田 夢，高天一，潘瀾瀾，慕光宇

（1.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連民族學院 機電信息工程學院，遼寧 大連 116600）

0 引言

離散制造業(yè)的生產(chǎn)過程主要是多工位流水作業(yè)，作業(yè)分工后，存在各工位作業(yè)負荷不均衡的現(xiàn)象，導致有的工位制品堆積，有的工位空閑時間過長，造成工時損失，嚴重時會引起生產(chǎn)線停止。因此對生產(chǎn)線中的工位負荷進行均衡化，使各工位作業(yè)時間盡可能相近，進而提高生產(chǎn)效率[1，2]。

本文綜合應用傳感器、PLC、計算機等技術(shù)對生產(chǎn)線進行實時監(jiān)控，以C# 為上位機軟件平臺，開發(fā)了生產(chǎn)線的監(jiān)控界面，對PLC 的數(shù)據(jù)進行讀寫，實現(xiàn)加工時間的自動化采集。收集準備時間、作業(yè)時間等相關(guān)數(shù)據(jù)，利用Flexsim 自動擬合生產(chǎn)加工時間的統(tǒng)計分布，有助于制造企業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃和布局生產(chǎn)線，減少浪費，提高效率[3-4]。

1 實驗方案

采用實驗室中U 型生產(chǎn)線，用四個圖案的繪制來模擬加工的四道工序，圖案為均由直線組成中等復雜的圖形，圖形標號分別為1 號、2 號、3 號、4 號，如圖1 所示。

圖形標號對應的工位編號，假設(shè)工序1 必須提前完成，其他工序是可以隨機分配的，本次抽取的工序為圖1-4-3-2。安排4名操作人員分別在4 個工位對圖形進行繪制，操作人員對應工位也為隨機分配。準備4 個刻度直尺和鉛筆，放在4 個工位作為操作員畫圖的工具。每名操作人員從生產(chǎn)線上取回一張紙，在上面畫出相應圖形，然后放回生產(chǎn)線，傳到下一工位，由下一名操作人員繼續(xù)繪制，4 個圖形在同一張紙上繪制完成視為完成全部加工過程。

圖1 加工四道工序的4 個圖形Fig.1 Four step processing of 4 figure

所有參加測量的人員，均是已經(jīng)按有效工作方法訓練過的操作人員，且在測試數(shù)據(jù)的過程中，人員沒有變動，測量50 組數(shù)據(jù)，以便于找到合適的分布規(guī)律。

2 生產(chǎn)線作業(yè)時間的自動采集系統(tǒng)設(shè)計

通過PLC 自動采集生產(chǎn)線上各工序的作業(yè)時刻，在上位機C#軟件中計算加工時間（作業(yè)績效時間），并將各作業(yè)時間記錄到數(shù)據(jù)庫中，供績效分析，全部信息的采集和數(shù)據(jù)的記錄過程實現(xiàn)自動化。

2.1 PLC 設(shè)計

采用S7-200 的CPU226 模塊，接線如圖2 所示：通訊口連接上位機；輸出端口實現(xiàn)生產(chǎn)線開關(guān)的控制和速度的調(diào)節(jié)；輸入端口連接八個接近傳感器，讀取作業(yè)時在制品的到達和離開時刻。在生產(chǎn)線對應的四個工位處，每個工位兩個接近傳感器，一個檢測托盤 （工件）到達和離開工位的狀態(tài)、一個檢測工件到達和離開操作臺的狀態(tài)，位置圖如圖3 所示。

接近傳感器是開關(guān)量，開關(guān)量變化的時刻為需要采集的作業(yè)起止時刻。生產(chǎn)線采集的作業(yè)時間包括：“在制品到達該工序的時刻”、“加工開始時刻”、“加工結(jié)束時刻”、“在制品離開該工位的時刻”，例如在第1 個工位處，分別對應傳感器1 的開、傳感器2 的開、傳感器2 的關(guān)、傳感器1 的關(guān)。

圖2 PLC 面板連接圖Fig.2 Panel connection diagram of PLC

圖3 傳感器位置圖Fig.3 Sensor location map

2.2 上位機軟件設(shè)計

用C# 軟件設(shè)計一套生產(chǎn)線監(jiān)控軟件，包括登陸界面、生產(chǎn)線啟停界面、倍速鏈和皮帶速度調(diào)節(jié)界面、報警界面、讀取傳感器數(shù)據(jù)界面，電磁閥控制界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、作業(yè)時間分析界面。

為了與PLC 連接，實現(xiàn)實時通訊，采用OPC 數(shù)據(jù)訪問，在命名空間上添加引用 “Siemens OPC DAAutomation 2.0”，程序代碼中使用OPC 協(xié)議語句。

2.3 生產(chǎn)線加工時間的自動采集

一個工位的作業(yè)有4 個關(guān)鍵時刻，分別為在制品到達該工序的時刻、加工開始時刻、加工結(jié)束時刻、在制品離開該工位的時刻，接近傳感器按先后順序讀取。

生產(chǎn)加工前傳感器信號均為 “False”。在制品放置在托盤上由生產(chǎn)線傳送到工位時，也就是接近傳感器前，接近傳感器讀取信號。生產(chǎn)線加工時間的自動采集的具體步驟如下：

