基于MES 的智能亮燈揀選在發(fā)動機(jī)裝配線應(yīng)用研究

劉業(yè)通

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

近年來，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)對于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理的需求日益迫切。在發(fā)動機(jī)裝配線等復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中，物料管理[1]是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，直接影響到裝配準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率。因此，研究和應(yīng)用適合的物料管理技術(shù)成為提升裝配線效能的關(guān)鍵之一，隨著發(fā)動機(jī)制造業(yè)推行SPS（Set Parts Supply，成套零部件供應(yīng)）配送方式取代傳統(tǒng)線物料的配送方式，以降低裝配人員裝錯零件的概率。在生產(chǎn)現(xiàn)場，根據(jù)生產(chǎn)裝配工藝流程設(shè)置有配料區(qū)，物料配送員需要根據(jù)生產(chǎn)訂單將產(chǎn)品所需裝配的零件進(jìn)行揀選，并分配到相應(yīng)物料小車，實現(xiàn)零件跟產(chǎn)品一一配套。由于不同機(jī)型所配的同一零件本身外觀差異不大，在揀料的過程中，為了防止出錯，需要員工拿著打印好的生產(chǎn)訂單從零件庫中逐一對照零件物料信息，然后拾取相應(yīng)規(guī)格和相應(yīng)數(shù)量的零件。這樣的不僅工作效率低，并且存在揀錯物料風(fēng)險，造成裝配的質(zhì)量隱患。

通過綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和實踐經(jīng)驗，分析亮燈揀選技術(shù)與MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）[2]的結(jié)合原理和優(yōu)勢，并提出一種基于MES 系統(tǒng)的亮燈揀選系統(tǒng)框架。該框架整合MES 系統(tǒng)和亮燈揀選技術(shù)的操作要素，實現(xiàn)準(zhǔn)確的裝配指導(dǎo)和實時數(shù)據(jù)反饋，從而提升物料管理和裝配操作的效率。通過以發(fā)動機(jī)的主軸瓦和連桿瓦的實踐案例的應(yīng)用和分析，評估基于MES 系統(tǒng)的亮燈揀選在發(fā)動機(jī)裝配線上的應(yīng)用效果，結(jié)果表明該系統(tǒng)在提高物料管理準(zhǔn)確性、降低裝配誤差和提升生產(chǎn)效率方面具有潛力和優(yōu)勢。

為了讓物料揀選[3]更加簡便、準(zhǔn)確，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能防錯，開發(fā)一套MES 訂單管理統(tǒng)一指揮系統(tǒng)，采用PLC 智能化化控制，通過智能的亮燈的方式，提示員工按亮燈揀選物料，并將揀選的物料與訂單進(jìn)行綁定，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)裝配過程物料的防錯和數(shù)據(jù)的采集[4]，提升生產(chǎn)效率。

1 亮燈揀選系統(tǒng)的整體方案

通過理論研究和實踐應(yīng)用，選取發(fā)動機(jī)的軸瓦和連桿瓦亮燈揀選作為實施案例，構(gòu)建出亮燈揀選的解決方案。

1.1 系統(tǒng)主要功能

智能亮燈揀選系統(tǒng)把不同機(jī)型的軸瓦零件按質(zhì)量匹配數(shù)據(jù)分成紅瓦、藍(lán)瓦，通過掃描軸瓦物料號和物料架的料道二維碼，自動實現(xiàn)物料號與料道數(shù)字化綁定；當(dāng)發(fā)動機(jī)到達(dá)裝軸瓦工位時，亮燈揀選系統(tǒng)[5]通過數(shù)采系統(tǒng)服務(wù)器與MES 進(jìn)行信息交互，把該機(jī)型需要裝配軸瓦的物料號、物料信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到設(shè)備系統(tǒng)，經(jīng)過設(shè)備系統(tǒng)信息處理，并通過現(xiàn)場總線使設(shè)備控制觸發(fā)相應(yīng)的料道指示燈進(jìn)行指示，同時在HMI 上顯示屏上同步顯示當(dāng)前裝配的機(jī)型、需要使用的物料號、物料數(shù)量、物料種類。

