝的生產(chǎn)計劃信息，并依據(jù)生產(chǎn)計劃、庫存及車身BSN（Body Serial Number）碼，生成車身去向編碼，并通過Socket將車身去向編碼發(fā)送到監(jiān)控層。

監(jiān)控層通過接收管理層下發(fā)的車身去向編碼，并依據(jù)設備狀態(tài)信息生成執(zhí)行層的控制指令，通過OPC（OLE for Process Control）發(fā)布到執(zhí)行層［16］。

執(zhí)行層接收到監(jiān)控層指令后，通過可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）［17］對輸送設備及堆垛機進行運動控制，實現(xiàn)白車身及漆后車身的快速入庫及出庫，從而達到通過計劃信息對車身進行快速、智能化調(diào)度及存取的目的。

圖1為BDC監(jiān)控管理系統(tǒng)體系結(jié)構圖。

3 系統(tǒng)功能設計

通過對監(jiān)控管理系統(tǒng)的體系結(jié)構及流程進行分析，依據(jù)統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Lan?guage，UML）［18］提出管理層及監(jiān)控層的總體用例需求，然后基于用例需求分別對管理層和監(jiān)控層進行功能架構設計。執(zhí)行層則通過模塊化的方式對PLC程序進行設計。

圖1 BDC監(jiān)控管理系統(tǒng)體系結(jié)構圖

3.1 管理層

管理層用例需求包括：系統(tǒng)管理、基礎信息、生產(chǎn)計劃、系統(tǒng)查詢、系統(tǒng)報表以及輔助功能。以上用例的描述如下。

1）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括用戶管理以及數(shù)據(jù)庫管理。用戶管理是對登錄管理層系統(tǒng)的所有用戶進行權限控制，以及增加、刪除、修改用戶登錄信息。數(shù)據(jù)庫管理則是對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行備份及恢復處理，以及按照要求對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行定期備份，必要時對數(shù)據(jù)進行恢復。

2）基礎信息

基礎信息主要包括車身、立庫、設備及MES 相關的基礎配置信息的管理。車身信息包含車型類別、車身BSN 碼的配置信息；立庫信息是對立庫的排、行、列等信息的配置管理［19～20］；設備信息是對立庫中所用到的堆垛機的可用狀態(tài)，以及與之對應的庫位進行配置；MES 信息則是系統(tǒng)與MES 接口信息的配置管理。

3）生產(chǎn)計劃

生產(chǎn)計劃是對從MES 中接收過來的生產(chǎn)計劃信息進行管理，主要包含焊接計劃、涂裝計劃、總裝計劃、焊裝出庫計劃以及涂裝出庫計劃。

4）系統(tǒng)查詢

系統(tǒng)查詢是對整個BDC 中庫存信息、庫位信息的查詢，并通過監(jiān)控層上傳的相關車身位置信息對車身的工藝位置進行跟蹤，同時，通過對BDC 中正在執(zhí)行的計劃信息進行管理。

5）系統(tǒng)報表

系統(tǒng)報表是對BDC 倉庫的預警、庫位利用率、車身的在庫庫齡以及車身的出入庫流水信息進行管理。

6）輔助功能

輔助功能則是對系統(tǒng)的操作日志、設備的故障報警信息通過數(shù)據(jù)庫進行管理并查詢，實現(xiàn)對監(jiān)控管理層及執(zhí)行層的所有在線信息進行管理和查詢。

圖2為BDC管理層系統(tǒng)架構圖。

圖2 BDC管理層系統(tǒng)結(jié)構圖

3.2 監(jiān)控層

監(jiān)控層系統(tǒng)用例需求包括：立庫操作、狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)信息、輔助功能。以上用例的描述如下。

1）立庫操作

立庫操作是可以通過系統(tǒng)對BDC 中的車身進行手動出入庫操作。

2）狀態(tài)信息

狀態(tài)信息是對執(zhí)行層中的設備、指令的狀態(tài)信息進行管理，主要包含指令狀態(tài)、出入庫設備狀態(tài)、堆垛機狀態(tài)、設備通訊狀態(tài)以及設備故障報警信息。

3）數(shù)據(jù)信息

監(jiān)控層與執(zhí)行層之間的數(shù)據(jù)通訊采用OPC 技術，為便于系統(tǒng)對PLC 變量數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)控，通過OPC瀏覽器對PLC變量進行管理，主要實現(xiàn)對OPC 數(shù)據(jù)的變量名、所屬設備及當前值的管理，OPC數(shù)據(jù)服務器對象的結(jié)構如圖3所示。

