［溫鑫榮 黃森宇 賀洋］

?

基于WIA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

［溫鑫榮 黃森宇 賀洋］

摘要

詳細(xì)闡述了基于WIA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，包含WIA-PA數(shù)字量輸入/輸出模塊、工位LED屏及WIA-PA/MODBUS TCP通信網(wǎng)關(guān)。介紹了ANDON工位系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)，包含LED顯示屏控制、聲光報(bào)警及設(shè)計(jì)WIA-PA通信的數(shù)據(jù)交互模式。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹ANDON系統(tǒng)服務(wù)器軟件的運(yùn)行測(cè)試過程，并總結(jié)無線WIA-PA協(xié)議的引入，對(duì)ANDON系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)線中的重要作用。

關(guān)鍵詞：WIA-PA 智能化 ANDON系統(tǒng) 工位 看板

溫鑫榮

男，重慶郵電大學(xué)研究生，研究方向：無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

黃森宇

男，重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

賀洋

男，研究生，重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，研究方向：無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

引言

與有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)具有布線成本低、組網(wǎng)靈活、易于安裝和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在國內(nèi)外工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及控制領(lǐng)域得到越來越多的重視和應(yīng)用。WIA-PA作為我國自主制定的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于工業(yè)過程測(cè)量、監(jiān)視與控制。

綜合性生產(chǎn)信息管理和控制系統(tǒng)（簡稱ANDON系統(tǒng)）通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)（5M1E）幾大要素進(jìn)行智慧整合和互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互聯(lián)、智能調(diào)度、管理監(jiān)控及整體設(shè)備效能最優(yōu)化[3]。ANDON系統(tǒng)由ANDON工位子系統(tǒng)、ANDON綜合看板子系統(tǒng)、ANDON數(shù)字廣播子系統(tǒng)、工業(yè)交換機(jī)和服務(wù)器組成，包括工位作業(yè)管理、設(shè)備運(yùn)行管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、供應(yīng)物流管理、車間生產(chǎn)管理、信息可視管理、公共信息管理等功能[4]。

1　基于WIA-PA的ANDON系統(tǒng)概述

1.1總體架構(gòu)

工廠裝配線系統(tǒng)包括汽車生產(chǎn)管理系統(tǒng)和ANDON系統(tǒng)，基于WIA-PA的工廠裝配線生產(chǎn)管理系統(tǒng)和ANDON系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1，汽車生產(chǎn)管理系統(tǒng)由PLC控制現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括機(jī)器人、APC、安全門、區(qū)域掃描、光柵等），獨(dú)立完成汽車生產(chǎn)過程；ANDON系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作各種呼叫設(shè)備，數(shù)據(jù)經(jīng)過WIA-PA傳輸后[5]，由后臺(tái)服務(wù)器完成各種現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示和呼叫報(bào)警顯示以及音樂播放，以提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

圖1　基于WIA-PA的工廠裝配線生產(chǎn)管理ANDON系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ANDON系統(tǒng)服務(wù)器通過以太網(wǎng)從生產(chǎn)線控制柜PLC中獲取主線生產(chǎn)數(shù)據(jù)（采集機(jī)器人、APC、安全門、區(qū)域掃描、光柵等運(yùn)行數(shù)據(jù)），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。

ANDON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的信息傳遞、申請(qǐng)呼叫的快速響應(yīng)、呼叫信息實(shí)時(shí)記錄、生產(chǎn)線、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、完成統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析，對(duì)作業(yè)崗位、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量問題、物料供應(yīng)等過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互和管理、支持生產(chǎn)全過程管理流程體系的完善，為精益生產(chǎn)管理的分析提供數(shù)據(jù)支撐?；赪IA-PA的ANDON系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

2　ANDON工位系統(tǒng)開發(fā)

ANDON工位子系統(tǒng)包括工位LED顯示屏和工位控制箱，主要通過WIA-PA通信完成各工位數(shù)據(jù)采集和輸出控制。工位子系統(tǒng)控制箱負(fù)責(zé)工位的聲光報(bào)警和各種開關(guān)量采集，每個(gè)工位控制箱由WIA-PA輸入模塊、WIA-PA輸出模塊和WIA-PA通信模塊組成。

