液力變矩器裝配車間數據采集與通信*

任工昌 宜永剛 楊宇龍 王宏衛

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

液力變矩器裝配車間數據采集與通信*

任工昌 宜永剛 楊宇龍 王宏衛

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

針對S廠液力變矩器裝配車間現有的數據采集方法，提出一種基于RFID和OPC技術相結合的數據采集方法及通信網絡集成方案。該方法可以比較完整、實時地采集車間各種數據，完成車間在制品的跟蹤、產品的質量追溯、實現上層與車間高效、準確的數據傳輸，大幅度提高生產質量和生產率，為企業信息化奠定了一定的基礎。

液力變矩器；數據采集與通信；RFID；OPC

經濟全球化導致制造全球化，企業必須快速響應市場需求，及時調整生產方式，合理配置制造資源并組織生產，在較短時間內以較低成本制造出適合市場需求的產品，從而提高企業的市場競爭力。制造執行系統(MES)處于計劃層和現場控制層之間，強調精確、實時的數據，目的在于優化管理活動，從而對生產進行調控和協調[1]。

然而在離散制造業由于工藝變更頻繁、車間環境復雜、現場數據具有多源異構性、實時性、采集困難等因素導致其運用并不理想。對MES系統來說，數據采集是它的基礎，要徹底解決“信息化孤島”問題就必須實現車間各種數據的實時采集和傳輸[2]。此外，數據采集又是進行物料跟蹤、生產計劃排產、產品歷史記錄維護及其他生產管理的基礎，因而數據的準確性、實時性成為企業實現信息化成敗的關鍵。

1 車間數據采集現狀分析

液力變矩器是汽車無級變速的關鍵部件，由泵輪、渦輪、導輪、閉鎖離合器等組成。它安裝在發動機和變速器之間，以液壓油為工作介質，起變矩、變速及離合的作用。S廠可生產YJH218、YJH240、YJHSW340(雙渦輪)等系列多品種液力變矩器，可供小轎車和大型工程機械使用。生產車間將不同型號的半成品再加工和裝配，屬于典型的混流型離散制造，主要有如下特點:

(1)生產設備布置通常不是按產品而是按照工藝進行布置的。

(2)生產周期較長，產品結構復雜，零部件種類繁多，工藝路線靈活和數控設備冗余度大。

(3)生產數據多，數據的采集、維護和檢索工作量大。

目前，該企業數據采集以手工填表為主，并結合條形碼等半自動信息采集技術對工時、設備、物料、質量等信息采集。這種數據采集方式費時費力、易出錯、實時性差，而且容易受到人為、環境(如油污)因素的影響。由于該企業沒有實時的數據采集方法和大量的歷史數據積累，導致其管理層在作決策時沒有數據支撐，對市場變化反應較慢、對企業的生產能力不確定，嚴重影響了企業的信息化進程。

2 數據采集的對象及方法

數據產生于最底層，工業現場采集的數據主要分為三大類，即靜態數據、動態數據和中間數據[3]。靜態數據一般指變化頻率較小的數據，如員工信息、設備信息等。動態數據是指在生產活動中頻繁發生變動的數據，如在制品加工情況、倉庫存儲狀態、成品質量檢驗等。系統對這些數據需要隨時維護。中間數據是一種經過加工處理的信息，供上層管理人員掌握生產狀態，以便進行分析和決策。

2.1 生產線相關數據采集

該企業裝配車間主要分為5個生產島區，分別是：泵輪、導輪、渦輪與閉鎖離合器組件，罩輪以及液力變矩器總裝配線。整個車間設備數控化率達到90%以上，生產過程中有大量的數據需要采集。對于車間相對比較零散的數據可以采用射頻識別(RFID)技術采集。圖1 展示了RFID生產線數據采集的流程。

RFID技術較好地克服了目前兩種方式的不足，具有遠距離讀取、穿透性好、環境適應能力強、電子標簽存儲容量大、可寫入等典型特征，受到不少企業的青睞。其基本工作原理；標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流獲得的能量發送存儲在芯片中的產品信息，或者由標簽主動發送某一頻率的信號，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理[4]。

