汽車零部件裝配車間MES數據采集功能開發研究

摘要：MES系統是專門針對車間信息管理的系統，它涵蓋從原料購進直至成品入庫的整個生產流程，并實施動態化的數據采集與監控，由此滿足產品追溯、裝配狀態監控等多項管理需要。針對汽車零部件裝配生產中MES數據采集功能的開發實現進行研究，并對零部件裝配作業進行了概述，進一步探討了車間內數據采集類型與MES功能模塊，同時重點分析了此項功能的開發過程。

關鍵詞：汽車零部件；裝配車間；數據采集

中圖分類號：U468.4 ?收稿日期：2023-03-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.019

1 汽車零部件裝配

a.制造形式。零部件裝配通常是“離散型”加工模式（見圖1），物料流動在多個工位上，通過加工與組裝，得到最終的產品。實際生產中，在確認零部件種類的前提下，選擇相應的物料清單。

b.生產程序。汽車行業的零部件裝配通常是“訂單式”生產形式，加工環節包括物料上線、制作組裝與質檢等，而裝配操作一般是交給自動化系統。在訂單要求調整后，生產線能利用調整模具與技術參數，達到柔性制造的效果。但如果調整前后的產品有明顯差異，就要通過改變工序滿足訂單要求[1]。

c.自動化操作。汽車零部件生產中，因為存在人工配料的行為，所以很難達到全自動的水平。每個工位都選擇人工加料的方法，在某處工位任務結束，半成品轉移至下一個工位，加工基本上均借助PLC智能裝置進行控制。總的來看，零部件裝配的自動化程度還不足，基本上都要有人為輔助。

d.生產車間。在加工制作中，涉及到上料與下料的環節，這會引起諸多原料、半成品與成品放置堆積，致使車間內環境復雜，管理難度大。考慮到“離散型”的裝配作業，數據采集應當面向工人、物料與技術參數等，把車間生產全過程采集到的數據，用作MES系統基礎。整體上來講，MES系統主要分成三個層次：一是數據采集層。裝配車間運行中，需對采集到的數據加以識別，通常配置條形碼、讀寫器等功能模塊；與PLC連接，對寄存裝置信息進行動態監控，當成分析裝配制造與機組狀態的依據。二是數據層，負責保存由采集層傳來的信息，內容呈現形式有視圖及表，主要包含工人資料與權限、技術信息等。三是應用層。在MES系統中，該層屬于外在表現，在保障數據真實、及時的前提下加以分析，并支持查詢、設置、可視化等。

2 裝配車間的數據采集類型及MES功能模塊

2.1 數據采集類型

車間運行中，需要關注工人、物料與機組等若干生產要素。其中，工人信息主要有基本資料、功能權限；物料數據則由前期采購環節開始記錄，包含供應商資料、物料可用項目范圍、出入庫信息等。而零部件裝配中用到的彈簧及螺釘等物料，由于不能個體標識，所以直接保存箱號信息。工人與物料都屬于可識別的數據，能選擇掃碼槍以及讀寫器獲取，并且此類信息是相對固定的，可以長時間存儲。

機組設備狀態就是對裝配車間生產線狀態的采集與記錄。整個過程重點是采集及保存各個類型產品在加工中的工序，所謂的加工狀態就是在常規生產中，生產工件、數目及模具等資料[2]。零部件制作中，數據來源是機組運行參數，需要長時間積累。另外，各類工件加工中產生的數據會有不同，結合加工及裝配期間采集到的動態信息，把工件狀態設置成完工、制作中、返工等。而成品工件連帶的信息，應當包括物料、工人等多項數據，相關人員能按照工件ID，查找到有關資料。

2.2 MES功能模塊

MES選擇模塊化的設計模式，結合具體使用需要，開發若干個功能模塊，各部分獨立運行，操作人員能直接挑選相應模塊，進入所需的界面。數據采集包含標簽識別與信息采集，對其的開發應當配備合適硬件，并把采集信息傳送到數據庫內。關于該功能的子模塊設定如下：

a.識別標簽。基于選擇的標識形式，在對象設置相應標簽的情況下，零部件裝配全過程均能對其進行識別，采集對象信息。此模塊能與其他功能組合應用，比如查找工件中，能直接在查詢單元中導入識別出的標簽，這樣能節省人工錄入的時間，并保障查詢的準確度。b.員工資料錄入。擁有高權限的管理員能通過系統對員工資料進行更改、新增等操作，保存好后，可調用形成的標簽。c.員工權限。在完成資料錄入后，就可由高權限管理者賦予下層職工操作權限。d.物料入庫及出庫。e.生產流程，相同類型的零部件制造、裝配，設置固定的工序流程。除上述功能模塊外，還有機器采集點、信息查詢與復檢等。