圖2　基于WIA-PA的ANDON系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1ANDON工位系統(tǒng)硬件開發(fā)

2.1.1WIA-PA數(shù)字量輸入模塊

WIA-PA數(shù)字量輸入模塊（圖3）提供8路數(shù)字量信號(hào)輸入接口，主要接受來自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一些數(shù)字量輸入信號(hào)，比如幫助呼叫開關(guān)，質(zhì)量呼叫開關(guān)，設(shè)備報(bào)警開關(guān)，物料呼叫開關(guān)和拉繩等，同時(shí)也可以完成其他比如接近開關(guān)等信號(hào)輸入。這些信號(hào)經(jīng)處理器采集后轉(zhuǎn)換成Modbus數(shù)據(jù)格式，再通過串口傳遞給WIA-PA通信模塊，該模塊把Modbus數(shù)據(jù)打包成WIA-PA協(xié)議幀，經(jīng)無線傳輸?shù)铰酚善骷胺?wù)器。服務(wù)器匯總所有信號(hào)并處理，然后把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫并發(fā)布到相應(yīng)LCD屏和LED屏，同時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)聲音信號(hào)呼叫和數(shù)字量輸出信號(hào)控制。

圖3　WIA-PA數(shù)字量輸入模塊

2.1.2WIA-PA數(shù)字量輸出模塊

WIA-PA數(shù)字量輸出模塊（圖4）提供8路數(shù)字量信號(hào)輸出接口，服務(wù)器經(jīng)WIA-PA通信鏈路控制該數(shù)字量輸出模塊，主要驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警。也可用來驅(qū)動(dòng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)其他一些設(shè)備，比如：繼電器，接觸器，氣動(dòng)閥等。

2.1.3工位LED屏

圖4　WIA-PA數(shù)字量輸出模塊

工位LED屏使用15個(gè)LED看板組成，具有以太網(wǎng)通信接口，IP65防護(hù)等級(jí)。LED顯示屏顯示控制部分采用專用高刷新率LED屏控制板，確保LED顯示屏達(dá)到良好的顯示效果。LED顯示屏電源系統(tǒng)使用具有過流保護(hù)、短路保護(hù)及熱保護(hù)等功能的LED大功率電源模塊，確保在苛刻的工業(yè)環(huán)境下，仍能安全可靠的工作。

2.1.4WIA-PA/MODBUS TCP通信網(wǎng)關(guān)

本網(wǎng)關(guān)底板電路采用ARM Cortex-M4處理器TM4C1294,該處理器工作在120-MHz主頻，集成了1M程序存儲(chǔ)空間和256K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，它自帶以太網(wǎng)控制器MAC和以太網(wǎng)物理層收發(fā)器PHY，所以，只需要連接一個(gè)帶隔離變壓器的RJ45端子，即可完成以太網(wǎng)通信。從另外一方面來看，該處理器通過串口連接一個(gè)WIA-PA通信模塊，該WIA-PA通信模塊作為一塊單獨(dú)的電路板而存在，該電路板集成了獨(dú)立的處理器芯片和射頻收發(fā)芯片，如圖5。其WIA-PA通信模塊作為一塊單獨(dú)的電路板而存在，上面集成了獨(dú)立的處理器芯片和射頻收發(fā)芯片。

圖5　WIA-PA通信模塊

2.2ANDON工位系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.2.1ANDON工位系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

ANDON工位子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC數(shù)據(jù)采集模塊、LED顯示屏控制模塊、呼叫播放模塊、聲光報(bào)警模塊、報(bào)表生成模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等六部分，如圖6。ANDON工位子系統(tǒng)軟件總體流程，如圖7。

圖6　ANDON工位子系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖7　ANDON工位子系統(tǒng)總體流程圖

