車身噴涂車間的MES系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

伊永祺，潘松峰，趙相博

(青島大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車生產(chǎn)規(guī)模越來越大，只進(jìn)行單一車型生產(chǎn)的傳統(tǒng)涂裝生產(chǎn)線已不能滿足生產(chǎn)要求。各汽車廠為了縮短產(chǎn)品制造周期，提高涂裝質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，都開始對傳統(tǒng)生產(chǎn)線改造升級[1]。涂裝作為整車生產(chǎn)工序(沖壓、焊裝、涂裝和總裝)之一，質(zhì)量影響因素包括：噴涂材料、噴涂工藝、噴涂設(shè)備等，所以涂裝是汽車生產(chǎn)過程中較為復(fù)雜的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，作為汽車制造第一印象，主要起到保護(hù)作用和裝飾作用[2]。

針對當(dāng)前汽車噴涂車間存在的問題，分析設(shè)計(jì)了基于汽車噴涂的制造執(zhí)行系統(tǒng)。MES系統(tǒng)采用分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，模塊化編程方法設(shè)計(jì)而成，將OPC技術(shù)、Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID識別技術(shù)、PMON通信接口技術(shù)等相結(jié)合[3]。射頻識別(RFID)具有自動和準(zhǔn)確的對象數(shù)據(jù)捕獲功能，因此，如果與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)車間執(zhí)行過程的實(shí)時(shí)可見性和可控性[4]。

首先對車身的噴涂流程進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，然后分析噴涂MES系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能模塊。最后研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，分別從MES系統(tǒng)如何與現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成，如何對生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，怎樣實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場的透明化以及如何對現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度等進(jìn)行研究。

1 噴涂車身的流程分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

1)車身噴涂各單元生產(chǎn)過程不透明。系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確采集生產(chǎn)現(xiàn)場過程數(shù)據(jù),包括物料消耗、批次、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、班組人員[5]。

2)噴涂車間的各單元數(shù)據(jù)傳輸與共享困難。由于各單元不同設(shè)備的接口之間不兼容、不匹配，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸困難。

3)柔性差。噴涂車間的車身車型種類多樣，噴涂工藝要求復(fù)雜多變，這要求制造執(zhí)行系統(tǒng)無論在硬件平臺搭建還是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)上都應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性[6]。

1.2 汽車噴涂主要工藝流程

車身噴涂車間是汽車生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)代汽車維修部門的主要工作內(nèi)容。汽車涂裝可以使車身呈現(xiàn)出不同的視覺效果，并且起到保護(hù)車身的基本作用。車身噴涂流程如圖1所示。工藝流程主要包括前處理、電泳、PVC密封、中涂線、面漆和質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)。

圖1 車身噴涂工藝流程

1.3 車身噴涂業(yè)務(wù)流程分析設(shè)計(jì)

白車身從焊接單元到噴涂單元，需要一定的計(jì)劃和排產(chǎn)調(diào)度，從而生成生產(chǎn)計(jì)劃，下達(dá)到噴涂單元的每個(gè)具體的生產(chǎn)單元，車間生產(chǎn)信息通過條形碼傳達(dá)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。具體流程如圖2所示。

圖2 噴涂業(yè)務(wù)架構(gòu)流程

2 車身噴涂MES的設(shè)計(jì)

2.1 車身噴涂MES的體系架構(gòu)

車身噴涂MES系統(tǒng)采用瀏覽器-服務(wù)器模式(B/S)，它是由瀏覽器、Web服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫組成的三層架構(gòu)模式，以.NET為開發(fā)平臺。這種架構(gòu)模式是采用瀏覽器發(fā)出Http請求，Web Server對用戶身份進(jìn)行認(rèn)證，接受瀏覽器的請求，執(zhí)行相關(guān)程序并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[7]。

2.2 噴涂MES的功能模塊設(shè)計(jì)

