王 雅 君，王 德 權(quán)，賈 亮，李 佳 亮，孫 秋 花

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息是記錄發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的物料信息和質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣化、生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化[1－3]，造成產(chǎn)品質(zhì)量信息和物料信息源頭多、數(shù)量大，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息采集、跟蹤、統(tǒng)計(jì)和分析難度加大?，F(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)大多是強(qiáng)調(diào)車(chē)間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，收集并分析物流信息[4]，很少將物料信息和產(chǎn)品質(zhì)量信息集中統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行質(zhì)量控制。本文在MES下研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)檔案管理信息系統(tǒng)(Engine Archives Management Information System based on MES，EAMIS＿M(jìn)ES)，實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和試驗(yàn)過(guò)程中的物料信息和質(zhì)量信息，集中管理，并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(Statistical Process Control，SPC)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果用于產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品決策，同時(shí)可按照發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)追溯該批次產(chǎn)品裝配過(guò)程的所有信息，便于產(chǎn)品質(zhì)量及過(guò)程追溯。

1 企業(yè)需求分析

(1)物料追溯。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)用戶(hù)投訴時(shí)，根據(jù)訂單及發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)追溯這批產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程信息，如物料信息、操作工位、關(guān)鍵工藝參數(shù)等等。

(2)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制。在 MES環(huán)境下自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，精確區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量隨機(jī)波動(dòng)與異常變動(dòng)，及時(shí)消除質(zhì)量隱患。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量追溯、監(jiān)控及管理。

(3)信息保存及傳遞。集中分析、分類(lèi)管理發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息，并將這些信息及時(shí)上傳至質(zhì)量保證系統(tǒng)(Quality Assurance System，QAS)，充分共享發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息，提高系統(tǒng)工作效率。

根據(jù)以上需求，分析并設(shè)計(jì)基于MES的發(fā)動(dòng)機(jī)檔案管理信息系統(tǒng)。

2 EAMIS＿M(jìn)ES體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用.NET的N層架構(gòu)的企業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)方案[5－6]，結(jié)構(gòu)分為5層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of system

用戶(hù)界面UI層將請(qǐng)求發(fā)送給業(yè)務(wù)外觀層，業(yè)務(wù)外觀層管理系統(tǒng)內(nèi)部類(lèi)的調(diào)用，并為表示層提供接口，對(duì)UI請(qǐng)求進(jìn)行初步的處理，判斷是否調(diào)用業(yè)務(wù)規(guī)則層，還是直接調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層獲取數(shù)據(jù)。最后由數(shù)據(jù)訪問(wèn)層訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)并把結(jié)果返回到UI層。

3 系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)劃分為3個(gè)主功能模塊，主模塊下詳細(xì)劃分子模塊。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 EAMIS＿M(jìn)ES功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Function structure of EAMIS＿M(jìn)ES

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)檔案數(shù)據(jù)采集

發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)主要經(jīng)過(guò)兩部分，一是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程所經(jīng)過(guò)的裝配線(xiàn)，二是要經(jīng)過(guò)的熱試線(xiàn)(熱試是指對(duì)裝配好的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試)。數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式不同，采集方式也不同。

3.1.1 裝配線(xiàn)數(shù)據(jù)采集

企業(yè)大部分裝配過(guò)程由PLC控制實(shí)現(xiàn)，因此大部分質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)由MES系統(tǒng)與PLC實(shí)時(shí)通信進(jìn)行采集。同時(shí)實(shí)時(shí)采集裝配過(guò)程中的物料數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配過(guò)程中，經(jīng)過(guò)各個(gè)工位，加工的質(zhì)量數(shù)據(jù)從該工位的PLC中感應(yīng)到該發(fā)動(dòng)機(jī)所在托盤(pán)下的Moby中。裝配完成后，在下線(xiàn)工位從Moby中讀出，傳送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。MES系統(tǒng)采集存儲(chǔ)的大量產(chǎn)品歷史信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為本系統(tǒng)提供了完整、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采集數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 MES采集數(shù)據(jù)流程圖Fig.3 Flow chart of collecting data for MES

3.1.2 熱試線(xiàn)數(shù)據(jù)采集

熱試過(guò)程比裝配過(guò)程簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)熱試完成后以txt格式生成數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只需監(jiān)控這些文件并采集文本中的數(shù)據(jù)即可，不需要與控制熱試機(jī)床的PLC實(shí)時(shí)通信。采集流程如下：每個(gè)熱試工位配備熱試機(jī)床，發(fā)動(dòng)機(jī)熱試后，熱試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)工控機(jī)的存儲(chǔ)位置中TXT文本(按預(yù)先定義格式生成數(shù)據(jù))；監(jiān)控該文件所在文件夾，每創(chuàng)建一個(gè)文件，就把TXT文件中的熱試結(jié)果按一定格式讀取到系統(tǒng)內(nèi)存臨時(shí)表，經(jīng)過(guò)處理后分別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表中，讀取數(shù)據(jù)后把文件拷貝到備份文件夾中然后刪除，等待新的熱試文件創(chuàng)建。采集流程如圖4所示。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息管理

3.2.1 功能簡(jiǎn)介

圖4 采集熱試數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of collecting test data

該模塊主要包括質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢(xún)，查詢(xún)發(fā)動(dòng)機(jī)指定工位合格質(zhì)量數(shù)據(jù)和不合格質(zhì)量數(shù)據(jù)；檔案信息管理，維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和測(cè)量范圍等檔案信息；裝機(jī)檔案查詢(xún)，查詢(xún)組件物料和物料數(shù)據(jù)；質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量變動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行質(zhì)量控制。本文重點(diǎn)介紹質(zhì)量數(shù)據(jù)分析子功能。

