基于MODBUS_TCP的防錯驗證監控系統開發及應用

黃春筍 張俊

上汽通用五菱汽車股份有限公司 重慶市 401135

1 前言

發動機的可靠性，質量一致性對客戶非常重要，為確保發動機裝配過程質量，發動機裝配生產線在各工位基本100%采用了各類防錯措施，采用各類硬件加傳感器等方式實現制造過程缺陷不接受，不制造，不傳遞的目標。對于新增的風險，通過不斷增加軟硬件的方式來探測，長此以往，整個防錯系統越來越臃腫，急需一套解決方案對各類防錯驗證的有效性進行系統性管理。

本文以某公司發動機裝配線為例，通過該發動機裝配線開班防錯驗證過程的分析研究，發現了防錯驗證過程中存在的問題（部分裝置失效，不按操作規程執行等）。針對這些問題，提出了基于modbus_tcp協議的低成本解決方案，開發了一套防錯驗證監控系統，該系統自動完成各防錯驗證狀態數據采集，并定時輸出報表，預測防錯功能失效風險。

2 開班防錯驗證方法分析

該公司發動機裝配線共有106個工位，分別由23個PLC控制，可同時共線生產多個機型。為防止出現錯漏裝，每個工位都有相應的防錯功能，并要求按不同周期開展防錯驗證，以確保設備正常工作。

2.1 裝配過程

以安裝曲軸工位為例，該工位開班防錯驗證其中一項為掃描曲軸參考件二維碼，在操作工掃描完二維碼后，設備防錯程序工作內容如下：

1）通過匹配當前發動機型號與掃描得到的曲軸號的型號，確認曲軸類型是否正確，如類型不匹配，則報警類型不匹配；

2）將掃描得到的曲軸號發送至質量管理系統，驗證該曲軸在生產過程中是否存在質量鎖定，當設備收到質量管理系統反饋的錯誤信息，則報警曲軸鎖定，當超時未收到任何信息，則報警驗證超時；

如果以上兩步驗證都沒問題，操作工需在防錯驗證記錄本上畫“O”，表示防錯驗證沒問題，如存在問題，則暗燈呼叫班長尋求幫助；

2.2 存在的問題

在防錯驗證過程中，過程完全依賴于人員是否按照標準化要求執行，管理人員不能確定驗證過程的有效性，可能的風險有：

1)防錯驗證未按要求定期在產品裝配前開展，導致裝配產品存在潛在質量風險；

2)防錯裝置失效未及時反饋導致裝配質量風險；

3)防錯功能有缺陷(例如頻繁報警)未能及時發現導致裝配質量風險；

4)防錯驗證未記錄對應發動機號碼，導致問題出現時無法精確快速鎖定可疑產品。

3 防錯驗證有效性控制方案

3.1 方案目標

為解決防錯驗證過程的有效性，通過開發一種防錯驗證監控系統，監控該裝配線所有防錯驗證過程，該系統應滿足以下幾點要求：

1)同時監控所有工位開班防錯驗證、防錯報警頻次，數據自動采集；

2)所有防錯驗證觸發時的發動機號、防錯類型、時間都自動記錄，具備完整的質量追溯數據；

3)開班防錯信息，集成一頁顯示，已完成顯示“O”，未完成顯示“X”，使管理人員無需跟線驗證即可知道當班次開班防錯驗證狀態；

4)自動推送報表，預測異常情況，供管理人員核對發現可疑情況；

3.2 方案邏輯架構及網絡拓撲

該方案分三步完成：防錯驗證數據采集，客戶端顯示數據，生成報表。邏輯流程如圖1所示。

圖1 方案邏輯框架

1)防錯驗證數據采集：以單個PLC為例，首先對所有防錯驗證項目進行編號，每個防錯驗證都具有單獨的ID，并且不同機型需設置不同的ID，同時在PLC中對應單獨的線圈地址，以便在讀取和存儲分析時區分不同的防錯驗證，具體如表1所示：

完成編號后，編寫防錯驗證數據采集程序，讀取PLC線圈存儲的信息，同時讀取每個工位當前的發動機號，將處理后的數據發送至數據庫保存；

2)客戶端顯示數據：開發客戶端軟件，匯總顯示每班次開班防錯驗證執行狀態；

3)生成報表：編寫程序定期發送防錯驗證匯總報表，分析潛在的失效風險，給管理人員提供決策依據。

4 方案實施

4.1 防錯驗證數據采集

修改PLC程序，將防錯驗證報警按順序引至連續的線圈，方便采集程序讀取，且要與表1中防錯編號順序一一對應，如圖3所示。

圖3 PLC程序修改示例

表1 防錯驗證ID編號

工作站作為主站client端，各PLC作為從站server端，為防止因網絡堵塞導致的數據丟失，使用Python multiprocessing創建多進程，給每個PLC通訊單獨分配一個進程，每個進程與對應的PLC創建一個modbus_tcp連接，獲取防錯報警狀態，方案網絡結構如圖2所示。在得到防錯報警觸發的信號后，與預先設定的防錯驗證ID進行匹配，最后將ID、發動機號、時間等存入數據庫中。

圖2 方案網絡結構

此外，由于在開班一小時內可能同時生產多種機型，考慮到減少客戶端顯示的無用信息，所以需要額外增加一列標簽，用于表示某個防錯是否在本次開班防錯驗證要求中，并在后期開發客戶端時以此列標簽篩選，只顯示當班次需要驗證的防錯。

4.2 客戶端展示防錯驗證數據

使用PyQt5編寫客戶端，并將每日開班防錯信息集成在客戶端首頁，只顯示本班次需要完成的防錯驗證，并優先將未按時完成的項目展示在前排，客戶端界面如圖4所示。

圖4 客戶端展示開班防錯驗證狀態

4.3 推送報表

在開班一小時后，使用企業微信API推送未觸發防錯報警的項目，提醒管理人員及時介入查找原因，如圖5所示。

圖5 企業微信推送未完成項

同時，每天自動生成報表推送。如圖6所示，當班次防錯驗證501未按時完成，1001觸發報警次數過多，這兩項都需要管理者管理者立即介入調查，以防潛在質量缺陷發生。

圖6 防錯報警觸發次數統計

5 小結

本文通過對某公司發動機裝配線防錯驗證過程的分析研究，發現了當前防錯驗證過程中潛在的質量問題，且整個防錯防錯驗證缺乏系統性的管理方案。為解決這些問題，基于modbus_tcp協議使用python編程開發了防錯驗證監控系統，該系統自動完成生產大數據采集，并對數據進行分析，將開班防錯驗證數據集成在客戶端中顯示，同時使用企業微信推送未完成項目、日報，對生產過程中的潛在防錯失效進行預警。該方案，使整個防錯驗證體系得到了有效的管理，實現了防錯驗證的閉環控制，同時為數字化工廠改進提供了一個有效的低成本解決方案。