基于MES 的智能亮燈揀選在發動機裝配線應用研究

劉業通

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

近年來，隨著制造業的快速發展，企業對于提高生產效率和質量管理的需求日益迫切。在發動機裝配線等復雜生產環境中，物料管理[1]是一個關鍵的挑戰，直接影響到裝配準確性和生產效率。因此，研究和應用適合的物料管理技術成為提升裝配線效能的關鍵之一，隨著發動機制造業推行SPS（Set Parts Supply，成套零部件供應）配送方式取代傳統線物料的配送方式，以降低裝配人員裝錯零件的概率。在生產現場，根據生產裝配工藝流程設置有配料區，物料配送員需要根據生產訂單將產品所需裝配的零件進行揀選，并分配到相應物料小車，實現零件跟產品一一配套。由于不同機型所配的同一零件本身外觀差異不大，在揀料的過程中，為了防止出錯，需要員工拿著打印好的生產訂單從零件庫中逐一對照零件物料信息，然后拾取相應規格和相應數量的零件。這樣的不僅工作效率低，并且存在揀錯物料風險，造成裝配的質量隱患。

通過綜合國內外相關研究成果和實踐經驗，分析亮燈揀選技術與MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）[2]的結合原理和優勢，并提出一種基于MES 系統的亮燈揀選系統框架。該框架整合MES 系統和亮燈揀選技術的操作要素，實現準確的裝配指導和實時數據反饋，從而提升物料管理和裝配操作的效率。通過以發動機的主軸瓦和連桿瓦的實踐案例的應用和分析，評估基于MES 系統的亮燈揀選在發動機裝配線上的應用效果，結果表明該系統在提高物料管理準確性、降低裝配誤差和提升生產效率方面具有潛力和優勢。

為了讓物料揀選[3]更加簡便、準確，實現系統的智能防錯，開發一套MES 訂單管理統一指揮系統，采用PLC 智能化化控制，通過智能的亮燈的方式，提示員工按亮燈揀選物料，并將揀選的物料與訂單進行綁定，實現發動機裝配過程物料的防錯和數據的采集[4]，提升生產效率。

1 亮燈揀選系統的整體方案

通過理論研究和實踐應用，選取發動機的軸瓦和連桿瓦亮燈揀選作為實施案例，構建出亮燈揀選的解決方案。

1.1 系統主要功能

智能亮燈揀選系統把不同機型的軸瓦零件按質量匹配數據分成紅瓦、藍瓦，通過掃描軸瓦物料號和物料架的料道二維碼，自動實現物料號與料道數字化綁定；當發動機到達裝軸瓦工位時，亮燈揀選系統[5]通過數采系統服務器與MES 進行信息交互，把該機型需要裝配軸瓦的物料號、物料信息通過網絡傳送到設備系統，經過設備系統信息處理，并通過現場總線使設備控制觸發相應的料道指示燈進行指示，同時在HMI 上顯示屏上同步顯示當前裝配的機型、需要使用的物料號、物料數量、物料種類。

1.2 系統硬件組成及通信接口

該項目使用最新S7-1515 PLC 作控制主機，通過與線體S7-300 PLC、MES 進行設備數據信息讀取交換、信息比對以及在S7-1515 PLC 上進行數據管理。應用的網絡通信技術有ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技術，以及應用了無線識別技術，系統硬件及網絡如圖1 所示。

圖1 系統硬件及網絡

1.3 亮燈揀選接口設計需求

為了確保接口獲取的數據傳輸完整，接口數據條數的總數需滿足使用要求。客戶端在訪問接口獲取數據時，數據完成傳輸后，需要判斷獲取的條目數與接口字段返回的條目數一致后，方可確認為數據已完整獲取，否則客戶端需要重新獲取數據，確保數據完整。硬件架構接口如圖2 所示。

圖2 硬件架構接口

2 亮燈揀選系統的開發

亮燈揀選系統開發包含線邊物料控制系統、揀選數據采集系統、PLC 與設備間的通信系統和亮燈防錯系統。

2.1 線邊物料架系統

線邊物料架的料道數為300 個，一個料道固定一種物料，每個料道需配置一個亮燈電子標簽，設置的亮燈顯示的物料進行不同顏色燈光指示，在輸料機構表面存儲的物料規格不同時，該亮燈顯示機構可以分別發出紅、藍、黃3 種顏色的燈光，黃色為預留定義，紅色、藍色則與相應的紅瓦、藍瓦相對應，線邊配料操作人員根據亮燈顯示機構發出的光線，可以直觀地了解到輸料機構表面的物料的規格，利于操作人員對物料進行揀選。線邊料架效果如圖3 所示。

