周華英 李勁峰 劉 偉 盧昌文

（1． 義烏吉利動力總成有限公司，浙江 義烏 322003 ；2． 寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

1 物料采集對信息管理系統(tǒng)的重要性

在發(fā)動機裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)中，掃描槍是信息流數(shù)據(jù)收集者，在生產(chǎn)訂單BOM物料檢驗過程中確保投放物料品種的正確性，減少線邊庫存，優(yōu)化庫房管理，同時能提高精益生產(chǎn)水平。

目前，多種掃碼設備已經(jīng)集成于PLC硬件組態(tài)中，編程應用淺顯易懂易懂，與各種類PLC的兼容可以完美集成，完成數(shù)據(jù)采集，該項技術已經(jīng)較成熟。數(shù)據(jù)采集結(jié)合OPC數(shù)據(jù)庫構(gòu)架意味著萬物互聯(lián)的信息時代到了，也促進了工業(yè)智能制造的發(fā)展。

車間制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展已有20多年，隨著企業(yè)信息化應用水平的不斷提高，企業(yè)經(jīng)營層與制造執(zhí)行層的雙向交互的信息流是企業(yè)產(chǎn)線命脈，精準的信息流支撐提供了企業(yè)精益生產(chǎn)及價值流要素。要讓制造過程實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化，制造裝備必須高精度、高效且智能化，車間制造網(wǎng)絡化、智能化和設備層柔性化布局將成為未來我國裝配產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)智能制造、智能物流跨越發(fā)展的主要方向，也是21世紀制造技術的顯著特點。

該文根據(jù)發(fā)動機裝配產(chǎn)線工藝布局要求，以發(fā)動機裝配線的工藝流程為依據(jù)，組成了裝配線信息管理系統(tǒng)，其主要功能涵蓋生產(chǎn)計劃管理、產(chǎn)品信息管理、工藝管理、設備監(jiān)控、及物料追蹤、用戶管理以及系統(tǒng)維護等。在信息發(fā)布終端電腦或手機APP上，可以顯示計劃、產(chǎn)量、報警和通知等。掃碼讀碼作為裝配信息系統(tǒng)輸入端是至關重要的環(huán)節(jié)。

裝配線PLC與機器人、擰緊控制器、掃碼槍和照相機等構(gòu)成設備層，將設備層數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡連接OPC與PLC進行交互，收集信息至AMS裝配管理控制系統(tǒng)。車間設備層數(shù)據(jù)信息傳輸至MES系統(tǒng)（車間制造執(zhí)行系統(tǒng)），在生產(chǎn)裝配結(jié)束前將物流正向追溯系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)采集，使質(zhì)量追溯成為可能，滿足質(zhì)量管理體系過程監(jiān)控要求；反向追溯時也能滿足汽車召回制度的要求。

2 裝配線掃碼硬件拓撲結(jié)構(gòu)

在整個MES系統(tǒng)中，條碼數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎，利用條碼采集器（PDA/工控機）來采集現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列簡單處理，b并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳到數(shù)據(jù)庫。MES數(shù)據(jù)傳輸中采用Web Service，即基于網(wǎng)絡的一種服務，能夠使不同系統(tǒng)平臺上開發(fā)出來的程序相互通信，通過調(diào)用Web Service遠程的接口函數(shù)，可以調(diào)用函數(shù)返回值，在Server端編寫具備驗證上傳數(shù)據(jù)正確性功能的函數(shù)，保證數(shù)據(jù)的正確性。

以KEYENCE G100掃碼器為例的2種掃碼拓撲結(jié)構(gòu)如下。第一種由通過PROFINET網(wǎng)絡的PLC、SR-LR1網(wǎng)絡連接模塊、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 使用SR-LR1網(wǎng)絡連接模塊讀碼方式

使用設備連接好之后，需要配置KEYENCE通信單元SRLR1設置，配置西門子S7-300系列硬件及編制傳輸掃碼數(shù)據(jù)的梯形圖組合實現(xiàn)。 第二種KEYENCE G100掃碼器掃碼方法由通過PROFINET網(wǎng)絡的PLC 、研華HMI（WOP）、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 使用研華WOP人機界面讀碼方式

