西門子PLC緩存程序在發(fā)動機(jī)裝配生產(chǎn)中的應(yīng)用

王磊 孫蘭芳

摘要：介紹了汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)智能化系統(tǒng)中動力總成制造執(zhí)行系統(tǒng)（Power Train Manufacturing Execution System，PTMES）應(yīng)用于發(fā)動機(jī)裝配生產(chǎn)的工作原理，分析了發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計存在錯傳、漏傳等問題的原因，針對性地在西門子S7-300系列PLC中建立了緩存程序，有效解決了數(shù)據(jù)信息錯漏的問題，同時建立報警提醒，降低了發(fā)動機(jī)追溯數(shù)據(jù)無法查詢的風(fēng)險，極大地改善了數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PTMES；PLC；數(shù)據(jù)漏傳；緩存

中圖分類號：TP274；U466? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.003

1? ? PTMES簡介

1.1? ? PTMES概念

PTMES是動力總成制造執(zhí)行系統(tǒng)Power Train Manufacturing Execution System的簡稱，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。它建立了上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系，可為操作人員與管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤功能，并顯示所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等）的當(dāng)前狀態(tài)。

PTMES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量管理、庫存管理、人力資源管理、工具工裝管理、工作中心/設(shè)備管理、成本管理、項目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等在內(nèi)的管理模塊[1]，為企業(yè)打造一個可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)制造過程中，PTMES的數(shù)據(jù)采集傳送主要包括以下幾個方面：

1）發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線自動化數(shù)據(jù)：生產(chǎn)線上的各個工位通過設(shè)備和傳感器等自動采集數(shù)據(jù)，包括零部件裝配情況、產(chǎn)品性能參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)通過自動采集系統(tǒng)傳送到生產(chǎn)管理中心進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。

2）質(zhì)檢數(shù)據(jù)：質(zhì)檢部門針對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行檢測和測試，通過數(shù)據(jù)采集儀器記錄檢測結(jié)果，實時傳送到生產(chǎn)管理中心進(jìn)行分析和處理。

3）物流數(shù)據(jù)：物流部門通過RFID等物流管理系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行追蹤和記錄，包括原材料采購、倉儲和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和傳送。

4）工人作業(yè)數(shù)據(jù)：對生產(chǎn)線上的人工進(jìn)行工時、操作記錄等數(shù)據(jù)采集，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將其及時傳送到生產(chǎn)管理中心進(jìn)行分析和優(yōu)化。

通過以上數(shù)據(jù)采集傳送，企業(yè)可以建立智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)信息的可追溯和產(chǎn)品質(zhì)量控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2? ? PTMES的生產(chǎn)線自動化數(shù)據(jù)采集

PTMES采集NSE發(fā)動機(jī)（小型高功率發(fā)動機(jī)）裝配線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息包括：發(fā)動機(jī)的追溯號、精確子零件號（目前同追溯號）、鋼印號、在每個工位的生產(chǎn)時間、上線時間、下線時間等。NSE發(fā)動機(jī)裝配線從發(fā)動機(jī)上線工位OP10到最后一個工位OP1670（托盤清洗工位），共計167個加工工位，本文介紹的是PTMES在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的自動化數(shù)據(jù)采集。

PTMES與西門子PLC[2]的通信主要是由OPC Server[3]這個應(yīng)用軟件執(zhí)行，在計算機(jī)上通過配置應(yīng)用軟件參數(shù)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在這個項目中，PTMES主要采集PLC程序中數(shù)據(jù)塊DB270中的數(shù)據(jù)，共計68字節(jié)。

PTMES會對每一臺新裝配的發(fā)動機(jī)在OP10上線工位建立一個單獨的文件夾（文件夾的命名是發(fā)動機(jī)追溯號、鋼印號等），發(fā)動機(jī)在整條裝配線裝配時，每個工位的數(shù)據(jù)信息都填充到這個文件夾中。如果PTMES在OP10工位沒有采集到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，則無法建立文件夾，后續(xù)工位的數(shù)據(jù)信息也就沒有存放的位置，從而將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息采集不完善。而發(fā)動機(jī)下線工位OP1650主要是發(fā)動機(jī)下線時的裝配數(shù)據(jù)信息的匯總。

2? ? 發(fā)動機(jī)裝配數(shù)據(jù)信息采集中的故障描述及分析

發(fā)動機(jī)裝配線在統(tǒng)計發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息時，偶爾會發(fā)現(xiàn)PTMES記錄的發(fā)動機(jī)號缺失，導(dǎo)致裝配線統(tǒng)計只能以人工記錄為準(zhǔn)。

