制造執行系統數據采集技術在重車車橋廠的應用

趙志彪， 趙明 ， 劉暉 ， 范薇， 史 靖宇

(中國兵器工業規劃研究院，北京 100053)

0 引言

車橋作為車輛底盤的重要部件，對于整車質量與運行可靠性有著重要影響。隨著產品質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變，對生產過程各類數據采集能力的要求日益提升。同時，由于很多車橋廠生產手段較為落后，自動化、信息化能力薄弱，數據采集作為非增值作業，為了不影響生產供應能力，需要實現自動數據采集。此外，生產過程中信號干擾、油污等問題均會對數據采集過程的數據完備性、可靠性帶來挑戰。因此，在架構、設計面向車橋裝配過程的制造執行系統（Manufacturing Execution System，簡稱MES）時，需綜合考慮上述問題以及應對措施。制造執行系統通過數據傳感網絡使傳統生產過程黑箱透明化[1]，扮演了ERP和生產現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數據采集技術應用概述

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柴油機裝配過程信息采集與追蹤[2]；張金等[3]針對目前質量數據采集方法的缺陷和不足,構建了一種基于Android平臺的現場質量數據采集系統，該系統以平板或手機作為客戶端，完成信息采集工作，關俊濤等[4]通過二維碼和移動互聯設備完成生產過程信息采集，王帥等[5]基于OPC技術實現西門子數控系統的數據采集，李佳林、涂化剛、任工昌[6-8]在變速箱生產過程中也應用了OPC技術，楊立峰、李西等[9-10]利用RFID技術實現制造過程物料追蹤。綜上所述，基于各類數據傳感設備，MES在生產過程質量控制[11-12]與物料流控制[13-15]方面得到了較為廣泛的應用。

2 車橋裝配過程數據采集需求分析

2.1 重車車橋裝配過程

兵器工業集團下屬某重型車橋廠作為某重卡品牌旗下車橋供應商，提供前橋、中橋、后橋等多類車橋產品。以中橋為例，車橋裝配環節主要由主減速器裝配與車橋總裝兩大部分構成。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域；總裝環節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 數據采集需求分析

車橋裝配過程中，需要采集的數據類型主要有產品數據、零部件數據、工藝數據以及人員數據。在完成上述四類數據采集的過程中，還需要針對車橋裝配過程中特有的主、被齒輪配對問題進行數據匹配校驗，保證裝配過程質量。

以往該廠生產過程數據采集完全依賴裝配人員，通過“隨工單”的形式進行記錄。由于現場作業環境存在油污等情況，紙質材料易受污染；同時，由于年生產批量較大，在發生質量問題或用戶索賠時，大量紙質材料為查詢追溯工作帶來了極大不便；在主、被齒輪配對時，以往采用粉筆標號的方式進行配對記錄，該類記號在作業現場很難長時間存留，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，由于該條生產線同時生產6類產品，需要生產線保證足夠的柔性，設備能夠自動識別當前工件進行加工。

3 基于MES的數據采集系統構建

3.1 數據采集設備選擇

本項目系統基于.NET構建，以SQL Server數據庫作為中心數據庫，采用了掃描槍、RFID、OPC等多種數據采集技術結合的方式，實現了異構數據的有效融合。表1列出了各類數據采集設備的功能與作用。

表1 各類數據采集設備功能與作用

3.2 數據采集方式及流程設計

根據第2小節分析，本項目將產品信息作為串聯整個產品生產過程相關數據的核心要素。設計“產品出生證”，采用一定編碼規則涵蓋產品類型信息、計劃隊列信息以及生產日期信息，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將產品信息寫入托盤隨在制品一同流轉。

在制品生產加工信息主要存儲于設備PLC中，主要利用OPC技術，實現加工數據同在制品信息實時綁定、上傳。生產過程數據采集流程如圖1所示。

圖1 生產過程數據采集流程圖

圖2 零部件數據采集流程圖

針對關鍵零部件數據的信息采集問題，本項目根據工廠實際生產情況，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則的條碼表示。零部件數據采集流程圖2所示。

在主錐總成與差速器總成合裝工位配對校驗環節，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 系統架構

系統硬件架構示意圖如圖4所示，可分為管理層、制造過程監控層以及設備層。管理層通過服務器與ERP進行信息交互，數據庫服務器將相關信息及時下達至生產現場以指導生產。中間層主要實現生產過程實時數據、異常工況信息的采集與存儲，以及對生產現場各類制造資源的運行狀態的監控；設備層根據生產指令和對當前在制品的識別信息進行裝配作業，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 系統硬件架構示意圖

3.4 主要問題及解決方案

3.4.1 基于OPC的生產過程實時數據采集

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即面向過程控制的OLE[16]，為工業控制的應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準。為了方便配置、監控，本項目選擇了KEPserver作為OPC服務器。上位機通過OPC服務器與下層PLC建立關聯，OPC服務器包含若干Group，每個Group由可以自定義的Item組成。

圖5為OPC服務器的組態界面，通過定義不同的設備（device）建立與不同PLC間的一一映射關系；在PLC中構建多個與裝配工位具有映射關聯的組（Group）；在每個Group中根據邏輯交互需要定義相應的Item，用戶只需編寫相應的OPC客戶端對OPC服務器進行訪問即可實現與現場設備層中PLC的交互。

工況信息傳輸架構采用基于OPC的Server/Client模型，不同制造區域中的設備PLC與該區域中的總控PLC交互。

3.4.2 RFID抗干擾問題

RFID作為以電磁感應原理為主要作用機理的數據采集設備，其數據完備性很大程度上取決于整套系統的抗干擾能力。雖然聯結讀寫頭和網關的數據傳輸線多有屏蔽層，但實踐過程中仍需要在細節方面加以完善，盡可能杜絕一切干擾源。

本項目選用的是圖爾克的RFID系統，采用金屬支架方式將讀寫頭固定在生產線上。在聯調聯試階段發現在讀寫頭工作信號正常的情況下，偶爾出現數據不完整的情況，通過對上位機程序、硬件系統的排查，最終確定是用于讀寫頭直接與金屬支架接觸導致數據丟失，故在讀寫頭和金屬支架之間鋪設一層尼龍墊塊實現絕緣，從而解決干擾問題。

3.4.3 關鍵零部件追溯問題

圖5 OPC服務器組態界面

二維碼已經成為離散制造業中追溯產品或零部件的重要手段之一。但由于機械產品生產、工作環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 系統功效

本項目實施后，使用戶在生產敏捷化程度、制造過程質量、精益生產水平等方面得到了有效提升。在項目實施前，生產現場信息傳遞依靠人員進行；項目實施后通過各類報警燈、電子看板等方式，實現了整個生產過程信息及時傳遞、即使反饋，保證了生產過程的連續性；生產過程數據記錄在過去主要采用紙質記錄方式，每年需要耗費大量紙張。項目實施后在實現無紙化同時，生產數據實現了可追溯、可查詢，同時為人員績效考核提供了量化依據。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裝工件以及更換擰緊機套筒這類基本操作即可，有效節約了人工成本。

5 結 語

面向車橋裝配過程的MES基于各類數據采集技術的技術支撐，形成信息采集/傳輸/反饋的閉環鏈路，將車橋裝配過程中的工藝資源、物料資源與生產制造無縫銜接，實現生產過程透明化，提升了企業精益管理水平。

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