軌道車體涂裝線生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)設計*

劉 浩,王德權(quán),張 南,李 顯

(1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院,大連 116034;2.遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院大數(shù)據(jù)研究院,大連 116052)

0 引言

隨著中國高鐵、動車產(chǎn)品生產(chǎn)能力的持續(xù)提高,以及自動化、智能裝備的大量引入,高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)方式已成為工業(yè)建設的新戰(zhàn)略[1-3]。在工業(yè)裝備提高的今天,信息化技術(shù)已經(jīng)日益受到人們重視。

隨著信息化技術(shù)高速發(fā)展,高鐵、地鐵等制造行業(yè)也在快速裝備信息化技術(shù),通過信息化技術(shù)提高生產(chǎn)和管理[4-6]。信息化技術(shù)目前已應用于軌道車體的制造。由于軌道涂裝車間的工藝流程特性,表現(xiàn)為產(chǎn)品質(zhì)檢數(shù)據(jù)多,工時難統(tǒng)計,車體位置難追溯等問題,需要開發(fā)針對涂裝線的信息化監(jiān)控系統(tǒng)。

某地鐵涂裝車間由于其特有的非流水線生產(chǎn)模式,導致產(chǎn)品生產(chǎn)周期不固定、生產(chǎn)過程不透明、車體位置信息不準確。針對這些問題進行本監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā),目的是解決涂裝作業(yè)中如何準確的追溯車體信息反饋給上級管理系統(tǒng),并通過生產(chǎn)調(diào)度算法生成詳細的生產(chǎn)計劃進而靈活處理下達任務,掌握生產(chǎn)過程中工序的節(jié)拍、工時、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及如何監(jiān)控設備的使用情況等問題。通過數(shù)據(jù)采集、反饋、分析和改善存在的問題,從而提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)精益生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)的需求分析與流程設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

結(jié)合涂裝車間實際加工流程確定:軌道車體涂裝廠區(qū)共有底漆、膩子、中涂、面漆4大工區(qū),每個車體需要進行22～24道工序加工,每道工序有一個或多個生產(chǎn)工位。車體在涂裝生產(chǎn)完成后需要進行質(zhì)量檢測,檢測合格后運到總裝工區(qū)進行總裝。具體流程如圖1所示。系統(tǒng)主要需求:

圖1 車間生產(chǎn)業(yè)務流程圖

(1)車體上線。為了涂裝車間車體流轉(zhuǎn)的信息能夠?qū)崟r被掌握。所以需要在每個生產(chǎn)工位上安裝RFID高頻讀卡器,并將卡片與加工車體綁定,通過對讀卡器的實時數(shù)據(jù)采集,就能清晰的掌握加工車體所在的工位及加工的工序等信息。

(2)ANDON報警。生產(chǎn)過程中,如果出現(xiàn)意外情況,需要進行報警報文。結(jié)合生產(chǎn)實際,須有物料、質(zhì)量、設備的報警,并附加詳細信息反饋給上級信息系統(tǒng)做統(tǒng)計。個別報警可導致此工位的暫時停產(chǎn),等報警解除后方可正常生產(chǎn)。

(3)生產(chǎn)記錄。生產(chǎn)過程中,需要清晰的掌握每道工序加工的開始、意外暫停、恢復、完成的時間及BOM等信息。

(4)工序?qū)z。工序?qū)z作為涂裝線的重要組成部分,主要是對完成加工的車體質(zhì)量進行專檢并記錄質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)。

(5)設備點檢。涂裝設備的點檢與維護信息缺少詳細和及時的統(tǒng)計。在設備正常運轉(zhuǎn)時,加工人員沒有檢測和維護計劃,使得設備出現(xiàn)問題的預測不可控,從而間接的影響生產(chǎn)效率。這樣監(jiān)控系統(tǒng)平臺就需要有設備點檢模塊,按照計劃對設備進行點檢與維護,防止設備出現(xiàn)長期缺乏維護的現(xiàn)象。