1.2 系統(tǒng)硬件組成及通信接口

該項目使用最新S7-1515 PLC 作控制主機(jī)，通過與線體S7-300 PLC、MES 進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)信息讀取交換、信息比對以及在S7-1515 PLC 上進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技術(shù)，以及應(yīng)用了無線識別技術(shù)，系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)

1.3 亮燈揀選接口設(shè)計需求

為了確保接口獲取的數(shù)據(jù)傳輸完整，接口數(shù)據(jù)條數(shù)的總數(shù)需滿足使用要求?？蛻舳嗽谠L問接口獲取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)完成傳輸后，需要判斷獲取的條目數(shù)與接口字段返回的條目數(shù)一致后，方可確認(rèn)為數(shù)據(jù)已完整獲取，否則客戶端需要重新獲取數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)完整。硬件架構(gòu)接口如圖2 所示。

圖2 硬件架構(gòu)接口

2 亮燈揀選系統(tǒng)的開發(fā)

亮燈揀選系統(tǒng)開發(fā)包含線邊物料控制系統(tǒng)、揀選數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC 與設(shè)備間的通信系統(tǒng)和亮燈防錯系統(tǒng)。

2.1 線邊物料架系統(tǒng)

線邊物料架的料道數(shù)為300 個，一個料道固定一種物料，每個料道需配置一個亮燈電子標(biāo)簽，設(shè)置的亮燈顯示的物料進(jìn)行不同顏色燈光指示，在輸料機(jī)構(gòu)表面存儲的物料規(guī)格不同時，該亮燈顯示機(jī)構(gòu)可以分別發(fā)出紅、藍(lán)、黃3 種顏色的燈光，黃色為預(yù)留定義，紅色、藍(lán)色則與相應(yīng)的紅瓦、藍(lán)瓦相對應(yīng)，線邊配料操作人員根據(jù)亮燈顯示機(jī)構(gòu)發(fā)出的光線，可以直觀地了解到輸料機(jī)構(gòu)表面的物料的規(guī)格，利于操作人員對物料進(jìn)行揀選。線邊料架效果如圖3 所示。

圖3 線邊料架效果

通過PLC 控制和外部的檢測傳感器進(jìn)行開關(guān)計數(shù)，可以檢知輸送料架是否缺料，也可以通過PLC 控制運(yùn)算后得知配料操作人員已經(jīng)裝配的物料類型、物料數(shù)量等相關(guān)信息，并形成信息數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)塊中。

2.2 亮燈揀選數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

對接亮燈揀選從MES 系統(tǒng)讀取機(jī)型需要裝配的物料信息：MES 系統(tǒng)通過數(shù)采平臺與產(chǎn)線PLC 集成，該控制系統(tǒng)包括掃描儀、工控機(jī)、西門子S7-1515 PLC，第一燈體和第二燈體均與中控系統(tǒng)（該中控機(jī)系統(tǒng)由工控機(jī)和PLC 控制器硬件組成）進(jìn)行連接，在具體實施時，該中控系統(tǒng)具有程序下載端口和存儲模塊，程序下載端口用于下載軸瓦物料的規(guī)格參數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到存儲模塊中，該掃描儀用于掃描物料件表面的條形碼或二維碼得出物料的規(guī)格，然后將掃描處理過的信息以數(shù)據(jù)的方式傳遞給中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)將掃描得到的數(shù)據(jù)與存儲模塊中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可得出輸送輸料件表面的物料的規(guī)格，并控制啟動對應(yīng)的第一燈體或第二燈體，以發(fā)出與物料規(guī)格相匹配的顏色的光照。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集來自生產(chǎn)線的產(chǎn)量數(shù)據(jù)或是不良品的數(shù)量、或是生產(chǎn)線的故障類型（如設(shè)備停線、上下工序缺料、零件品質(zhì)不良），并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中；生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集在品質(zhì)控制過程中的非常重要的一個環(huán)節(jié)，這個數(shù)據(jù)采集方案可把相關(guān)人員從處理數(shù)據(jù)的繁重工作中解放出來，有更多的時間去解決實際的品質(zhì)問題，同時即時的數(shù)據(jù)采集也使系統(tǒng)真正地實現(xiàn)實時監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)錯裝配、漏裝配問題，避免更大的損失。