研華WOP（web panel operator）人機界面的設置如下：通過研華WOP人機界面，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)共享給PLC DB數(shù)據(jù)塊，省略了通信單元SR-LR1硬件和PLC掃碼編程，功能巧妙、直接且簡潔。

WOP人機應用宏程序編制如下。

3.1 單件掃碼崗位的工藝流程

條碼追溯是一項系統(tǒng)工程，涉及操作流程、數(shù)據(jù)上傳以及系統(tǒng)信息管理等多項工作的整合，只有協(xié)調(diào)好各部件硬件、軟件性能才能實現(xiàn)功能，進而成為質(zhì)量追溯和生產(chǎn)管理的有效工具。手動掃碼安裝零部件工作流程見表1。

表1 手動安裝工位PLC與AMS交互表

在發(fā)動機裝配線來件掃碼物料號后驗證操作者可進行相關安裝操作，有些工位需要掃碼安裝多個零件，因為掃碼零件是浪費時間的步驟，有待減少或盡量少花時間。每單件掃碼操作是人工安裝零部件前必須的操作步驟，一般一條發(fā)動機裝配線有幾十至上百個掃描崗。一崗位一槍掃碼，每個掃描動作大約2s以上，包括拿槍和放槍、讀碼識別，掃碼后等待數(shù)據(jù)互換（數(shù)據(jù)庫驗證），約200 ms～1 s，合格后才許可生產(chǎn)安裝，掃碼操作和驗證物料對操作者來講不增值，屬于等待浪費。

3.2 批次掃碼發(fā)明原理

根據(jù)上述現(xiàn)象看問題本質(zhì)，主要矛盾是想消弱運動物體作用時間和減少時間損失，需要改善的參數(shù)是提高自動化程度和提高生產(chǎn)率，運用阿奇舒勒科學發(fā)明原理分析研究問題，見表2。對崗位掃碼操作實際上是要減少掃碼運動操作作用時間，減少不增值的時間損失，通過分析可以總結(jié)出如下方法：通過預先作用原理、中介原理的周期性作用，將物料碼數(shù)據(jù)用將可變場代替恒定場；用隨時間變化的場代替定時（讀碼操作視為數(shù)據(jù)存儲的轉(zhuǎn)場）；用有組織結(jié)構(gòu)的場代替隨機場，可使批次掃碼提高自動化并提高效率，見表3。

表2 阿奇舒勒矛盾矩陣表

表3 阿奇舒勒矛盾矩陣表對應的措施表阿奇舒勒矛盾矩陣表對應的研究措施

3.3 批次掃碼工序步驟

優(yōu)化掃碼由單次升級批次掃碼，設計批次掃碼的具體措施如下。

識別需要掃碼的首件。首件掃碼后數(shù)據(jù)存入寄存器做中繼DB數(shù)據(jù)塊（SIENMENS-PLC-DB數(shù)據(jù)塊，后面簡稱DB）中啟中介使用、預先作用準備掃碼數(shù)據(jù)，下次來件自動將中介存儲的（中繼）轉(zhuǎn)發(fā)AMS數(shù)據(jù)庫，驗證物料，繼續(xù)生產(chǎn)。對如何實現(xiàn)中介（中繼），中繼數(shù)據(jù)什么時候清零，什么時候更新數(shù)據(jù)，什么時候（隨節(jié)拍或托盤進料）周期性轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，需要編程約定。

對通過PROFINET網(wǎng)絡的PLC（SIENMENS）、SR-LR1網(wǎng)絡連接模塊、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成的設備層，中繼DB在PLC程序內(nèi)產(chǎn)生，再存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

同樣地，通過PROFINET網(wǎng)絡由PLC、研華HMI（WOP）、以太網(wǎng)集線器、手持掃碼槍4個部分構(gòu)成的設備層，需要改變HMI（WOP）中宏程序腳本接口地址，做中繼DB數(shù)據(jù)使用。