1.2 系統(tǒng)流程設計

監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中扮演著全程參與的“信息傳遞者”的角色,要擁有管理調(diào)節(jié)車間活動的各項功能,同時也密切聯(lián)系其它信息系統(tǒng)并為其提供服務[1,4]。監(jiān)控系統(tǒng)平臺的生產(chǎn)任務來源于上級ERP系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)接口讀取上級生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)并通過生產(chǎn)調(diào)度算法處理優(yōu)化,進行任務下發(fā)。

監(jiān)控系統(tǒng)平臺分為上線工位、普通工位與下線工位,這就要求監(jiān)控系統(tǒng)平臺終端必須是分布式布在各個生產(chǎn)臺位,并與上級信息管理系統(tǒng)實時通訊,進行數(shù)據(jù)的傳輸及反饋,為管理層提供決策的依據(jù)。

根據(jù)以上的特點,設計監(jiān)控系統(tǒng)平臺工作站的功能流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)工作站流程圖

2 涂裝線監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

涂裝線監(jiān)控系統(tǒng)平臺采用的是B/S架構(gòu)。B/S架構(gòu)是由瀏覽器、web服務器以及數(shù)據(jù)庫3層架構(gòu)組成。將平臺部署在遠程服務器后,在車間一體機上安裝瀏覽器即可訪問監(jiān)控系統(tǒng)平臺,監(jiān)控系統(tǒng)平臺的優(yōu)化與更新也只需要更新服務器的程序即可。

Web開發(fā)采用的技術(shù)有HTML5、CSS3、JavaScript,選用了Vue.js框架作為開發(fā)基礎。Vue的特點是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向綁定,通過MVVM(model-view-viewmodel)框架處理數(shù)據(jù),當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時,瀏覽器顯示的視圖也會隨之發(fā)生變化,反過來也如此。這種框架可以快速實現(xiàn)前后端的數(shù)據(jù)同步,從而避免數(shù)據(jù)緩存引起的錯誤。

涂裝線監(jiān)控系統(tǒng)平臺web服務以.NET為開發(fā)平臺操作數(shù)據(jù)庫及處理相應業(yè)務邏輯,提供數(shù)據(jù)服務支持。通過接收web端發(fā)送的HTTP請求對數(shù)據(jù)處理后,返回給前端進行數(shù)據(jù)或圖表展示[9]。

數(shù)據(jù)庫采用的是SQL Server2012,此數(shù)據(jù)庫不僅能存儲數(shù)據(jù),還可以通過建立存儲過程處理業(yè)務邏輯,十分靈活。數(shù)據(jù)庫的設計需要滿足數(shù)據(jù)庫三范式,并且具備良好的可擴展性,此系統(tǒng)的設計全部具備主鍵,并存在關(guān)系表,使得數(shù)據(jù)之間的連接更加清晰,邏輯性更強。同時,為了避免數(shù)據(jù)丟失,開發(fā)了數(shù)據(jù)庫備份的腳本,每天自動備份一次,確保數(shù)據(jù)的準確和安全。

監(jiān)控系統(tǒng)平臺硬件主要有RFID高頻讀卡器、32寸一體觸控電腦、數(shù)據(jù)采集服務器、數(shù)據(jù)庫服務器。

數(shù)據(jù)采集程序通過西門子S7、Socket、Modbus TCP進行通訊。白澤數(shù)控機床是通過Socket手段發(fā)送報文實現(xiàn)的通訊,Fanuc、KUKA機器人以及往復龍門等設備將數(shù)據(jù)寫入西門子PLC,并通過西門子S7協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。RFID通過Modbus TCP協(xié)議讀取傳輸數(shù)據(jù)。當PLC接收到車體到位信號后,會驅(qū)動對應接口程序調(diào)用RFID程序來讀取卡片信息同時寫入PLC,驅(qū)動設備進行對應工作。數(shù)據(jù)采集通過實時通信模式進行通訊,避免了傳統(tǒng)的輪詢方式帶來的耗費大量的帶寬和CPU資源等問題。當前的采集程序只需要與web服務器依靠一個連接進行。只需要請求一次,就可以保持數(shù)據(jù)不間斷傳送了。