利用RFID采集物料(包括原料 、在制品、成品等)狀態信息，如何給物料加貼電子標簽進行標識是要考慮的首要問題。由于生產線上物料形狀各異且不斷變化，往往很難在物料上加貼電子標簽。因此，根據產品工藝特點，在生產過程中將一定數量的物料放置在固定的標準容器(如托盤)中進行傳送。這樣不但解決了物料的標識問題，而且也實現了容器和標簽的循環使用，有效控制了硬件成本。

通過在生產線上一些關鍵工位安裝工業用RFID讀寫器，對托盤進行識別，實現對應物料狀態信息的采集和追蹤。考慮到生產線空間有限、識別距離近的特點，為防止相鄰設備相互干擾并充分降低成本，優先選取HF頻段的RFID讀寫器。當然也可以利用市場上一些現成的數據采集終端采集數據，不過這些數據采集器往往價格不菲，可根據企業實際需求進行購買。

2.2 機床設備數據采集

機床作為“工作母機”是車間很重要的制造資源，其運行狀態的好壞直接影響產品的加工質量。對于機床設備我們希望采集到更多的數據，通過對機床運行狀態的數據采集和處理可以讓管理人員了解機床的負載率，準確評估企業的生產能力。對故障數據的積累可以讓工程師進行預防性維護，減少不必要的停產。經調查發現該生產車間的機床大多是專用機床，如輥鉚機、沖槽機、動平衡檢測儀等，無通信口的數控機床，由于其落后性基本上被淘汰，車間里很少能看到。表1 列出了車間的一些關鍵設備。機床設備數據采集通常有以下幾種方法[5]。

表1 車間關鍵設備

設備采集信息控制系統立式雙工位數控車床運行狀態FANUC-0i葉片輥鉚機PLC控制量OMRON釬焊爐PLC控制量OMRON動平衡設備不平衡量SIEMENS打標機二維碼OMRON內、外環沖窩機PLC控制量OMRON

(1)宏程序法：通過向加工程序中嵌入宏程序，數控設備在執行該段加工程序時同步地發出代表加工開始、進給速度、當前主軸轉速等設備運行狀態的字符串并發送給釆集系統。該方法不需要添加硬件設備便可進行數據采集，實時性好、釆集信息較為完整；但采集指令需人工輸入且不同的宏指令不能形成統一的采集方案，而且會使NC程序變的很大，從而可能影響加工質量和效率。

(2)基于RS232串口、DNC接口的機床數據采集：目前大部分數控機床都帶有這類通信接口，此外，對于支持OPC的機床，優先通過標準的OPC接口和必要的軟件配置，直接讀取機床的各種狀態信息。

(3)PLC采集方法：該方法需要對PLC進行連線，容易影響機床的電氣系統，一般只能采集開關量信號。

根據企業機床設備的實際情況采用不同的數據采集方法。圖2展示了車間機床連接方式。

任何一種方法均難以完全覆蓋企業的生產數據采集，必須綜合應用。好的數據采集方案可以減輕一線工人的負擔，讓管理人員有更多的時間去解決實際的品質問題，同時實時的數據采集也使系統真正地實現實時監控，盡早發現問題，避免更大的損失。實時數據處理完畢后，被保存到歷史數據庫中，并生成各種統計和分析報表。當產品出現質量問題時，可以根據歷史數據進行追溯。

3 數據采集網絡的集成

僅僅完成了數據采集還不夠，必須要建立高效實時的通訊網絡才能使數據有利用價值。通過數據采集的實現分析，我們發現車間現場生產的數據采集和處理存在一些特殊性：執行機構多為按鈕、行程開關、變送器、變頻器等，控制網絡大多是PLC、DCS，且大多數設備往往采用自定義的專用網絡和協議，沒有統一的接口標準，開放性較差，因此需要首先解決的就是數據集成的問題。

傳統過程控制系統中,智能設備之間及智能設備與任意上位監控軟件或其他應用軟件(如趨勢圖軟件、數據報表與分析等)之間的信息共享是通過驅動程序來實現的,由于沒有通用的標準,驅動程序與設備一般是一對一的[6]。

