鳳俊杰

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

以汽車發(fā)動機為代表的復雜機械產(chǎn)品的裝配過程是離散制造業(yè)的典型，其涉及領(lǐng)域廣泛，零部件數(shù)量繁多，工藝和裝配精度都有較高的要求。因此，在裝配過程中，容易出現(xiàn)錯裝、漏裝、錯檢、漏檢等各種質(zhì)量和效率問題。裝配信息系統(tǒng)和裝配現(xiàn)場的真實數(shù)據(jù)之間缺乏有效的同步機制和手段，易造成信息系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)的時效性差，裝配現(xiàn)場狀態(tài)不透明等問題，也使得裝配單元和裝配過程的實時監(jiān)控難以得到滿足[1]。

目前，隨著信息化的快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)重視過程控制方法的研究。主要研究內(nèi)容有無線射頻技術(shù)、條碼采集技術(shù)以及現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的存取方法[2～4]，傾向于從信息技術(shù)和集成軟件的角度去解決制造執(zhí)行問題，卻沒有對深層次的可視化在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)存取的完整性以及數(shù)據(jù)追溯的準確率問題進行系統(tǒng)的研究。

在眾多建模方法中，Petri得到了廣泛應用，基于狀態(tài)的建模，可以使活動中的使能和執(zhí)行區(qū)分開來，即可以很好的描述裝配過程的靜態(tài)行為和動態(tài)行為，又可以清晰準確的描述工作流程。為此，本文構(gòu)建發(fā)動機裝配過程實時監(jiān)控模型，實現(xiàn)對裝配過程的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析以及動態(tài)優(yōu)化，從而實現(xiàn)對關(guān)鍵裝配工位的統(tǒng)一監(jiān)管。

1 裝配過程Petri網(wǎng)模型的定義

定義1 發(fā)動機裝配過程實時監(jiān)控Petri網(wǎng)模型（EAPQMN）：EAPQMN =（T，P，C，I，O，M）其中每一元素以及假設的介紹如下：

1）T={t1，t2，t3，…，tm}為變遷的集合，包括裝配變遷、運輸變遷和信息采集等變遷。

2）P={p1，p2，p3，…，pn}為庫所的集合，用來表示裝配過程中發(fā)生的事件。

3）C是色彩的集合，可以區(qū)分各種型號的產(chǎn)品，一種產(chǎn)品唯一對應一種的顏色，在生產(chǎn)過程中，一般用唯一代表產(chǎn)品的出生證作為顏色[8,9]。有多少個產(chǎn)品就有多少中色彩，如果有h個，則對任意的pi、tj，有C(pi)={a1，a2，a3，…，ah}，i=1，2，…，n；C(tj)={a1，a2，a3，…，ah}， j=1,2…，m。

4）I(p,t)表示輸入函數(shù)，實現(xiàn)庫所p到變遷t的轉(zhuǎn)換，C(p)和C(t)的笛卡爾積表示從庫所p到變遷t的著色有向弧，描述某產(chǎn)品狀態(tài)的輸入。

5）O(p,t)表示輸出函數(shù)，實現(xiàn)從變遷t到庫所p的轉(zhuǎn)換，C(t)和C(p)的笛卡爾積表示著從變遷t到庫所p的著色有向弧，描述某產(chǎn)品狀態(tài)的輸出。

6）M為初始標識，M(p)(c)標識在庫所p中，色彩為c的token數(shù)。

假設1：相同型號的不同產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的同一工序所占的時間長度相同。

假設2：在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，事件具有唯一性，并且事件與token之間是唯一映射的關(guān)系，在不同庫所中同一顏色的token唯一存在[8]。即對于任意的pi,aj∈C(pi)，有M(pi)(aj)≤1，i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