3 生產(chǎn)調(diào)度的建模與算法選擇

涂裝生產(chǎn)作業(yè)排產(chǎn)問題通?？擅枋鰹?一個訂單包含n種車型,每個車型需要經(jīng)過m種工序加工。由于同一種工序可以由不同的工位進行加工,這也就表明同一種工序可以由不同的設備進行加工,需要假設有r個設備[11]。因為工序加工設備不確定,也就導致同一工序加工的時間和成本消耗也就不同,并且不同設備的加工時間和磨損也不同。由于上述原因,生產(chǎn)調(diào)度建模和算法就變得尤為重要,它可以優(yōu)化成本消耗減少加工時間。

設備加工時間:

設備最大負載:

全部設備最大負載:

噴涂最小加工成本:

針對離散車間生產(chǎn),排產(chǎn)功能實質(zhì)是一個并行柔性作業(yè)的車間問題。對此類問題的求解,遺傳算法(GA)是一種研究較多的、具有通用性、易于通過程序?qū)崿F(xiàn)的方法。本文參照王小梅等[12]提出的基于遺傳算法的柔性沖壓車間生產(chǎn)調(diào)度多目標優(yōu)化混合算法進行調(diào)度優(yōu)化處理,對優(yōu)化后的結(jié)果進行反饋,進一步生成詳細的生產(chǎn)計劃。通過真實數(shù)據(jù)測試反饋,該算法通過擇優(yōu)生產(chǎn)有效的降低了生產(chǎn)的時間成本及消耗成本。

4 系統(tǒng)模塊設計

根據(jù)生產(chǎn)實際需求,監(jiān)控系統(tǒng)模塊主要為車體上線、涂裝生產(chǎn)、ANDON報警、任務查詢、設備維保等。從車體開始涂裝直至涂裝結(jié)束,監(jiān)控系統(tǒng)可實時采集車體每一道工序的涂裝數(shù)據(jù),包括人員加工工時,設備工時等信息。使加工數(shù)據(jù)透明化,為上層分析、決策提供最真實依據(jù)。并提供作業(yè)指導,圖紙、BOM等信息,為工人生產(chǎn)提供指導。

進入監(jiān)控系統(tǒng)刷卡登錄后,監(jiān)控系統(tǒng)通過自動讀取刷卡人信息與系統(tǒng)人員信息進行比對,符合要求的人員才可以進行操作。包括車體上線、涂裝生產(chǎn)、生產(chǎn)報警、生產(chǎn)任務查詢、設備維保、下線交檢模塊。模塊設置如圖3所示。涂裝線監(jiān)控系統(tǒng)總體界面如圖4所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的模塊

圖4 涂裝線監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 車體上線

車體上線模塊在上線工位進行顯示,在準備進行的車體進入上線工位前,調(diào)度車體的滑輪車已經(jīng)在輪子處攜帶RFID卡,當車體進入到上線工位后,RFID高頻讀卡器會自動讀取到卡片信息,并通過手動選擇車體進行對車體的綁定,綁定后會返回給上級管理系統(tǒng),管理系統(tǒng)可實時掌握車體位置信息。并且在整個涂裝加工過程中,此車體的唯一信息已經(jīng)確定,這樣通過RFID就可以對車體進行監(jiān)控,在后續(xù)加工中,可以通過掃描卡片的信息得知當前車體信息,對加工工位接收車體進行防錯判斷。還可以通過RFID高頻讀卡器監(jiān)控此車體何時在何工位進行何工序加工,清晰的掌握涂裝過程的每一個工序加工信息。

4.2 涂裝生產(chǎn)

涂裝生產(chǎn)模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分,整個車體的加工、暫停、完成信息由此處產(chǎn)生。進入涂裝生產(chǎn)模塊,系統(tǒng)會自動查收當前工位的涂裝任務,生產(chǎn)班長可通過編輯狀態(tài)來添加實際操作人員。

