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，對于整車質(zhì)量與運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等事后控制模式逐步向過程控制轉(zhuǎn)變，對生產(chǎn)過程各類數(shù)據(jù)采集能力的要求日益提升。同時，由于很多車橋廠生產(chǎn)手段較為落后，自動化、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，需要實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集。此外，生產(chǎn)過程中信號干擾、油污等問題均會對數(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)計面向車橋裝配過程的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES）時，需綜合考慮上述問題以及應(yīng)對措施。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)場之間信息橋梁的角色，是走向制造過程實時信息集成的紐帶。

1 MES數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用概述

上海柴油機股份有限公司通過射頻識別、掃描槍及手工錄入信息的方式實現(xiàn)柴油機裝配過程信息采集與追蹤[2]；張金等[3]針對目前質(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平臺的現(xiàn)場質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以平板或手機作為客戶端，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。以中橋為例，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，還需要針對車橋裝配過程中特有的主、被齒輪配對問題進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配校驗，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)場作業(yè)環(huán)境存在油污等情況，紙質(zhì)材料易受污染；同時，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，大量紙質(zhì)材料為查詢追溯工作帶來了極大不便；在主、被齒輪配對時，以往采用粉筆標(biāo)號的方式進(jìn)行配對記錄，該類記號在作業(yè)現(xiàn)場很難長時間存留，同時在配對過程中靠人眼識別的方式，很難避免錯裝、誤裝。此外，由于該條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)6類產(chǎn)品，需要生產(chǎn)線保證足夠的柔性，設(shè)備能夠自動識別當(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

根據(jù)第2小節(jié)分析，本項目將產(chǎn)品信息作為串聯(lián)整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)的核心要素。設(shè)計“產(chǎn)品出生證”，采用一定編碼規(guī)則涵蓋產(chǎn)品類型信息、計劃隊列信息以及生產(chǎn)日期信息，并利用打碼機刻于在制品上，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)加工信息主要存儲于設(shè)備PLC中，主要利用OPC技術(shù)，實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)同在制品信息實時綁定、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

針對關(guān)鍵零部件數(shù)據(jù)的信息采集問題，本項目根據(jù)工廠實際生產(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校驗環(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+報警燈”組合的目視化管理方式，校驗流程如圖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)信息及時下達(dá)至生產(chǎn)現(xiàn)場以指導(dǎo)生產(chǎn)。中間層主要實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)、異常工況信息的采集與存儲，以及對生產(chǎn)現(xiàn)場各類制造資源的運行狀態(tài)的監(jiān)控；設(shè)備層根據(jù)生產(chǎn)指令和對當(dāng)前在制品的識別信息進(jìn)行裝配作業(yè)，并實時反饋工況信息。

圖3 主錐總成與差速器總成合裝校驗流程圖

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)過程實時數(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象的模型接口標(biāo)準(zhǔn)。為了方便配置、監(jiān)控，本項目選擇了KEPserver作為OPC服務(wù)器。上位機通過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)建多個與裝配工位具有映射關(guān)聯(lián)的組（Group）；在每個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OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問即可實現(xiàn)與現(xiàn)場設(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)在讀寫頭工作信號正常的情況下，偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整的情況，通過對上位機程序、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。但由于機械產(chǎn)品生產(chǎn)、工作環(huán)境中油污問題會對二維碼可識別性造成很大問題。比較好的解決方式是通過激光打碼機提高打碼質(zhì)量，但激光打碼機價格昂貴，本項目依然選用了氣動打碼機。該打碼機在關(guān)鍵零部件非工作面刻印二維碼，但易被油污污染，造成識別困難，為此專門設(shè)計了一種透明貼膜，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

本項目實施后，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。在項目實施前，生產(chǎn)現(xiàn)場信息傳遞依靠人員進(jìn)行；項目實施后通過各類報警燈、電子看板等方式，實現(xiàn)了整個生產(chǎn)過程信息及時傳遞、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，每年需要耗費大量紙張。項目實施后在實現(xiàn)無紙化同時，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了可追溯、可查詢，同時為人員績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個工位就需要安排1名工人。項目實施后，主減速器裝配區(qū)域每條線體人員需求量僅為原來的60%～70%，在“全自動”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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