3.2.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

3.2.2.1 SPC理論

將發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量控制提前到質(zhì)量問(wèn)題還沒(méi)有發(fā)生時(shí)，這是質(zhì)量控制的最高目標(biāo)。系統(tǒng)依據(jù)SPC理論，運(yùn)用科學(xué)算法完成發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量事前控制[7－9]?？刂茍D是SPC中一種有效的工具，它利用概率統(tǒng)計(jì)原理，對(duì)過(guò)程質(zhì)量特性值進(jìn)行測(cè)定、記錄、評(píng)估、和監(jiān)察過(guò)程是否處于控制狀態(tài)。

該模塊主要采用5種質(zhì)量控制圖進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，分別是均值極差控制分析圖、均值標(biāo)準(zhǔn)差控制分析圖、基本趨勢(shì)圖、工序能力分析圖、直方圖。本文以均值極差控制圖為例介紹控制圖的應(yīng)用情況。

3.2.2.2 均值極差控制圖繪制

均值極差控制圖可以同時(shí)控制質(zhì)量特性值的集中趨勢(shì)，即平均值的變化以及其離開(kāi)中心控制線(xiàn)的趨勢(shì)，即極差的變化，它使用范圍廣，可提供多種質(zhì)量情報(bào)，靈敏度高。圖5是均值極差控制圖繪制流程。

3.2.2.3 均值極差控制圖算法

Step 1 選取子組容量m和子組個(gè)數(shù)p，計(jì)算子組均值和極差值R。子組容量m一般2～5個(gè)；子組個(gè)數(shù)p一般15～25個(gè)。

Step 2 計(jì)算p個(gè)子組的均值平均值，它將是圖的中心線(xiàn)，又稱(chēng)過(guò)程平均。

圖5 控制圖生成流程圖Fig.5 Generating flow diagram of control chart

Step 3 計(jì)算p個(gè)子組的極差平均值，它將是R圖的中心線(xiàn)，又稱(chēng)平均極差。

Step 5 計(jì)算R圖的上、下控制限。

(由于下限值最低為0，因此不能為負(fù)數(shù))

Step 7 計(jì)算過(guò)程控制能力指數(shù)，即在不存在異常因素的狀態(tài)下，整體數(shù)據(jù)的狀況。

過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)差

過(guò)程能力指數(shù)

T為X所允許的最大與最小的數(shù)值之差，即T＝XUCL－XLCL。式(5)、(6)、(7)中A2、D4、d2為常數(shù)，可查常數(shù)表獲得。

如果沒(méi)有下限控制：

如果沒(méi)有上限控制：

依據(jù)表1確定過(guò)程能力，計(jì)算過(guò)程相關(guān)常數(shù)參照表2。

3.3 QAS上傳

QAS系統(tǒng)處理各種發(fā)動(dòng)機(jī)檔案質(zhì)量數(shù)據(jù)時(shí)，需要大量的發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息作為數(shù)據(jù)支持。本模塊上傳EAMIS＿M(jìn)ES中發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息，以支持QAS的產(chǎn)品質(zhì)量考核和優(yōu)化、決策等工作。圖6是QAS上傳信息流圖。

表1 判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Conversion table

表2 常數(shù)表Tab.2 Const table

檢測(cè)如果是最后一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，則數(shù)據(jù)庫(kù)主動(dòng)向QAS上傳模塊發(fā)送通信信號(hào)，QAS上傳模塊接收到信號(hào)后首先從Sqlserver數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息存儲(chǔ)到該計(jì)算機(jī)的DataTable內(nèi)存表中，然后連接QAS的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)連接成功后，把DataTable中的數(shù)據(jù)發(fā)送到Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)應(yīng)表。接收數(shù)據(jù)后Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)反饋接收是否成功信號(hào)。

圖6 QAS上傳信息流圖Fig.6 Information flow chart of QAS uploading

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，設(shè)計(jì)如圖7所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。裝配線(xiàn)上的工控機(jī)通過(guò)100M以太網(wǎng)卡與交換機(jī)連接，和本系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)時(shí)通信。EAMIS＿M(jìn)ES集中管理發(fā)動(dòng)機(jī)檔案信息，同時(shí)負(fù)責(zé)MES和QAS系統(tǒng)之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)MES與QAS集成。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Network Topology

5 系統(tǒng)典型應(yīng)用

5.1 熱試數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控6個(gè)工控機(jī)狀態(tài)并把狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示在界面上(圖8)，進(jìn)度條實(shí)時(shí)更新表明系統(tǒng)連接正常，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集熱試數(shù)據(jù)。如果自動(dòng)采集失敗，可采取手動(dòng)采集方式。

5.2 QAS上傳

可以查詢(xún)上傳狀態(tài)，也可以手動(dòng)重新上傳未上傳的檔案信息。操作界面如圖9所示。

圖8 熱試數(shù)據(jù)采集代表界面Fig.8 Interface of collecting hot data

5.3 質(zhì)量數(shù)據(jù)分析——均值極差控制圖

該界面(圖10)用于展示均值極差圖信息，將常用控制圖匯總，左上部分為工序能力圖，左下部分為排列圖，右上部分為均值圖，右下部分為極差圖，底部為質(zhì)量數(shù)據(jù)和各質(zhì)量指數(shù)。

圖9 QAS上傳界面Fig.9 Interface of QAS uploading

圖10 均值極差控制圖界面Fig.10 Interface of X－Rcontrol chart

6 結(jié) 論

運(yùn)用建模技術(shù)和.NET開(kāi)發(fā)了適合發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的EAMIS＿M(jìn)ES系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，企業(yè)生產(chǎn)管理者可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得生產(chǎn)過(guò)程中各種物料和產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)際信息，并根據(jù)這些信息做出各種決策，從而有效地控制產(chǎn)品生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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