當觸發(fā)必要事件時，對應的變遷也被觸發(fā)。標識M中，變遷tj關(guān)于色彩ak使能，當且僅當，對于任意的pi∈·tj，M(pi)(ah)≥I(aih,ajk)，其中·tj表示變遷tj觸發(fā)前[5～7]。當變遷tj一開始被激發(fā)，EAPQMN立即進入新狀態(tài)，產(chǎn)生新標識M′，表示該裝配任務正在進行，即對任意的pi∈·tj，M′(pi)(ah)= M(pi)(ah)-I(aih，ajk)；當激發(fā)變遷tj，經(jīng)過執(zhí)行時間，EAPQMN更新狀態(tài)，產(chǎn)生新的標識M″，表示該過程已結(jié)束，即對于任意的pi∈tj· ，M″(pi)(ah)=M′(pi)(ah)+O(aih,ajk)，其中tj·表示變遷tj被激發(fā)后。

2 基于RFID的關(guān)鍵裝配工位作業(yè)流程

根據(jù)上文所述，EAPQMN模型中的裝配變遷表示在制品、運輸變遷表示在制品運輸和信息采集變遷表示在制品信息采集。在裝配過程中作業(yè)人員要完成所負責工位的生產(chǎn)任務，通過對Petri網(wǎng)模型的實例化對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序進行有效的監(jiān)控和管理，提高了裝配過程監(jiān)控系統(tǒng)的準確性和實時性。在模型實例化的狀態(tài)下，所有的變遷都是相互獨立的實體，這些實體被賦予一定的權(quán)限并遵照統(tǒng)一的協(xié)議互相協(xié)調(diào)。不同實體有不同的結(jié)構(gòu)模式，并在局部數(shù)據(jù)的驅(qū)動下完成不同的任務[6]。運輸過程中，線體PLC與信息采集系統(tǒng)交互，控制托盤放行，上線工位將配置托盤的ID碼塊（配置基本信息，如產(chǎn)品出生證，對應相關(guān)裝配信息等），下線時讀出并存儲到數(shù)據(jù)庫作為發(fā)動機裝配的過程記錄進行保存。

托盤到達關(guān)鍵裝配工位時，首先讀取RFID標簽，獲取裝配任務相關(guān)信息，再進行工藝引導和工序檢驗控制。在生產(chǎn)過程中，作業(yè)人員負責本工位的生產(chǎn)任務，并根據(jù)作業(yè)指導書進行生產(chǎn)作業(yè)[8]。信息采集系統(tǒng)按照該工位的信息采集流程方案，采集本工位的相關(guān)信息，并將采集的信息實時地傳輸并存儲，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后作出是否進行相應的技術(shù)問題處理、不合格產(chǎn)品審查和生產(chǎn)計劃的調(diào)整，在此過程需要對其進行嚴格控制。業(yè)務流程控制，如圖1所示。

3 關(guān)鍵信息采集及數(shù)據(jù)完整性控制

質(zhì)量檢測信息（如壓堵試漏、回轉(zhuǎn)力矩等）是在裝配過程中非常重要，擰緊的轉(zhuǎn)矩和缸體測試數(shù)據(jù)的合格與否直接影響發(fā)動機的質(zhì)量。目前，發(fā)動機裝配線一般都由眾多的設備配套組成，然而，硬件系統(tǒng)還有一定的不足和缺陷?，F(xiàn)場操作人員強制放行導致過程數(shù)據(jù)丟失，網(wǎng)絡系統(tǒng)異常導致數(shù)據(jù)丟失等問題都會影響數(shù)據(jù)的采集，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，不僅要考慮信息的實時性和準確性還需要考慮數(shù)據(jù)信息的完整性。