為了確保發(fā)動機(jī)每天上、下線信息的準(zhǔn)確，必須確保OP10發(fā)動機(jī)上線工位與OP1650下線工位信息100%傳輸?shù)絇TMES中。通過對缺失數(shù)據(jù)信息狀況的分析，圖1所示三種情況可能存在發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息漏傳。

1）在OP10與OP1650發(fā)動機(jī)上、下線工位，PTMES沒有成功采集到當(dāng)臺發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)中無法查詢發(fā)動機(jī)信息（以下簡稱“無信息”），判斷為此臺發(fā)動機(jī)信息已丟失，此時發(fā)動機(jī)整個上、下線的信息就會少一臺。

2）OP10無信息，OP1650有信息。在經(jīng)過OP1650工位后，PTMES會自動把OP10的信息補(bǔ)上去，但是上線時間和下線時間是一樣的，如果當(dāng)天上線裝配的發(fā)動機(jī)在第二天下線，則當(dāng)天上線的發(fā)動機(jī)會少統(tǒng)計一臺，第二天上線的發(fā)動機(jī)會多統(tǒng)計一臺的產(chǎn)量。

3）OP10有信息，OP1650無信息。在發(fā)動機(jī)成品報交時，系統(tǒng)會自動檢測補(bǔ)上數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息采集中的故障描述，首先要保證OP10上線工位的數(shù)據(jù)信息成功上傳，即在本工位的PLC中建立一個數(shù)據(jù)緩存程序，避免發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)在本工位因網(wǎng)絡(luò)延時等原因而發(fā)生錯傳、漏傳等現(xiàn)象。

3? ? 發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息上傳故障的解決方案

發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息缺失原因分析：發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息沒有成功上傳到PTMES主要是發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息在西門子PLC中保持的時間過短、網(wǎng)絡(luò)故障等通信不正常，導(dǎo)致公司的PTMES沒有采集到數(shù)據(jù)信息。

理想方案是解決網(wǎng)絡(luò)通信卡頓、延時等問題，使其始終保持網(wǎng)絡(luò)暢通[4]，但導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信不正常的原因眾多，要完全解決該問題可能需耗費大量的人力、物力。根據(jù)目前出現(xiàn)的故障分析，解決上述問題的另一個有效方法是在PLC程序中建立數(shù)據(jù)緩存程序，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息經(jīng)過緩存區(qū)域，再依次上傳到PTMES中。

4? ? PLC程序中增加數(shù)據(jù)緩存功能

在西門子S7-300系列PLC程序中添加新的功能FC11、FC12、FC222、FC230及數(shù)據(jù)塊DB111（緩存數(shù)據(jù)塊）。PLC中編寫的緩存程序的主要功能：把發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息（共68字節(jié)）依次傳送到PLC程序中的一個固定存儲區(qū)域DB111（容量設(shè)為存50條）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息保存。PTMES與PLC網(wǎng)絡(luò)通信正常時，緩存區(qū)域的數(shù)據(jù)信息會被迅速傳送到PTMES中；在通信不正常時，PLC緩存區(qū)域中的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息會不斷逐條累加，當(dāng)信息緩存數(shù)量達(dá)到20條時，會觸發(fā)PLC報警，提示設(shè)備維修人員對網(wǎng)絡(luò)通信接口信號Data Receive By Host及其他影響網(wǎng)絡(luò)通信的故障進(jìn)行處理；待網(wǎng)絡(luò)通信正常后，PLC程序?qū)⒅熬彺娴陌l(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息按照先進(jìn)先出的原則逐個發(fā)送到數(shù)據(jù)接收位（DB270數(shù)據(jù)塊）中，供PTMES進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。

4.1? ? 功能FC11為數(shù)據(jù)緩存的主控制程序

1）利用PLC與PTMES上層網(wǎng)絡(luò)的I/O通信接口信號Data Receive By Host（DB270.DBX1.7）與Data Ready（DB270.DBX2.0），并根據(jù)通信功能，使每臺發(fā)動機(jī)信息在上傳時都要進(jìn)行一次“0”到“1”的跳變。

（1）PTMES的數(shù)據(jù)接收信號（現(xiàn)在PLC可以把發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息寫入PTMES）：

Data Receive By Host置“1”，Data Ready置“0”。

（2）PLC通過OPC協(xié)議把發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息寫入PTMES時：

Data Receive By Host置“0”，Data Ready置“1”。

（3）信息寫完后，PTMES反饋信號給PLC：

Data Receive By Host置“1”，Data Ready置“0”。

2）在PLC程序中，當(dāng)前數(shù)據(jù)信息傳送到內(nèi)部緩存區(qū)域，與緩存數(shù)據(jù)傳送到PTMES，兩個執(zhí)行動作互鎖，不在同一時間進(jìn)行傳送，避免傳送干擾。

