发动机装配线制造执行系统敏捷化研究与与实现

发动机装配线制造执行系统敏捷化研究与实现摘要汽车发动机装配线是一种典型的柔性生产线，能够在一条装配线能生产不同型号发动机。针对目前发动机装配过程出现的错装，漏装以及缺料和送错料情况，提出了一种基于OPC技术的汽车发动机装配线制造执行系统（MES）。该系统兼容射频技术和条码技术。利用OPC技术对装配现场数据实时采集，在制品跟踪，工位作业指导，产品质量检测，以及物料拉动等。有效的实现了生产过程敏捷化。关键词OPC技术；制造执行系统；敏捷化1引言汽车发动机装配线多以柔性装配线为主，一条发动机装配线往往要生产多种型号发动机，发动机零部件众多，装配工艺复杂，如何实现生产过程敏捷化是生产管理的难题。发动机总装作为发动机制造的最后一道工序,其生产过程的敏捷性在很大程度上决定着整个生产过程的敏捷性。制造执行系统(MES)是实现汽车发动机装配线生产敏捷化的基本途径,MES使生产过程敏捷化主要体现在其性能上的快速响应和结构上的快速重组[1]。OPC是基于微软的OLE/COM/DCOM（现在的ActiveX/组件对象模型/分布式组件对象模型）技术而建立的，一组符合工业控制要求的标准接口规范，将现场设备信号按照统一的标准与上层软件无缝连接起来，同时将硬件与应用软件有效的分离[2]。发动机装配中存在着大量的反映装配性能的信息量，如：质量检测数据，设备运行数据等。由于不同设备往往遵循不同的通信标准，因此利用OPC技术可以使得各个设备之间通信更加方利，使发动机装配线具有较强的灵活性和可重组性，从而提高了生产制造过程的敏捷化程度。2基于OPC技术的汽车发动机装配线MES体系结构基于OPC技术的汽车发动机装配线MES以现场数据采集为核心，连接上层ERP和底层车间制造[3]。其体系构造如图1所示，系统PLC采用SIEMENS公司S7-200，现场PLC通过工业以太网连接OPC服务器，OPC实现PLC与PC通讯，将设备﹑扫描枪﹑PLC等数据存储到MES的ORACLE数据库中。当载有缸体的托盘到达上线工位时，扫描枪扫描缸体二维码，MES通过匹配校验将发动机信息通过OPC技术写入电子标签中，同时将上线工位作业指导书和发动机信息等显示在工位PC界面上。托盘流到下一工位时，OPC自动读取电子标签发动机信息，与MES中该发动机信息进行匹配校验，将发动机信息和该工位作业指导书显示在该工位PC界面上，扫描枪将装配部件信息存储到ORACLE数据库中。托盘电子标签内数据在发动机下线时清空。图1基于OPC技术的MES系统结构制造执行系统利用OPC技术采集汽车发动机装配线生产过程信息，主要衔接上层ERP/与底层设备。对来自上层ERP生产管理信息进行分解细化，并形成生产计划指令通过OPC下发给底层设备；对来自底层设备进行实时监控，并采集各种设备的实时数据，对整个生产状况进行分析计算与处理，将相关数据通过OPC反馈给上层ERP。汽车发动机装配线MES从功能模块上可以分为，生产计划管理，设备管理，物料管理，质量管理和可视化监控模块等[4]。3OPC技术与通讯传统的工业控制系统中，现场设备之间以及设备与控制系统软件之间的信息交互是通过驱动程序来实现的，由于不同厂家的设备往往使用不同的驱动程序，使得不同设备之间数据交互困难。另外，两个客户一般不能在同一时刻对同一个设备进行数据操作，因为它们使用不同的驱动程序，同时对同一个设备进行操作，可能会引起并发冲突，甚至导致系统崩溃。这样在工业以太网中，不同生产设备仿佛是一个个“信息孤岛”，生产管理人员很难及时通过工业以太网了解到不同生产设备工作状态以及设备加工数据。OPC的出现则解决了生产过程“信息孤岛”的问题。OPC技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范,将不同生产设备的信号按照统一的标准与控制软件无缝连接起来，只要硬件开发商提供带有OPC接口的服务器,任何支持OPC接口的客户程序均可采用统一的方式存取这些设备数据,无须重复开发驱动程序。这样有利于不同设备间的信息交互与共享，方便了生产管理人员及时了解设备工作状态等。OPC服务器定义了3类对象：Server服务器对象(服务器对象)、Group(组对象)和Item(项对象)。OPC作为一种工业标准，广泛应用与工业控制领域。OPC规范规定了两种通信方式：同步通信方式和异步通信方式[5]。同步通信：OPC客户程序对OPC服务器进行读写操作时，OPC客户程序必须等到OPC服务器对应的操作全部完成以后才能返回，在此期间OPC客户程序一直处于等待状态。异步通信：OPC客户程序对服务器进行读写操作时，OPC客户程序操作后立刻返回，不用等待OPC服务器的操作，可以进行其他操作。图2OPC通讯方式对于同步通讯，如果有大量数据进行操作或者有大量OPC客户程序对OPC服务器进行读写操作，必然造成OPC客户程序的阻塞现象。因此同步通信不适合大量数据进行操作，主要适用于OPC客户较少，数据量较小时的场合。根据通讯特点，相对于同步通信，异步通信的效率更高，主要适用于多客户访问同一OPC服务器和大量数据的场合。