3 裝配車間MES的數據采集功能開發剖析

3.1 歐姆龍PLC

借助FINS協議，能完成歐姆龍PLC信息作業。基于IP、端口以及其他連接參數的設定，把PLC當成TCP Server，由上位機發出連接申請。在該過程中，信息傳輸是利用TCP協議實現。根據基本編程思路，PLC通信期間主要涉及到以下幾個對象：a.TCP Client，其能和PLC連接、收發報文；b.發出報文，根據FINS協議要求的格式，生成包含地質、保存位置、操作類別在內的報文，主要用在通信傳輸上；c.操作參數，涉及到報警碼、指令代碼與點位數據，其中前兩種涵蓋內容多，不適合保存于系統程序內，應放置本地文件里，方便增加與管理；d.響應報文，由PLC側發出的報文，內容有：報警、讀取返回的信息[3]。

系統運行中，讀取與改動PLC信息，需要和PLC連接，把讀寫指令、改動信息、地址等當作生成報文的依據。其中，讀取與寫入環節的數據格式沒有變化，后者僅需在TXT段增添新內容。系統中的響應報文部分，其報警碼是“00”，說明操作完成。而讀取環節中，響應代碼中cmd段是“0101”，之后生成的報文應將讀取內容包括在內。通過分析響應報文的各個部分，就能了解到操作情況。

3.2 三菱Q系列PLC

MELSEC協議（后文簡稱“MC”）可用在外端設備通過可編程的控制器實現通信。該協議和FINS存在相似之處，PLC都是當成TCP服務器，通過報文傳輸，滿足通信的需要。在MC協議下，通過半雙工通信形式，完成數據交互。在上位機訪問CPU期間，僅可以在收到PLC響應報文后，才能下達其他指令。但和FINS相比，MC省略連接的步驟，能提升通信運行效率。

MC協議支持ASCII以及二進制的報文格式，此處重點討論前者。指令報文的頭部為TCP/IP與UDP/IP，實際傳送中，能自動增加；副頭部，根據報文類型有不同的參數，其中指令報文是“5000”，響應報文是“D000”；可編程控制器與網絡編號，在本站訪問中，前者編號是“FF”、后者編號是“00”；請求目標的I/O編號默認值是“03FF”，站號默認參數是“00”；請求數據的長度是指報文數量之和，是十六進制；協議內涉及到諸多指令代碼，能進行讀寫等多項操作。在MC協議下，請求數據主要有點位參數，如軟元件代碼與數量、地址等。在進行讀取作業中，響應代碼包括數據信息；寫入環節中，指令報文內添加相應數值。鑒于選擇ASCII碼支持通信，生成報文中，軟元件能通過字符信息，在報文上呈現出存儲位置，不用改成設定對應碼。

3.3 西門子PLC

西門子PLC和上位機之間的信息傳送，借助多項協議，但相應內容是加密的。運用西門子中的OPC服務，包含若干對象，涉及到狀態及版本等數據，并帶有管理群對象的方式函數。在一個服務對象內，存有數個群對象，而在群對象中則有組屬性與管理Item方式。后者在OPC里是最小模塊，實質上不屬于數據項，應當是具體點位的映射形式，可視為系統程序內的指針地址。其共有三個重要屬性，即質量、時間戳與值。常規客戶端能讀寫Item值。客戶端和OPC服務間的通信，有三類形式可選。a.同步通信，相當于“等待問答”的過程，客戶端把需要訪問的內容傳送至服務器，后者收到請求信息后，把訪問結果反饋給客戶端。而客戶端從發送請求到接收信息這段時間，均是在等待中。b.異步通信，客戶端將會訪問的內容傳送到服務器后快速退出，此時客戶端能繼續開展其他操作，無需等待服務器的反饋。在服務器整理好訪問信息后，把結果反饋給客戶端。c.訂閱，這和前兩類的明顯差別是，客戶端不用發出訪問申請，直接把需監控訪問的信息歸納到Group內。服務器會自動對其中的信息實施動態監視，在數值有變化時，相當于觸發事件，隨即把相應信息發送給客戶端。