3）在PLC程序中，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息先集中到數(shù)據(jù)DB110中，再通過功能FC12把DB110中的數(shù)據(jù)傳送到DB111中。

4）通過功能FC230把DB111中的數(shù)據(jù)傳送到DB270中，供PTMES采集。

5）在PLC程序中，設(shè)定緩存超過20條時，啟動報警提醒人工故障檢修；緩存超過50條后，信息有溢出并丟失風(fēng)險。

4.2? ? 功能FC12為數(shù)據(jù)傳送程序

發(fā)動機(jī)在當(dāng)前工位裝配合格放行時，依靠功能FC222每次位移兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，功能FC12會把DB110中68個字節(jié)的信息順序位移到緩存數(shù)據(jù)塊DB111中。例如，第一組發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)從DB110中位移到DB111數(shù)據(jù)塊的0～67字節(jié)（此時緩存數(shù)據(jù)的指針指向DB111.DBB68處）中：

1）PLC與PTMES網(wǎng)絡(luò)通信正常時，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息正常被采集，此時緩存數(shù)據(jù)的指針將減去68字節(jié)，指向DB111.DBB0處，則下一臺發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)將繼續(xù)傳送到DB111數(shù)據(jù)塊的0～67字節(jié)中。

2）網(wǎng)絡(luò)通信不正常時，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息無法被采集，此時緩存數(shù)據(jù)的指針將從DB111.DBB68開始向下68字節(jié)，作為第二臺發(fā)動機(jī)的緩存數(shù)據(jù)，依次類推，最多可存儲50臺份的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息。

4.3? ? 功能FC222為數(shù)據(jù)位移子程序

數(shù)據(jù)傳送控制功能FC222的參數(shù)說明：

Source_DB_ID：源數(shù)據(jù)塊；

Source_R pointer：源數(shù)據(jù)塊內(nèi)部的指針；

Target_DB_ID：目標(biāo)數(shù)據(jù)塊；

Target_W pointer：緩存數(shù)據(jù)的指針；

ERROR_ID：檢測數(shù)據(jù)塊的異常報警。

每個掃描周期中，源數(shù)據(jù)塊中指針指向的數(shù)據(jù)（2個字節(jié)），位移到目標(biāo)數(shù)據(jù)塊中指針指向的位置。

4.4? ? 功能FC230為數(shù)據(jù)傳送程序

1）把緩存數(shù)據(jù)塊DB111中的前68字節(jié)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)塊DB270中，供PTMES進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集。

2）PLC與PTMES通信不正常時，緩存數(shù)據(jù)塊DB111累積存儲多臺發(fā)動機(jī)的信息，當(dāng)通信正常后，緩存中的發(fā)動機(jī)信息按先進(jìn)先出的原則逐個位移到DB270中，供PTMES采集。緩存在位移出第一臺發(fā)動機(jī)信息后，之后的發(fā)動機(jī)信息會依次向上位移68字節(jié)，直到所有數(shù)據(jù)信息被PTMES采集完。

4.5? ? 設(shè)備運行調(diào)試及驗證

1）在OP10發(fā)動機(jī)上線工位中進(jìn)行測試，當(dāng)通信正常時，發(fā)動機(jī)信息經(jīng)過緩存區(qū)域后直接被PTMES采集；當(dāng)通信不正常時，發(fā)動機(jī)信息會依次存儲到數(shù)據(jù)緩存區(qū)域中，同時緩存區(qū)域內(nèi)存儲50臺份發(fā)動機(jī)信息后，緩存數(shù)據(jù)指針指向DB111.DBB3400，將不再存儲發(fā)動機(jī)信息，之后的發(fā)動機(jī)信息直接丟失；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信再次恢復(fù)正常后，緩存中的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息會按照先進(jìn)先出的原則，依次發(fā)送到DB270中，供PTMES采集。

2）建立緩存50臺發(fā)動機(jī)信息的緩存區(qū)域并實測，PLC的掃描周期穩(wěn)定在6～202 ms，PLC運行正常。

3）NSE發(fā)動機(jī)裝配線OP10和OP1650兩個工位的PLC程序改造后，經(jīng)過半年的實測，設(shè)備運行正常，因數(shù)據(jù)信息丟失發(fā)動機(jī)原始數(shù)據(jù)信息追溯不到的風(fēng)險得到了有效控制，保證了發(fā)動機(jī)生產(chǎn)信息的精確追溯。

5? ? 結(jié)束語

西門子PLC緩存程序在發(fā)動機(jī)裝配生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效解決工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)中由于網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)信息丟失問題，具有較高的使用價值和推廣潛力。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2023-02-15

作者簡介：王磊（1984—），男，江蘇沛縣人，工程師，主要從事電氣技術(shù)支持工作。