4）輔助功能

輔助功能則是對系統(tǒng)的操作日志、設備的故障報警信息通過數(shù)據(jù)庫進行管理并查詢，實現(xiàn)對監(jiān)控管理層及執(zhí)行層的所有在線信息進行管理和查詢。

圖4為BDC監(jiān)控層系統(tǒng)架構圖。

圖3 OPC服務器對象的結(jié)構圖

圖4 BDC監(jiān)控層系統(tǒng)結(jié)構圖

3.3 執(zhí)行層

執(zhí)行層設備主要包含輸送設備和堆垛機，堆垛機作為BDC 執(zhí)行監(jiān)控層下發(fā)指令的核心設備，對其PLC 控制程序采用模塊化開發(fā)的方式編寫。首先編寫各個子功能的控制程序，然后將各個子功能程序通過調(diào)用的方式集成到主程序中。圖5 是系統(tǒng)執(zhí)行層設備主控制程序流程圖。

圖5 執(zhí)行層設備主控制程序流程圖

執(zhí)行層設備在上電后自動運行自檢程序，用于檢測機械設備是否處于零位狀態(tài)，以及檢測各電氣設備是否處于正常工作狀態(tài)。當檢測正常后，系統(tǒng)才能進行正常的指令執(zhí)行操作。若系統(tǒng)自檢出現(xiàn)報警，需要BDC 管理人員對系統(tǒng)故障進行排查。圖6是執(zhí)行層設備自檢程序流程圖。

圖6 執(zhí)行層設備自檢程序流程圖

執(zhí)行層設備取貨與放貨指令是由監(jiān)控層將系統(tǒng)的出庫與入庫任務進行分解后發(fā)送到執(zhí)行層設備，由執(zhí)行層設備進行取貨和放貨指令的執(zhí)行。圖7是執(zhí)行層設備取貨與放貨子程序流程圖。

圖7 執(zhí)行層取貨與放貨子程序流程圖

4 系統(tǒng)通信接口設計

BDC 監(jiān)控管理系統(tǒng)中的管理層和監(jiān)控層之間以及監(jiān)控層和執(zhí)行層之間需要進行通信來完成協(xié)作，下面分別對這兩組通信接口進行設計和說明。

4.1 管理層與監(jiān)控層通信設計

管理層與監(jiān)控管理層之間通過Socket 進行通信，為節(jié)省系統(tǒng)之間通信資源的占用，采用Json 數(shù)據(jù)格式將結(jié)構化的車身去向編碼信息發(fā)送到監(jiān)控層，管理層下發(fā)的Json格式數(shù)據(jù)信息如下：

"message":"…",//附加信息

"command_data":[{"BSN":"...",//車 身 BSN 碼 "com?mand_type":"...",//指 令 類 型 "car_type":"...",//車 型 信 息"command_time":"...",//指令生成時間"Result":"...",//執(zhí)行結(jié)果}]

4.2 監(jiān)控層與執(zhí)行層通信設計

監(jiān)控管理層與執(zhí)行層之間通過OPC 進行雙向通信，監(jiān)控管理層將設備控制指令信息發(fā)送到執(zhí)行層設備，執(zhí)行層設備將指令執(zhí)行狀態(tài)、設備運行狀態(tài)、車身位置信息發(fā)送到監(jiān)控管理層，為監(jiān)控管理層對車身的調(diào)度與指令的生成提供判斷依據(jù)，監(jiān)控管理層與執(zhí)行層之間的通訊信息如下。

監(jiān)控層發(fā)送到執(zhí)行層數(shù)據(jù)信息：

＜item name="DB101,B0" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="start"remark="起始符"/＞

＜item name="DB101,B1" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="version"remark="版本號=1"/＞

＜item name="DB101,B2" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="mode" remark="工作模式0-維修;1-手動;2-單機自動;3-聯(lián)機自動;4-不明."/＞

＜item name="DB101,B3" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="busy"remark="作業(yè)狀態(tài)0-待機;1-取貨中;2-取貨完成;3-放貨中;4-請求卸貨(申請卸貨);5-放貨完成;6-取貨準備(回庫臺位);7-召回;8-急停;9-不明."/＞

＜item name="DB101,D4" vt="I4" owner="DDJ1" alias="jobNo"remark="任務號"/＞

＜item name="DB101,B8" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="gzbj" remark="故障報警0-無故障;1-貨物超限;2-作業(yè)條件不滿足;3-與輸送線通訊故障;4-傳送地址錯;5-指定庫位滿入;6-空出;7-行走變頻器報警;8-升降變頻器報警;9-貨叉變頻器報警;10-行走超時;11-升降超時;12-貨叉超時;13-水平測距出錯;14-垂直測距出錯;15-放貨異常;16-淺貨位有貨;17-貨叉數(shù)據(jù)出錯"/＞