批次掃碼來件物料碼取碼。在首件物料手動掃碼后，將物料碼數(shù)據(jù)保存在PLC（SIEMENS）DB塊中做寄存器中繼儲存轉(zhuǎn)存使用，當下次托盤到位，Tag讀取發(fā)動機號碼完成后，PLC程序自動將寄存器中數(shù)據(jù)上傳AMS，驗證合格后下發(fā)生產(chǎn)許可。不用手動拿掃描槍、移動掃碼并等待AMS數(shù)據(jù)庫驗證，放回掃描槍至定置處。

有3種首件必須做手動掃碼記錄物料碼數(shù)值的情況，1）開線首件。2） 物料箱物料無混料前提，物料箱有移動必將觸發(fā)檢測，就是換料箱首件。3） 當發(fā)動機ID訂單發(fā)生變化時，需要重新掃碼。首件重新掃碼，清空中繼存儲區(qū)，再記錄物料碼數(shù)值，是掃碼采集系統(tǒng)智能學習的過程。

3.4 批次掃碼預期效益分析

手動掃碼槍做MES數(shù)據(jù)采集，只作為零部件組裝的物料掃碼設備，主要用于SAP扣單。AMS數(shù)據(jù)庫保存一個物料號，追溯時按照時間搜索，模糊定位，不適合發(fā)動機混裝線。

而自動相機讀碼的自動化程度較高，因產(chǎn)品需要從生產(chǎn)線上高速流過，人工掃描跟不上生產(chǎn)節(jié)拍，多采用固定式工業(yè)條碼閱讀器（讀取器、掃描器）輔助機器人搬運，再由機器自動安裝。但一套掃描設備少則上萬元，多則十幾萬，價格昂貴。

該文的優(yōu)化批次掃描方法對整線來說，每件安裝節(jié)省2s～3s掃碼時間（拿/放掃描槍和手動掃碼對焦操作）；同工序如果有多物料掃碼，2件或3件手動掃碼，則節(jié)省4s～6s或6s～9s的節(jié)拍時間。減輕了工序負荷率，改善了操作者體驗?？商岣哕囬g生產(chǎn)安排有序性、合理性，降低物料成本，提高庫存資金周轉(zhuǎn)率，細化質(zhì)量管理，降低客訴率。

4 數(shù)據(jù)接口及規(guī)范

上述2種掃描讀碼方法均通過OPC在工業(yè)控制設備層與應用軟件之間建立了統(tǒng)一的軟件接口標準，解決數(shù)據(jù)上傳和交互問題。只要客戶應用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務器進行數(shù)據(jù)交換。利用OPC技術可以實現(xiàn)多種現(xiàn)場設備與OPC服務器。向下對設備數(shù)據(jù)進行采集，向上與OPC客戶應用程序通信完成數(shù)據(jù)保存及生產(chǎn)相關信息交換。

由單件掃碼改良成批次掃碼，涉及AMS數(shù)據(jù)庫相關不做改變，僅在PLC做了上一次讀碼存儲，下件來料后再重發(fā)存儲數(shù)據(jù)，在BOM驗證后直接生產(chǎn)操作，節(jié)省了人工多次掃碼步驟，但OPC構(gòu)架依然有效運行，不受影響。

5 掃碼智能化未來展望

該文批次掃碼的應用是裝配車間智能化、產(chǎn)線節(jié)拍敏捷度改善的產(chǎn)物，有助于裝配車間解放勞動力并提高效率。掃碼作為設備層的重要輸入手段之一，手動讀碼因前期簡單、操作方便被廣泛使用，但隨著成本優(yōu)化的需要，效率低下和人力成本高的手動方式將會逐漸減少使用。

未來是大數(shù)據(jù)化時代，網(wǎng)絡上的傳感器都是輸入端，輸入設備的智能化取決于硬件和軟件的智能AI的學習能力強弱（或優(yōu)良的程序算法）。未來將模糊設備層概念，會產(chǎn)生高工業(yè)等級的、功能更強大且處理能力更強的智能讀碼產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集檢測和轉(zhuǎn)場傳輸將更快捷、高效。智能讀碼裝置是裝配線應用發(fā)展的未來趨勢，掃碼設備如何高效、低成本地服務于智能制造，只有充分利用創(chuàng)新工具，多做改進改善，立足于解決現(xiàn)場實際問題，才能真正發(fā)揮智能創(chuàng)新的優(yōu)勢。