對于質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)（包括測試、擰緊等）的采集有三種路徑，一是通過設備的數(shù)據(jù)庫交互提取數(shù)據(jù)（已進行產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)的綁定）；二是通過與區(qū)域PLC和專機PLC的交互提取需求的數(shù)據(jù)（提取的同時也提取相應的產(chǎn)品信息）；三是對于沒有數(shù)據(jù)庫的設備，并且數(shù)據(jù)放在文件（CSV、EXCEL等）中的設備，通過遠程連接獲得文件，然后對數(shù)據(jù)進行提取處理。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)采集的完整性，系統(tǒng)采用集中的模式，即以服務器上的數(shù)據(jù)庫為中心進行數(shù)據(jù)上傳存儲。在此過程中需要現(xiàn)場設備預留數(shù)據(jù)采集接口，具備暢通的通信，將采集的數(shù)據(jù)實時處理并以可視化的方式顯示在客戶端，實現(xiàn)采集信息和生產(chǎn)過程控制的聯(lián)動。

圖1 業(yè)務流程控制

為避免采集數(shù)據(jù)丟失，保證生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集的完整性與準確性，可以從以下三個方面實現(xiàn)：1）采用本地數(shù)據(jù)采集和遠程數(shù)據(jù)采集要相結(jié)合的方式，數(shù)據(jù)庫之間交互時需要驗證； 2）在本地數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)緩存區(qū)，采集上來的數(shù)據(jù)先放入緩存區(qū)并標記交互狀態(tài)，當所有數(shù)據(jù)成功上傳到服務器后，本地更新交互狀態(tài)[9]；3）車間不確定因素多變，無法保證采集的數(shù)據(jù)不丟失，但通過綁定工位信息，當發(fā)現(xiàn)未采集到信息時，發(fā)出報警信號，提醒操作人員查看[10]。質(zhì)量檢測數(shù)采集流程如圖2所示。

首先啟動采集程序【100】，判斷要連接的設備是否能連通【101】，當不能連通時給出提示信息【102】。根據(jù)不同的設備，系統(tǒng)提供了三種方式進行數(shù)據(jù)的采集，一是從連接的數(shù)據(jù)庫中【103】，通過與設備數(shù)庫的@交互表的交互，從中取出標識位為0的數(shù)據(jù)；二是根據(jù)區(qū)域PLC或?qū)CPLC的采集數(shù)據(jù)的控制地址的變化【104】，系統(tǒng)程序通過OPC服務器從數(shù)據(jù)地址中獲得檢測數(shù)據(jù)，并且獲得與檢測數(shù)據(jù)想匹配的產(chǎn)品信息；三是對于沒有數(shù)據(jù)庫或PLC的設備，且數(shù)據(jù)保存在文件中時【105】，為了采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序下載文件到本地工控機，然后再從文件中提取需要的采集數(shù)據(jù)及綁定的產(chǎn)品信息；采集到檢測數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的處理【10】，對于采集的數(shù)據(jù)要與產(chǎn)品信息相綁定，還有部分數(shù)據(jù)是未進行綁定的，未綁定的信息要與工位進行綁定，不需要做專門的處理；根據(jù)產(chǎn)品出生證、工作站等信息，獲得工序、人員、質(zhì)量規(guī)范等信息；進行服務器的連接操作【14】，判斷當前的工控機是否能與服務器連接通【15】，當不能連接通時給出提示信息【16】，當能連接通時，將取出的數(shù)據(jù)按照服務器數(shù)據(jù)庫的格式將數(shù)據(jù)存儲到服務器數(shù)據(jù)庫【17】。