（1）該工位生產(chǎn)線上接近傳感器的信號變?yōu)椤癟rue”的時刻是 “在制品到達該工序的時刻”；在制品到達后操作員拿取在制品到操作臺上加工。此時生產(chǎn)線上傳感器的信號變?yōu)?“False”。

（2）該工位操作臺上傳感器信號為“True” 的時刻是“加工開始時刻”。

（3）該工位操作臺上傳感器信號變?yōu)椤癋alse”的時刻是 “加工結(jié)束時刻”；操作員把加工完成的在制品放回生產(chǎn)線上，此時生產(chǎn)線上傳感器的信號變回 “True”。

（4）該工位生產(chǎn)線上傳感器信號再次變?yōu)椤癋alse”的時刻是 “在制品離開該工位的時刻”。傳感器信號完成上述幾個變化為一個循環(huán)，代表該工位完成一次在制品的加工，以此類推所有在制品的加工。為對作業(yè)時間進行分析，需計算加工時間（績效時間）：加工時間（績效時間）=加工結(jié)束時刻- 加工開始時刻。

作業(yè)時間采集界面如圖4 所示，該界面即時讀取2個接近傳感器信號，顯示傳感器信號的變化時間，即在制品的4 個加工時間在界面上，隨著傳感器信號的變化4 個時間即時自動更新，加工時間即時更新，5 個作業(yè)時間完成為一組自動更新在數(shù)據(jù)庫中。當天的歷史作業(yè)時間數(shù)據(jù)記錄在界面下方，方便員工或管理員查看。根據(jù)當天加工時間自動計算平均加工時間，并顯示在界面上。

對各個工位加工時間進行單獨分析，包括繪制績效曲線，計算平均值及方差，界面如圖5 所示。在界面設(shè)計的過程中充分考慮人因?qū)W的思想，實現(xiàn)可按制定工位、日期、時間段繪制績效曲線和計算平均值及方差?？冃€橫坐標是作業(yè)次數(shù)，縱坐標是作業(yè)時間，按照對應點繪制，可看出曲線趨勢。根據(jù)數(shù)據(jù)庫作業(yè)時間和作業(yè)次數(shù)的最大值自動拉伸和收縮橫坐標和縱坐標，使曲線一目了然，軟件操作更為方便。

圖4 采集作業(yè)時間界面Fig.4 Acquisition work time interface

圖5 績效曲線及計算界面Fig.5 Interface of performance curve and calculation

2.4 生產(chǎn)線加工時間的建模方法

生產(chǎn)線是大部分制造業(yè)組織生產(chǎn)的主要方式，屬于離散系統(tǒng)，生產(chǎn)線加工時間的建模關(guān)鍵是找到輸入模型的分布統(tǒng)計規(guī)律，本研究采用了Flexsim 仿真軟件。

利用生產(chǎn)線加工時間的自動采集裝置，收集每一工位的大量觀測數(shù)據(jù)，存為“.csv” 格式的Excel 文件，輸入Flexsim 軟件，加載其內(nèi)嵌的分析工具ExpertFit，擬合出與樣本數(shù)據(jù)符合的概率分布類型和各項參數(shù)，即輸入模型。各工位加工時間符合連續(xù)型分布，統(tǒng)計所收集的50 組數(shù)據(jù)，四個工位的輸入模型如表1 所示。4 道工序測量的平均值分別為48.84、37.42、67.12、41.28（s），合并用時較少的2、4 工序，重新進行畫圖操作并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，得到三個工序的輸入模型如表2 所示。

表1 調(diào)整前各工序的輸入模型Tab.1 Before the adjustment each process inputting model

表2 調(diào)整后各工序的輸入模型Tab.2 After the adjustment each process inputting model

3 結(jié)束語

本文上位機應用C# 軟件進行軟件界面編程，應用OPC 接口連接下位機PLC，軟件界面即時自動讀取PLC上連接傳感器的信號變化，通過軟件編程記錄下關(guān)鍵時間，記錄數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫中。上位機對作業(yè)時間繪制曲線圖和計算分析，供員工或管理員查看。

運用Flexsim 軟件對生產(chǎn)線進行數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計，針對工序進行重組，有效改善了生產(chǎn)線平衡問題。下一步可以根據(jù)本文的模擬生產(chǎn)線的實驗方案對實際生產(chǎn)線進行測量和建模，為生產(chǎn)管理提供服務，能夠準確地找到生產(chǎn)瓶頸，減少生產(chǎn)過程中的浪費，最大限度地提高企業(yè)利潤。

[1] 黃瑜蘭，等. 工況統(tǒng)計分析與生產(chǎn)線平衡分析研究[J]. 輕工科技，2014，6.

[2] 朱瓊，陳雪芳，田世勇，等. 基于仿真技術(shù)的生產(chǎn)線平衡優(yōu)化研究與應用[J]. 工業(yè)工程與管理，2008，4.

[3] 王峰，李浙昆，葉海虹. 基于Flexsim 的生產(chǎn)線管理與成本控制模型[J]. 起重運輸機械，2010，7.

[4] 顧嘉，廖棟霞，熊根良，等. 裝配生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化技術(shù)研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2014，5.

[5] 呂品. PLC 和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應用[J].自動化儀表，2010，8.