2.3 PLC 與設(shè)備間的通信系統(tǒng)

能夠讓整個系統(tǒng)中所有的設(shè)備通信互通，保證了信息的傳輸。通信系統(tǒng)的建立主要是將各工序位置不同的PLC（含S7-300 PLC、西門子S7-1200 系列PLC、西門子S7-1500 系列PLC）、工控機(jī)、各種現(xiàn)場設(shè)備伺服系統(tǒng)，通過通信介質(zhì)連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議、以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。通信系統(tǒng)的主控由西門子S7-1515 PLC 與MES 通信[6]，能夠準(zhǔn)確接收到機(jī)型的物料信息，通過對信息的處理再發(fā)送到亮燈系統(tǒng)。西門子S7-1515 PLC 與線內(nèi)各設(shè)備通信，讀取當(dāng)前裝配的機(jī)型及每擋軸瓦需要裝配的紅/藍(lán)瓦信息；讀取流水線上設(shè)備狀態(tài)信息；讀取操作工序中斷及請求信息；以及PLC 與掃描儀通信，讀取物料號與料道號信息、綁定物料號與料道號關(guān)系等。所有數(shù)據(jù)在上傳MES 系統(tǒng)前均進(jìn)行工控機(jī)存儲及暫時存儲在PLC 內(nèi)，PLC 內(nèi)存儲可以確保突然停電等情況下數(shù)據(jù)不會丟失，能夠?qū)崿F(xiàn)短時的離線工作和短時的斷網(wǎng)工作，配合工控機(jī)內(nèi)存儲可以實現(xiàn)批量暫存，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

2.4 亮燈揀選系統(tǒng)

為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和實時反饋，系統(tǒng)框架中應(yīng)考慮數(shù)據(jù)傳輸和集成的方式。通過無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)與MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和信息共享。系統(tǒng)主要通過總控西門子S7-1515 PLC 博途編程對整個信息的接收、邏輯的運(yùn)算、信息的比對、信息的處理以及對料架指示燈的信號控制。發(fā)動機(jī)到達(dá)工位，在工控機(jī)系統(tǒng)通過接口與MES 系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，從MES 系統(tǒng)將訂單號、發(fā)動機(jī)編號，顯示在HMI 界面上；系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的匹配和計算，形成該發(fā)動機(jī)需要裝配的軸瓦信息；在工控機(jī)系統(tǒng)的顯示屏上正確顯示每個軸瓦需要裝配的軸瓦顏色和物料號，并將該信息傳輸?shù)搅霞艿目刂葡到y(tǒng)，自動控制料架的顏色指示燈，通過料架對應(yīng)的燈亮提示選擇對應(yīng)料道的物料；當(dāng)發(fā)動機(jī)完成裝配料并離開工位時，PLC 程序控制相應(yīng)的軸瓦指示燈滅；同時設(shè)定料架的每一條料道都可以存放不同物料號的軸瓦，軸瓦的物料號通過編程實現(xiàn)在系統(tǒng)介面上進(jìn)行任意修改和自主設(shè)置定義。

3 亮燈揀選系統(tǒng)的應(yīng)用效果

基于MES 系統(tǒng)的亮燈揀選在發(fā)動機(jī)裝配線上具有顯著的優(yōu)勢。它能夠提供準(zhǔn)確的裝配指導(dǎo)和實時數(shù)據(jù)反饋，幫助裝配員快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行物料揀選和裝配操作。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了物料的追溯和管理，保證了裝配過程的準(zhǔn)確性和可靠性。與傳統(tǒng)的物料管理和裝配方式相比，基于MES 系統(tǒng)的亮燈揀選能夠顯著提高物料管理的準(zhǔn)確性、降低裝配誤差，并大幅度提升發(fā)動機(jī)裝配線的生產(chǎn)效率，同時采用物流網(wǎng)通信技術(shù)，大大提升系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