由圖3可以看出采用傳統數據訪問方式僅僅兩個應用程序訪問3臺設備就需要開發6種驅動程序，車間有許多的設備，因此軟件開發者的工作量是巨大的。

OPC的提出是為解決應用軟件與各種設備驅動程序的通信而產生的一個工業技術標準。它可以方便地把不同制造商提供的驅動與應用程序集成在一起。OPC服務器一般是由DCS或者I/O驅動器等硬件供應商提供，既可以在與應用程序相同的本地計算機上運行，也可以在遠程計算機上運行[7]。只要硬件開發商提供帶有OPC 接口的服務器，任何支持OPC 接口的客戶程序均可采用統一的方式讀取這些設備的數據， 無須重復開發驅動程序。基于OPC的數據通信網絡集成架構如圖4所示。

系統架構說明：

(1)各種控制系統通過通訊模塊實現不同協議向TCP/IP協議轉換，采用最普遍的RJ-45接口交換機實現全雙工通信，進行無沖突的數據傳輸。對于不支持OPC的PLC 、機床設備和智能儀表通過以太網模塊直接連入以太網控制層。

(2)數據訪問采用異步數據傳輸，與同步方式相比，異步可以提高程序的效率，避免程序的空等待。訂閱方式不需要客戶程序向OPC服務器發出請求就可以自動接到從OPC服務器送來的變化數據[8]。如果客戶程序想一直監視某些變量(如關于在制品加工狀態的數據)，則使用訂閱方式效率更高。

(3)管理層可以通過企業內部網 ,按權限訪問服務器，掌握實時生產狀態；訂單客戶也可以通過外部Internet網，遠程查看其訂單生產進度。

4 結語

初始狀態的信息可稱之為數據，而有規律、有價值的信息就是知識。目前正在興起的智能制造有一個重要內容是要讓原材料和零部件獲得發言權，使客戶需求決定生產流程而不用改動生產線。這一切離不開底層數據的實時采集和通信，OPC作為一座橋梁將企業的車間層與現場各種不同的廠家的控制、 檢測等系統有機地聯系在一起，使控制網絡和管理網絡融為一體，真正實現車間實時監控和MES系統的應用，顯著提高企業市場競爭力。

[1] 李建華.制造執行系統MES現狀及發展趨勢探討[J].自動化博覽,2005(3):80-82.

[2]林國富,汪惠芬,劉婷婷.離散制造車間生產數據實時采集系統設計[J].機床與液壓，2011(19):71-74.

[3]離散制造企業MES中的生產數據采集實踐[J]. 機械設計與制造,2011(3):245-247.

[4]殷明強.基于RFID的車間作業數據實時采集與處理技術研究[D].廣州:廣東工業大學,2007.

[5]付林云.MES中數控車間數據采集系統的研究和應用[D].杭州:浙江大學,2008.

[6]郭建新,劉乃琦,鄭敏.OPC協議及其在實時數據庫開發中的應用[J].自動化博覽，2005(5)：40-42.

[7]傅培華.異構控制系統信息集成研究[J].科技通報,2005，21(4)：437-439，444.

[8]柴兆森.基于工業以太網和OPC技術的異構系統集成研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2009.

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Hydraulic torque converter assembly shop data acquisition and communication

REN Gongchang，YI Yonggang ，YANG Yulong ，WANG Hongwei

(School of Mechatronic Engineering ,Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, CHN)

Hydraulic torque converter assembly workshop for S factory existing data collection methods, put forward a kind of the combination of data collection method and the communication network integration solutions based on RFID and OPC technology. This method can be more complete, a variety of data real-time collection of workshop, finished workshop wip tracking, tracing back the quality of the product, has realized the top and workshop efficient and accurate data transmission, greatly improve production quality and productivity, which laid a certain foundation for the enterprise information.

torque converter；data acquisition and communication；RFID；OPC

*國家自然科學基金(51175314)；陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014GY2-04)

TP274+.2

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.005

任工昌，男1962年生，博士，教授，研究方向為產品創新理論、機電設備實時監控、CAD、機構綜合和工業設計。

(編輯 譚弘穎)

2015-12-22)

160910