車身噴涂MES系統(tǒng)的功能是設(shè)計(jì)工藝流程、實(shí)時(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并對現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況進(jìn)行監(jiān)控。將MES系統(tǒng)功能分為基礎(chǔ)資料模塊、計(jì)劃調(diào)度管理模塊、生產(chǎn)管理模塊、現(xiàn)場監(jiān)控模塊、質(zhì)量管理模塊、設(shè)備管理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊。如圖3所示。

1)基礎(chǔ)資料模塊存儲著當(dāng)前車間設(shè)備的使用情況、人員的流動情況和倉儲情況等數(shù)據(jù)。計(jì)劃調(diào)度可以根據(jù)此模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)計(jì)劃調(diào)度管理是噴涂車間排產(chǎn)調(diào)度的中心環(huán)節(jié)。其中包含產(chǎn)品資料、生產(chǎn)計(jì)劃、加工單三個(gè)子模塊。支持多訂單下單，可對已派工單進(jìn)行撤銷、暫停等操作。

3)生產(chǎn)管理模塊，實(shí)時(shí)跟蹤噴涂車間的生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)情況，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警并做出相應(yīng)補(bǔ)救措施。

4)現(xiàn)場監(jiān)控模塊是對現(xiàn)場車身噴涂狀況和設(shè)備使用情況進(jìn)行監(jiān)控，并通過車間觸摸屏和上位機(jī)進(jìn)行顯示。

5)設(shè)備管理模塊是對現(xiàn)場的噴涂機(jī)器人、滑撬等現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行管理，保證設(shè)備的正常使用和車間的生產(chǎn)效率。

6)質(zhì)量管理模塊。主要包括生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控模塊和生產(chǎn)結(jié)束后的報(bào)表分析，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)中的故障監(jiān)控和分析[8]。該模塊分為過程質(zhì)量缺陷、產(chǎn)品質(zhì)量檔案、SPC(統(tǒng)計(jì)過程控制)。

7)統(tǒng)計(jì)分析模塊。主要是對車間生產(chǎn)過程信息進(jìn)行綜合處理，包括對車間設(shè)備利用率分析、計(jì)劃完成率統(tǒng)計(jì)、 產(chǎn)品合格率統(tǒng)計(jì)等方面[9]。 包括噴涂車身質(zhì)量分析和 OEE(設(shè)備綜合效率)分析。OEE 分析是在生產(chǎn)過程中對設(shè)備的狀態(tài)、可用率、表現(xiàn)性、良品率進(jìn)行分析計(jì)算，最后得出設(shè)備的OEE結(jié)果。

圖3 MES功能模塊圖

2.3 車身噴涂MES軟硬件集成

車間噴涂MES系統(tǒng)是一個(gè)軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)深度融合的生產(chǎn)管理系統(tǒng)?，F(xiàn)對總體業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，如圖4所示。MES系統(tǒng)從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分析形成質(zhì)量報(bào)表、設(shè)備報(bào)表等，并且與上層的ERP系統(tǒng)進(jìn)行交互。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由現(xiàn)場觸摸屏和上位機(jī)進(jìn)行顯示。現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)由MES監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 噴涂車間MES集成架構(gòu)

3 車身噴涂MES設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 噴涂車間數(shù)據(jù)傳輸與采集

系統(tǒng)應(yīng)用OPC技術(shù)，通過建立有效的數(shù)據(jù)交互接口來解決現(xiàn)場設(shè)備控制層與MES系統(tǒng)層之間的通信問題。數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場設(shè)備以SIMATIC.NET為媒介，完成OPC服務(wù)器的配置，通過OPC客戶端實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

如圖5所示，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括四大部分，分別是過程控制層、數(shù)據(jù)采集層、Web服務(wù)器層和客戶端層。采用Socket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集終端和Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信；采用WebSocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與瀏覽器之間數(shù)據(jù)的即時(shí)通信。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