4基于OPC技术的汽车发动机装配线MES设计4.1系统配置设计基于OPC技术的汽车发动机装配线MES，我们选取KEPServerEXV4.0OPC服务器软件，使用OPC通讯协议，使用VS2005作开发工具，Oracle_oradb10g作为MES数据库。配置KEPServerEX是与PLC，设备等通信的关键步骤，就是在KEPServerEX中建立一个OPCServer，为OPC客户端和需要读写PLC地址位之间建立连接[6]。如下表1为现场电子标签格式。表1发动机总装线电子标签格式Byte0-1011-3031—6666-71…701.1702.1…Content预留产品出生证缸体二维码缸体主轴承座分组号…托盘到位信号托盘离开信号……Length1120365…11……Notes根据电子标签格式，在KEPServerEX程序中选取DeviceDriver类型为SIEMENS公司S7-200，同时根据PLC在以太网中IP地址，创建OPCServer。同时新建Device(服务器对象)，新建Group(组对象)，新建Tag(项对象)。Tag创建如下图4所示：创建托盘到位信号Tag,数据地址位于DB1001块701，数据类型为Boolean。图3KEPServerEX配置4.2系统处理逻辑系统首先由生产计划管理模块自动获取ERP当日生产计划，由生产计划人员根据装配线实际情况启动计划，生产现场根据启动的作业计划展开生产。同时通过OPC通讯协议将扫描枪，现场PLC采集的物料信息和设备的加工信息，进行过滤，分析处理后，将数据存储在ORACLE数据库中并在工位生产终端界面显示作业指导和相关数据信息。其简化处理逻辑如图4所示。图4基于OPC技术的MES数据采集流程4.3系统实施工位的生产现场终端是制造过程实时状态的反应，其界面主要显示工作指令，工位作业指导书，生产关键数据等。操作者可以通过终端观察到设备工作状况，工作进度以及了解该工位作业指导。下图为：OP101缸体上线工位生产界面。当载有缸体的托盘到达工位，中间界面显示设备，网络等状态。操作工扫描缸体二维码后，中间界面产品上线信息显示当前发动机信息，同时右界面显示当前工位作业指导。图5基于OPC技术的MES工位监控与作业指导5面向敏捷制造的汽车发动机装配线MESMES是实现汽车发动机装配线生产敏捷化的基本途径，MES是由一系列高度分散、标准或半标准的功能模块和具有一定智能的设备资源以及具有高度智能的人力资源所组成的系统[7]。基于OPC技术的汽车发动机装配线MES使生产过程敏捷化主要体现在以下几方面：5.1生产计划与ERP的无缝连接MES自动获取ERP生产计划，将计划根据工位进行分解，将所需物料按工位进行汇总，通过OPC下发各工位。物料配送班根据各工位有针对性配送物料，有效提高了物料配送的准确性，避免了物料配送的盲目性。5.2提供准确的作业指导装配线各工位生产看板，根据MES显示准确的工位作业指导。既可以培训新员工，也提高了老员工对于不同型号发动机装配效率，使得员工在柔性装配线装配更加迅速准确。5.3自动计算工位工时通过OPC技术记录托盘到达某工位时间和离开时间，从而计算某型号发动机在该工位的工时，并可以通过报表形式导出，用于分析生产瓶颈工序。5.4缺料呼叫员工发现缺料时，按下物料ANDON键，OPC推动设备三色报警灯发出缺料报警，将缺料信息传递MES，MES将缺料信息反馈到生产管理办公室和物料配送班，并通过可视化监控显示缺料信息，物料配送班通过缺料信息有针对性配送物料，物料到位，报警解除。5.5过程质量控制MES系统具有装配过程防错功能，装配过程一旦发生物料错误、参数错误等情况，OPC通过设备三色灯立即报警[8]。同时在生产办公室可视化监控界面显示报警信息。生产技术人员根据报警信息能及时发现问题，解决问题。6总结OPC技术作为工业控制领域一种新的信息共享标准，在工业环境下各种设备间通讯发挥巨大优势。利用OPC技术开发的汽车发动机装配线MES已实际应用与重庆长安EA发动机总装线上。系统实施后,企业能及时和准确地掌握装配线生产状态,降低装配差错率和改善物料配送准确性,提高生产线整体生产效率，有效实现汽车发动机装配线生产的敏捷化。参考文献[1]汪定伟.敏捷制造的ERP及其决策优化[M].机械工业出版社.2003:115-167.[2]陆会明，朱耀春等.控制装置标准化通信——OPC服务器开发设计与应用[M].机械工业出社.2010:47-159.[3]饶运清，李培根.敏捷化车间制造执行系统研究[J].中国机械工程,2002.4:654-656[4]王猛，唐敦兵.基于RFID离散制造业车间生产过程控制系统研究与开发[J].中国制造业信化,2012.11:13-17.[5]梁爽，姚锡凡.基于OPC技术的柔性制造系统集成平台研究[J].机械设计与制造.2010.6:252-254.[6]刘敏.KEPServer在PLC和VB.NET通讯中的应用[J].大众科技,2012.7:42-44.[7]黄振刚，鲁建厦，王成.MES环境下作业车间多级动态调度方法研究[J].