利用OPC技術達到PLC通信的目的，先要考慮的是服務器配置，此處選擇借助以太網，構建服務器。相應的配置流程為：a.安裝編程與服務軟件，操作界面上形成快捷鍵；b.啟動TIA軟件，設置有待監控及數據采集的PLC程序，并把以太網IP換成本地IP；c.開啟“空間站布局”，更改名稱，而且在組態相應插槽內設置服務器與IE general；d.組態下載至計算機本地；控制界面上，把通信參數設置中關于安全性的模塊，開啟遠程基本通信與OPC通信，并設置需要采集數據的變量[4]。

3.4 統一接口

零部件裝配車間中可用的PLC形式較多，而且通信形式不盡相同，實際提供的功能集中在服務器、讀取信息、更改信息、連接等。結合裝配車間的數據采集需要，應當進行接口整合。對于連接與點位讀取參數有區別的情況，可通過把全部寫入參數均設置成同一字符型實現。實踐中，可加入字符串解析器，利用分割處理，把字符串分成若干子字符，轉化成統一的參數形式。MC與FINS協議對應實現類，需在解析報文格式的前提下，把TCP Client當成收發報文的媒介；報警碼說明和數據信息對應碼當成配置內容，支持操作人員查詢。OPC相應的實現類，要加入引用OPC關聯的DLL內容。接口的同步讀取與寫入操作形式不變，額外設置訂閱采集數據的方式函數。而參數字符串的連接，則可作為服務器名稱與對應安裝工控機的IP。

實現接口整合的前提下，將通信期間涉及到的各項操作，統一函數名稱與參數。針對各類通信方式，做好接口繼承與封裝。基于該調整思路，僅需調取具體接口方法，就能進行相應的通信操作。系統運行過程中，按照PLC類型與通信方法，挑選適宜的類方法支持操作，借此達到統一接口的目的。

3.5 采集功能實現

汽車零部件的生產線上，有不同類型的設備，通過實現統一接口，就能選擇更為高效的通信方式。但在進一步對比分析中，連接與點位參數對應的個數模式也有區別。比如說，在FINS協議中，應結合軟元件存儲內容與數據種類，轉化成報文碼，但Item地址則會形成字符串。假設對各種PLC的不同點位參數，均單獨設置屬性段，難免會引發屬性段偏多的運行缺陷，而且在系統運行后期，如果產生新參數，同樣需增設屬性段，這種顯然不利于生產線管理。對于該問題，可把數據庫內的表結構進行集約化設置，把分析及處理參數全部交由軟件進行。比如點位地址，其字符長度可設置成50個，把全部參數匯集成一行數據。數據采集期間，僅需分析提取出來的參數。系統程序側選擇字符分離的方法，各字符串之間，借助“-”、“_”以及空格進行簡單分隔，例如，“275 Word M 2”是指加工數量。

在接口、寫入參數得以統一后，根據PLC類型，選擇通信方法。該種數據采集功能的開發方式，突出優勢體現在：a.不同的PLC通信，能夠通過統一接口完成信息傳輸，根據PLC實例對應的通信類運行。借此可有效消除軟件程序中的冗雜問題，在保障基本功能的前提下，簡化程序結構。b.終端連接參數與監控點位內容都集中在系統數據庫內，還把呈現形成事實統一處理。在形成其他連接形式以及點位后，不用重復調整表結構，僅需在原有結構的基礎上，額外設置參數解釋器就能正常調用運行。c.數據采集功能下，無論是采集環節或是設備連接，均支持管理操作。在車間生產線上安裝一臺新裝置后，直接在數據表上新增設備信息，并設置通信與參數處理方法，就能完成添加生產機械的工作。

4 結語

在汽車零部件的裝配車間中，開發數據采集功能，可基于多個傳輸協議與OPC技術，進行接口集約化處理。并根據數據庫內點位表，實現統一參數格式。如此可提高數據采集操作的靈活度與可擴展度，能夠適應裝配車間的信息管理訴求，達到動態化監控的目的。

參考文獻：

[1]歐其北.汽車與零部件裝配的質量控制及優化措施[J].汽車與新動力，2022（1）：64-66.

[2]盧炳榮，羅浩云.基于公差設計的汽車零部件裝配尺寸控制方法[J].質量與認證，2021（S1）：75-77.

[3]張淮東.無線射頻技術在汽車零部件裝配線上的應用[J].汽車工藝師，2021（9）：40-41.

[4]于泓聿.基于MES的F汽車零部件公司生產管理改進研究[D].長春：吉林大學，2020.

作者簡介：

楊雪飛，男，1976年生，研究方向為非標自動化設備開發、上位機、下位機程序編寫與調試。