噴涂車間數(shù)據(jù)的采集主要依靠RFID，相對于以前的條形碼數(shù)據(jù)采集方式，RFID具有耐高溫、耐腐蝕和存儲信息量大等優(yōu)點(diǎn)。

RFID標(biāo)簽中儲存有VIN碼(車輛識別碼)、車型數(shù)據(jù)、顏色代碼等各種數(shù)據(jù)信息[10]。當(dāng)運(yùn)載車身的滑撬到達(dá)指定站點(diǎn)時(shí)，讀寫器向電子標(biāo)簽讀寫信息，然后把數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器。RFID電子標(biāo)簽與主站PLC之間通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。

3.2 車身噴涂監(jiān)控系統(tǒng)

車身噴涂車間的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著非常重要作用，能夠?qū)崟r(shí)查看生產(chǎn)車間的生產(chǎn)狀況。車間是用觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離是用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

觸摸屏作為一種人機(jī)界面，使用在電泳、PVC、中涂和面漆等噴涂單元的各個(gè)生產(chǎn)線。實(shí)時(shí)顯示每個(gè)生產(chǎn)單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和突發(fā)的故障情況。工作人員可以通過觸摸屏實(shí)時(shí)查看各個(gè)工序的實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)可以借助觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行控制，從而及時(shí)排除故障。

噴涂車間上位機(jī)用來顯示整個(gè)噴涂生產(chǎn)車間的生產(chǎn)情況，工作人員在中控室可以查看現(xiàn)場生產(chǎn)狀況。汽車噴涂車間上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有多種監(jiān)控系統(tǒng)。其中工藝設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包含電泳、中涂和面漆等多種工藝，現(xiàn)主要對面漆界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。面漆界面結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 面漆界面結(jié)構(gòu)圖

3.3 生產(chǎn)調(diào)度的建模與算法選擇

假設(shè)有M種車身，每種車身有N道噴涂工序，一共有K個(gè)加工設(shè)備。由于相同的噴涂工序可以由不同的噴涂設(shè)備對車身進(jìn)行噴涂，所以每種噴涂任務(wù)可以有多種選擇，而每種選擇的加工時(shí)間和成本消耗是不同的，每個(gè)加工設(shè)備對同一生產(chǎn)工序的加工時(shí)間和成本消耗也是不同的，所以需要通過生產(chǎn)調(diào)度建模與算法來達(dá)到生產(chǎn)時(shí)間最短或成本消耗最少。

設(shè)備加工工序的最長加工時(shí)間最短函數(shù)為：

每臺設(shè)備最大負(fù)載最小函數(shù)為：

全部設(shè)備最大負(fù)載最小函數(shù)為：

車間加工成本最小函數(shù)為：

針對該離散車間生產(chǎn),排產(chǎn)功能實(shí)質(zhì)是一個(gè)并行柔性作業(yè)的車間問題。對此類問題的求解,遺傳算法(GA)是一種研究較多的、具有通用性、易于通過程序?qū)崿F(xiàn)的方法[12]。本文以遺傳算法為主體算法框架結(jié)合其他算法的混合算法來解決車間排產(chǎn)調(diào)度問題。通過建模和遺傳算法的選擇和應(yīng)用，能夠更好地解決噴涂車間生產(chǎn)調(diào)度問題。

4 結(jié)語

文中針對當(dāng)前車身噴涂車間存在的一些生產(chǎn)管理問題，設(shè)計(jì)了噴涂車間MES系統(tǒng)。對噴涂車間進(jìn)行工藝分析和業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)，而后從體系架構(gòu)、功能模塊和與其他軟件硬件系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)了噴涂MES系統(tǒng)。重點(diǎn)對噴涂車間相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。該系統(tǒng)應(yīng)用于汽車噴涂車間，有效地解決了車間生產(chǎn)和管理方面的問題，提高了車身噴涂作業(yè)效率。對車身噴涂MES系統(tǒng)的進(jìn)一步研究有著一定的參考作用。