此模塊會顯示任務的計劃開始加工時間以及計劃節(jié)拍,開始加工同時平臺會自動的去把實際加工的開始時間錄入到數(shù)據(jù)庫中保存。在工位出現(xiàn)異常情況或無法正常加工時可取消加工或暫停按加工,同時平臺會自動把每一次暫停時間記錄到數(shù)據(jù)庫中,當異常解除后可點擊恢復按鈕恢復加工,一次加工可以進行多次暫停,平臺會記錄恢復時間并自動計算暫停的總時間,在加工完成后點擊完成按鈕,系統(tǒng)自動計算出實際加工節(jié)拍(實際節(jié)拍min=實際開始時間-暫?？倳r間)。

加工過程中,操作人員可通過圖紙、BOM、作業(yè)指導按鈕查看相應信息。加工完成后進行自互檢,對完成的質(zhì)量進行自檢并填寫對應信息。

4.3 生產(chǎn)報警

生產(chǎn)報警也稱為ANDON,ANDON是指在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常情況的警示手段,通過變換燈的顏色呼叫不同的報警信息。

涂裝監(jiān)控平臺ANDON系統(tǒng)主要包括:物料報警、質(zhì)量報警、設備報警。物料異常報警主要有缺少物料報警、錯誤物料報警和不合格報警,當涂裝缺少用漆時,點擊缺少物料報警后調(diào)漆工作人員接收信息后會進行物料輸送。錯誤物料報警是由于物料(油漆)與工序不匹配而設置的報警機制,當物料出現(xiàn)錯誤時,進行報警反饋來更換物料。不合格報警是由于物料(油漆)存在問題時的警示。質(zhì)量報警分為質(zhì)量異常報警、工藝問題報警以及電子指導問題報警3種。質(zhì)量異常報警是由于加工人員在加工過程中失誤或者設備出現(xiàn)問題。當出現(xiàn)非常規(guī)的工藝安排,可以提交工藝報警。所有的涂裝工序都有圖紙和作業(yè)指導,加工指導信息存在問題即可進行電子指導問題報警。故障報警是面向設備專門設置的報警模塊,設備出現(xiàn)問題可以手動進行報警,同時,平臺通過實時監(jiān)控設備的電流電壓等信息會自動分析設備的健康狀況,發(fā)現(xiàn)問題時會自動呼叫報警。

4.4 設備點檢模塊

設備點檢包括開工前、過程中、作業(yè)后對設備進行的專項維護與檢查。針對不同的臺位設備點檢項的設置不盡相同,主要是針對設備使用前、使用中、以及使用后的檢查。開工前會檢查設備的正常運行情況,并對設備進行上油、清潔灰塵等保養(yǎng),過程中主要是在使用設備加工的同時注意設備的狀態(tài)并注意保護設備,不要進行對設備有損傷的違規(guī)操作,作業(yè)后會對設備進行整體的保養(yǎng)與清潔維護,保證設備的健康。設備點檢模塊的設置主要是為了能夠延長設備的使用壽命。

4.5 任務查詢模塊

任務查詢模塊主要為操作工人查看自己工時與自己完成的任務數(shù)統(tǒng)計而設置的模塊。系統(tǒng)自動顯示當前登錄工作人員一個月的工作記錄:包括涂裝的車體信息、工序信息、加工各個節(jié)點的時間、計劃節(jié)拍、實際節(jié)拍等信息。供實際操作人查閱自己的工作完成情況。

5 結(jié)束語

通過對某一車身涂裝車間長期調(diào)研與陪產(chǎn),發(fā)現(xiàn)了該車間目前存在的問題,針對這些問題設計并開發(fā)了涂裝車間監(jiān)控系統(tǒng)。重點對涂裝車間進行流程分析設計,從體系架構(gòu)、功能模塊和軟硬件系統(tǒng)的集成設計了涂裝監(jiān)控平臺。該平臺已應用某高鐵、地鐵、動車軌道車體涂裝車間,有效解決了該車體加工過程中車體位置監(jiān)控、車體加工信息難追溯等問題,提高了車身涂裝作業(yè)效率。目前,系統(tǒng)已成功應用于某軌道車體涂裝車間,基本滿足生產(chǎn)實際需求。