圖2 檢測數(shù)據(jù)采集流程控制圖

4 基于Petri網(wǎng)模型實例研究

本文為了進一步說明問題，這里對發(fā)動機其他部件的裝配以及總裝線的裝配過程進行簡化操作。模型實例監(jiān)控軟件界面如圖3所示。假設有編號為1.9、2.0兩種產(chǎn)品處于生產(chǎn)中，因此，變遷和庫所只有1.9和2.0兩種顏色：對于任意的pi、tj，有C(pi)={1.9，2.0} i=1，2，…，29；C(tj)={1.9，2.0} j=1,2，…，25；當前的裝配狀態(tài)可以用M表示。由于存在對于任意的pi∈·t9，M(pi)(2.0)=1≥I(2.0，2.0)=1，滿足變遷t9的觸發(fā)條件。因此變遷t9關(guān)于色彩2.0使能。而變遷t9所對應的任務就是缸蓋自動轉(zhuǎn)軌，缸體和缸蓋合裝，當變遷激發(fā)的時候，可以得到標識M′，表示發(fā)動機還在托盤上流轉(zhuǎn)，缸體與缸蓋的合裝還尚未完成，當變遷t9開始激發(fā)后,經(jīng)過裝配執(zhí)行時間，缸體與缸蓋的合裝完成，此時可以得到標識M″?！笆录?狀態(tài)”簡化矩陣可以用M、M′和M″來表示，通過該矩陣的運算可以得到：

這表明裝配過程的執(zhí)行狀況能夠被該petri網(wǎng)模型很好的顯示表達，通過運用該模型，便可知裝配過程關(guān)鍵裝配工位的裝配狀況，甚至可以達到實時跟蹤。

圖3 CPN模型實例監(jiān)控界面

裝配執(zhí)行事件如下：P1：缸體上線；P2：讀寫缸體二維碼，已寫入托盤TAG；P3：工位OP1065-1已吊裝曲軸到工作臺定位；P4：曲軸蓋裝配完成；P5：托盤到達工位OP1130P6，活塞連桿領(lǐng)料完成；P7：托盤到達工位OP1140；P8：托盤到達工位OP1170P9，機油泵領(lǐng)料完成；P10：托盤到達工位OP1300；P11：托盤到達工位OP1340；P12：缸蓋領(lǐng)料完成；P13：缸蓋螺栓領(lǐng)料完成，托盤到達工位OP1360；P14：托盤到達工位OP1400；P15：托盤到達工位OP1530；P16：托盤到達工位OP1570；P17：托盤到達工位OP1640；P18：零件領(lǐng)料完成，托盤到達工位OP1820；P19：托盤到達下線工位；P20：發(fā)動機裝配完成；P21：缸蓋吊裝至清洗機軌道；P22：缸蓋上線；P23：托盤到達工位OP3030；P24：托盤到達工位OP3050；P25：托盤到達工位OP3110；P26：托盤到達工位OP3150；P27：托盤到達工位OP3160；P28：進氣管墊片裝裝配完成；P29：缸蓋裝配完成。

裝配變遷事件如下：t1：托盤到達工位OP1020；t2：裝配活塞冷卻噴油嘴組件；t3：曲軸清洗；t4：檢查軸承軸向間隙；t5：裝配活塞連桿總成；t6：檢測曲軸回轉(zhuǎn)力矩；t7：裝配機油泵總成；t8：掃描高壓泵條形碼；t9：缸蓋自動轉(zhuǎn)軌合裝；t10：擰緊缸蓋螺栓；t11：擰緊凸輪軸蓋緊固螺栓；t12：擰緊曲軸皮帶輪緊固螺栓；t13：擰緊缸蓋護罩螺栓；t14：油道試漏；t15：裝配渦輪增壓器；t16：發(fā)動機吊裝下線；t17：缸蓋清洗；t18：拆凸輪箱蓋；t19：壓裝氣門油封；t20：裝配進、排氣門；t21：氣門試漏；t22：裝配預熱塞；t23：掃描EGR控制閥條形碼；t24：缸蓋下線；t25：從班組2運輸缸蓋到班組3。

5 結(jié)束語

本文從裝配執(zhí)行過程角度出發(fā)，建立面向裝配執(zhí)行過程著色Petri網(wǎng)模型，并將模型運用到監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)對裝配線的可視化監(jiān)控，在分析關(guān)鍵裝配工位作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，并闡述了車間質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)采集和存儲完整性的方法，從而可以實現(xiàn)對發(fā)動機裝配數(shù)據(jù)進行可靠有效的追溯，全程實時監(jiān)控，有效提高了發(fā)動機裝配過程在線監(jiān)控的準確性和實時性。

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