3.1 提高揀選效率、降低揀貨差錯率

傳統(tǒng)的軸瓦零件揀選模式是通過記憶及看料道信息進(jìn)行揀選，效率比較低，而且會出現(xiàn)差錯。新的揀選系統(tǒng)，通過與線體設(shè)備S7-300 PLC、MES 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)信息讀取交換、信息比對，以及在S7-1515 PLC 上進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。操作人員通過掃描軸瓦物料號和物料架的料道二維碼，自動實現(xiàn)物料號與料道數(shù)字化綁定；當(dāng)發(fā)動機(jī)到達(dá)裝軸瓦工位時，亮燈揀選系統(tǒng)通過數(shù)采系統(tǒng)服務(wù)器把該機(jī)型需要的物料號通過網(wǎng)絡(luò)傳送到系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)信息處理，利用PLC 的DB 塊存儲所有物料信息、每種機(jī)型裝配的物料信息，自動顯示需要裝配的軸瓦（相應(yīng)料道亮紅燈或藍(lán)燈），配料操作人員根據(jù)信號揀選軸瓦配件，光電開關(guān)辨識到已拿取某擋軸瓦后，系統(tǒng)控制當(dāng)前燈滅，按當(dāng)前發(fā)動機(jī)的裝配紅藍(lán)瓦信息，對下一擋的軸瓦進(jìn)行亮燈。同時對現(xiàn)場的揀貨狀況進(jìn)行實時性的監(jiān)控，減少了揀貨差錯率。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)實時性、穩(wěn)定性

為了達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)的實時性和穩(wěn)定性，使用最新S7-1515 PLC 作控制主機(jī)，該P(yáng)LC 具有高水平的系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速信號處理能力，而且應(yīng)用ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技術(shù)、無線識別技術(shù)，保障了設(shè)備間通信的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸及時，很方便的與其他線上設(shè)備通過各現(xiàn)場總線技術(shù)兼容，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？刂浦鳈C(jī)在收到MES 系統(tǒng)或上位機(jī)傳送來的分揀指令時，所控制的亮燈系統(tǒng)可以立即做出響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的指示，并且如果MES 系統(tǒng)、上位機(jī)或工序請求等同時發(fā)出多個指令，則可以根據(jù)相關(guān)響應(yīng)級別進(jìn)行排序，控制料架機(jī)構(gòu)進(jìn)行提示揀貨，而不必等到上一個訂單完成，按順序完成軸瓦零件分揀任務(wù)。亮燈揀選系統(tǒng)根據(jù)訂單及機(jī)型的信息比對及處理，及時輸出信號控制料架亮燈，操作人員根據(jù)信號揀選配件。

4 亮燈揀選系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用及展望

在未來的研究和應(yīng)用中，可以進(jìn)一步探索和完善基于MES系統(tǒng)的亮燈揀選技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配線中的應(yīng)用。首先，可以進(jìn)一步改進(jìn)零件識別與追蹤技術(shù)，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和效率。例如，可以引入深度學(xué)習(xí)和人工智能算法，實現(xiàn)對零件的自動識別和跟蹤，減少人工干預(yù)和操作的需求，進(jìn)一步提高裝配的效率和一致性。其次，可以加強(qiáng)亮燈揀選系統(tǒng)與其他裝配線系統(tǒng)的集成和協(xié)同工作。通過與計劃調(diào)度系統(tǒng)、物料管理系統(tǒng)和質(zhì)量管理系統(tǒng)等的無縫集成，可以實現(xiàn)全面的生產(chǎn)過程管理和優(yōu)化。例如，可以將零件需求和狀態(tài)信息與物料管理系統(tǒng)進(jìn)行實時同步，以實現(xiàn)零件供應(yīng)鏈的優(yōu)化和調(diào)度。此外，還可以進(jìn)一步提升亮燈揀選系統(tǒng)的智能化水平。通過引入自動化設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)，可以實現(xiàn)更高程度的自動化和智能化。例如，可以引入自動揀選機(jī)器人，實現(xiàn)對零件的自動揀選和傳送，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確性。最后，還可以將亮燈揀選技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域和行業(yè)。除了發(fā)動機(jī)裝配線，亮燈揀選系統(tǒng)在其他制造業(yè)領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景，如電子制造、機(jī)械制造等。通過借鑒和推廣亮燈揀選技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配線的成功經(jīng)驗，可以為其他領(lǐng)域的生產(chǎn)過程優(yōu)化和改進(jìn)提供有益參考。