＜item name="DB101,B9" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="line"remark="作業(yè)地址中的排號"/＞

＜item name="DB101,B10" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="column"remark="行走位置"/＞

＜item name="DB101,B11" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="layer"

remark="載貨臺位置"/＞

＜item name="DB101,B12"vt="UI2" owner="DDJ1"alias="kg_column" remark="行走開關信號"/＞

＜item name="DB101,B13" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="lg_layer" remark="載貨臺開關信號"/＞

＜item name="DB101,B14" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="xzsjxh"remark="行走和升降動作信號"/＞

＜item name="DB101,D15" vt="I4" owner="DDJ1" alias="xzbmq"remark="行走編碼器或激光數(shù)值"/＞

＜item name="DB101,D19" vt="I4" owner="DDJ1" alias="qsbmq"remark="起升編碼器或激光數(shù)值"/＞

＜item name="DB101,B23" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="zhtcxxh"remark="載貨臺超限信號"/＞

＜item name="DB101,B24" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="hcthxh"remark="貨叉探貨信號"/＞

＜item name="DB101,B25" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="hcwzxh"remark="貨叉位置信號"/＞

＜item name="DB101,B26" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="hcdzxh"remark="貨叉動作信號"/＞

執(zhí)行層發(fā)送到監(jiān)控層數(shù)據(jù)信息：

＜item name="DB100,B0" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="start"active="false"remark="起始符"/＞

＜item name="DB100,B1" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="version" active="false"remark="版本號=1"/＞

＜item name="DB100,B2" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="zyml" active="false" remark="作業(yè)命令1-取貨(空載行走到指定位置并伸叉取貨);2-放貨(雙重入庫)(帶貨行走到指定位置并伸叉放貨);3-通知可卸貨;4-解警;5-取貨準備(行走到指定地址,叉不動作);6-召回(到指定位置);7-急停;8-確認收到放貨完成."/＞

＜item name="DB100,D4" vt="I4" owner="DDJ1" alias="jobNo"active="false"remark="任務號"/＞

＜item name="DB100,B8" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="zyLine"active="false"remark="作業(yè)地址排"/＞

＜item name="DB100,B9" vt="UI2" owner="DDJ1" alias="zyColumn" active="false"remark="作業(yè)地址列"/＞

＜item name="DB100,B10" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="zyLayer"active="false"remark="作業(yè)地址層"/＞

＜item name="DB100,B11" vt="UI2" owner="DDJ1"alias="end" active="false"remark="結(jié)束符"/＞

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

在完成BDC 監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體體系結(jié)構、各層級架構及各層之間的通信設計之后，采用C#語言對管理及監(jiān)控層系統(tǒng)進行開發(fā)，執(zhí)行層則采用西門子TIA portal進行PLC程序的編寫。

5.1 管理層軟件開發(fā)

管理層主要是對整個BDC 進行生產(chǎn)計劃及日常的管理和操作，該操作軟件主要從功能性、穩(wěn)定性、易用性和美觀協(xié)調(diào)性等角度出發(fā)完成的開發(fā)。

5.2 監(jiān)控層軟件開發(fā)

監(jiān)控層采用OPC 技術將指令信息下發(fā)到執(zhí)行層，并對執(zhí)行層設備進行實時監(jiān)控，如圖9 所示為監(jiān)控層主界面圖。

圖8 管理層主界面圖

圖9 監(jiān)控層主界面圖

5.3 執(zhí)行層程序開發(fā)

執(zhí)行層采用西門子的TIA portal軟件進行主程序和各子模塊程序的開發(fā)，同時完成人機界面（Hu?man Machine Interface，HMI）的開發(fā)，實現(xiàn)對執(zhí)行層設備的狀態(tài)、指令信息、故障信息等的實時在線查看，系統(tǒng)具備手動、自動和維修三種模式，使系統(tǒng)使用及維護更方便。

6 結(jié)語

通過對BDC 監(jiān)控管理系統(tǒng)的管理層、監(jiān)控層、執(zhí)行層，以及各個層級之間的通信接口進行設計和程序開發(fā)，實現(xiàn)對BDC 的自動化管控。通過本研究，對BDC 的整體控制過程及信息流有了更深的認識。但未就汽車生產(chǎn)的排產(chǎn)問題對智能化調(diào)度BDC 庫進行更深入的研究，通過對BDC 庫的智能調(diào)度研究，優(yōu)化汽車生產(chǎn)的排產(chǎn)問題將是下一步研究工作的重點。