圖3 線邊料架效果

通過PLC 控制和外部的檢測傳感器進行開關計數，可以檢知輸送料架是否缺料，也可以通過PLC 控制運算后得知配料操作人員已經裝配的物料類型、物料數量等相關信息，并形成信息數據存儲在本地數據塊中。

2.2 亮燈揀選數據采集系統

對接亮燈揀選從MES 系統讀取機型需要裝配的物料信息：MES 系統通過數采平臺與產線PLC 集成，該控制系統包括掃描儀、工控機、西門子S7-1515 PLC，第一燈體和第二燈體均與中控系統（該中控機系統由工控機和PLC 控制器硬件組成）進行連接，在具體實施時，該中控系統具有程序下載端口和存儲模塊，程序下載端口用于下載軸瓦物料的規格參數數據，并將數據存儲到存儲模塊中，該掃描儀用于掃描物料件表面的條形碼或二維碼得出物料的規格，然后將掃描處理過的信息以數據的方式傳遞給中控系統，中控系統將掃描得到的數據與存儲模塊中的參數數據進行比對，可得出輸送輸料件表面的物料的規格，并控制啟動對應的第一燈體或第二燈體，以發出與物料規格相匹配的顏色的光照。數據采集系統實時采集來自生產線的產量數據或是不良品的數量、或是生產線的故障類型（如設備停線、上下工序缺料、零件品質不良），并傳輸到數據庫系統中；生產現場數據采集在品質控制過程中的非常重要的一個環節，這個數據采集方案可把相關人員從處理數據的繁重工作中解放出來，有更多的時間去解決實際的品質問題，同時即時的數據采集也使系統真正地實現實時監控，盡早發現錯裝配、漏裝配問題，避免更大的損失。

2.3 PLC 與設備間的通信系統

能夠讓整個系統中所有的設備通信互通，保證了信息的傳輸。通信系統的建立主要是將各工序位置不同的PLC（含S7-300 PLC、西門子S7-1200 系列PLC、西門子S7-1500 系列PLC）、工控機、各種現場設備伺服系統，通過通信介質連接起來，按照規定的通信協議、以某種特定的通信方式高效率地完成數據的傳送、交換和處理。通信系統的主控由西門子S7-1515 PLC 與MES 通信[6]，能夠準確接收到機型的物料信息，通過對信息的處理再發送到亮燈系統。西門子S7-1515 PLC 與線內各設備通信，讀取當前裝配的機型及每擋軸瓦需要裝配的紅/藍瓦信息；讀取流水線上設備狀態信息；讀取操作工序中斷及請求信息；以及PLC 與掃描儀通信，讀取物料號與料道號信息、綁定物料號與料道號關系等。所有數據在上傳MES 系統前均進行工控機存儲及暫時存儲在PLC 內，PLC 內存儲可以確保突然停電等情況下數據不會丟失，能夠實現短時的離線工作和短時的斷網工作，配合工控機內存儲可以實現批量暫存，確保數據的準確。

2.4 亮燈揀選系統

為了確保數據的準確傳輸和實時反饋，系統框架中應考慮數據傳輸和集成的方式。通過無線網絡、傳感器和物聯網技術，實現與MES 系統的數據交互和信息共享。系統主要通過總控西門子S7-1515 PLC 博途編程對整個信息的接收、邏輯的運算、信息的比對、信息的處理以及對料架指示燈的信號控制。發動機到達工位，在工控機系統通過接口與MES 系統進行信息交互，從MES 系統將訂單號、發動機編號，顯示在HMI 界面上；系統根據數據的匹配和計算，形成該發動機需要裝配的軸瓦信息；在工控機系統的顯示屏上正確顯示每個軸瓦需要裝配的軸瓦顏色和物料號，并將該信息傳輸到料架的控制系統，自動控制料架的顏色指示燈，通過料架對應的燈亮提示選擇對應料道的物料；當發動機完成裝配料并離開工位時，PLC 程序控制相應的軸瓦指示燈滅；同時設定料架的每一條料道都可以存放不同物料號的軸瓦，軸瓦的物料號通過編程實現在系統介面上進行任意修改和自主設置定義。

3 亮燈揀選系統的應用效果

基于MES 系統的亮燈揀選在發動機裝配線上具有顯著的優勢。它能夠提供準確的裝配指導和實時數據反饋，幫助裝配員快速、準確地進行物料揀選和裝配操作。同時，該系統實現了物料的追溯和管理，保證了裝配過程的準確性和可靠性。與傳統的物料管理和裝配方式相比，基于MES 系統的亮燈揀選能夠顯著提高物料管理的準確性、降低裝配誤差，并大幅度提升發動機裝配線的生產效率，同時采用物流網通信技術，大大提升系統的實時性和穩定性。

3.1 提高揀選效率、降低揀貨差錯率

傳統的軸瓦零件揀選模式是通過記憶及看料道信息進行揀選，效率比較低，而且會出現差錯。新的揀選系統，通過與線體設備S7-300 PLC、MES 系統進行設備數據信息讀取交換、信息比對，以及在S7-1515 PLC 上進行數據管理。操作人員通過掃描軸瓦物料號和物料架的料道二維碼，自動實現物料號與料道數字化綁定；當發動機到達裝軸瓦工位時，亮燈揀選系統通過數采系統服務器把該機型需要的物料號通過網絡傳送到系統，經過系統信息處理，利用PLC 的DB 塊存儲所有物料信息、每種機型裝配的物料信息，自動顯示需要裝配的軸瓦（相應料道亮紅燈或藍燈），配料操作人員根據信號揀選軸瓦配件，光電開關辨識到已拿取某擋軸瓦后，系統控制當前燈滅，按當前發動機的裝配紅藍瓦信息，對下一擋的軸瓦進行亮燈。同時對現場的揀貨狀況進行實時性的監控，減少了揀貨差錯率。

3.2 系統響應實時性、穩定性

為了達到系統響應的實時性和穩定性，使用最新S7-1515 PLC 作控制主機，該PLC 具有高水平的系統穩定性和快速信號處理能力，而且應用ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技術、無線識別技術，保障了設備間通信的穩定性，數據傳輸及時，很方便的與其他線上設備通過各現場總線技術兼容，進行數據交換。控制主機在收到MES 系統或上位機傳送來的分揀指令時，所控制的亮燈系統可以立即做出響應，進行相應的指示，并且如果MES 系統、上位機或工序請求等同時發出多個指令，則可以根據相關響應級別進行排序，控制料架機構進行提示揀貨，而不必等到上一個訂單完成，按順序完成軸瓦零件分揀任務。亮燈揀選系統根據訂單及機型的信息比對及處理，及時輸出信號控制料架亮燈，操作人員根據信號揀選配件。

4 亮燈揀選系統擴展應用及展望

在未來的研究和應用中，可以進一步探索和完善基于MES系統的亮燈揀選技術在發動機裝配線中的應用。首先，可以進一步改進零件識別與追蹤技術，提高系統的準確性和效率。例如，可以引入深度學習和人工智能算法，實現對零件的自動識別和跟蹤，減少人工干預和操作的需求，進一步提高裝配的效率和一致性。其次，可以加強亮燈揀選系統與其他裝配線系統的集成和協同工作。通過與計劃調度系統、物料管理系統和質量管理系統等的無縫集成，可以實現全面的生產過程管理和優化。例如，可以將零件需求和狀態信息與物料管理系統進行實時同步，以實現零件供應鏈的優化和調度。此外，還可以進一步提升亮燈揀選系統的智能化水平。通過引入自動化設備和機器人技術，可以實現更高程度的自動化和智能化。例如，可以引入自動揀選機器人，實現對零件的自動揀選和傳送，進一步提高生產效率和準確性。最后，還可以將亮燈揀選技術應用于其他領域和行業。除了發動機裝配線，亮燈揀選系統在其他制造業領域也具有廣泛的應用前景，如電子制造、機械制造等。通過借鑒和推廣亮燈揀選技術在發動機裝配線的成功經驗，可以為其他領域的生產過程優化和改進提供有益參考。