2.2.2PLC數(shù)據(jù)采集模塊

PLC數(shù)據(jù)采集模塊，主要用于采集安裝在工位上的拉繩開關(guān)(如設(shè)備、物料、求助等開關(guān))狀態(tài)，采用循環(huán)掃描的方式。當(dāng)拉繩開被拉下時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的操作。其數(shù)據(jù)采集流程如圖8：

圖8　PLC數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2.3LED顯示屏控制模塊

LED顯示屏控制模塊，主要用于顯示呼叫信息，當(dāng)PLC采集模塊采集到拉繩信號(hào)時(shí)可以控制顯示屏進(jìn)行切換顯示。其顯示控制流程圖，如圖9。

圖9　LED顯示屏控制程序流程圖

2.2.4聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊主要任務(wù)是，當(dāng)物料、設(shè)備、質(zhì)量等出現(xiàn)異常，ANDON系統(tǒng)就會(huì)通過聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，提醒相關(guān)人員到車間現(xiàn)場(chǎng)解決問題，圖10為聲光報(bào)警程序流程圖。

圖10　聲光報(bào)警器程序流程

2.2.5WIA-PA通信模塊

智能化ANDON系統(tǒng)中，各DO/DI模塊之間主要通過802.15.4無線射頻技術(shù)進(jìn)行無線通信，針對(duì)智能化ANDON系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌MODBUS-RTU協(xié)議格式的應(yīng)用層發(fā)送函數(shù)，把上位機(jī)下發(fā)的獲取拉繩開關(guān)等狀態(tài)信息的命令解析處理后，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的DO模塊。而將DI模塊發(fā)送過來的呼叫信息，通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)。

WIA-PA/MODBUS TCP通信網(wǎng)關(guān)報(bào)文格式分為兩部分：協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)之間的通信報(bào)文格式、服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)之間的報(bào)文格式。

（1）MODBUS-RTU數(shù)據(jù)幀

該部分?jǐn)?shù)據(jù)嚴(yán)格按照MODBUS-RTU協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關(guān)對(duì)該數(shù)據(jù)直接透傳，其協(xié)議格式如圖11：

圖11　Modbus-RTU協(xié)議格式

（2）網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信報(bào)文設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)將從WIA-PA協(xié)調(diào)器接收到的已完成MODBUSRTU解封裝的報(bào)文,重新封裝成TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式，即應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀，通過TCP/IP套接字發(fā)往上位機(jī)端，報(bào)文格式如圖12。

圖12　網(wǎng)關(guān)上行報(bào)文格式

上位機(jī)端發(fā)往WIA-PA子網(wǎng)的命令幀首先封裝成內(nèi)嵌MODBUS-RTU幀格式的TCP/IP協(xié)議棧格式，通過TCP/IP套接字發(fā)往網(wǎng)關(guān)，報(bào)文格式如圖13。

圖13　上位機(jī)端下行報(bào)文格式

3　ANDON系統(tǒng)服務(wù)器軟件運(yùn)行測(cè)試

ANDON系統(tǒng)主要包括用戶管理，參數(shù)設(shè)置，生產(chǎn)管理,報(bào)警種類管理及生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1用戶管理頁面

用戶界面用于對(duì)用戶參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,包含設(shè)置新增用戶,修改用戶密碼,設(shè)置用戶權(quán)限等操作。用戶權(quán)限分為3級(jí)：1級(jí)為最低權(quán)限,僅能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行查看；2級(jí)為操作者權(quán)限，能夠修改Andon系統(tǒng)參數(shù)；3級(jí)為最高權(quán)限，即系統(tǒng)管理員權(quán)限,可以對(duì)用戶進(jìn)行管理。

3.2報(bào)表生成頁面與車型設(shè)置頁面

報(bào)表生成頁面，用戶可以根據(jù)喜好查詢系統(tǒng)呼叫信息，生成系統(tǒng)報(bào)表。車型設(shè)置頁面，由于Andon系統(tǒng)看板上需要顯示生產(chǎn)信息，而這些信息與車間生產(chǎn)的車型息息相關(guān)，所以在數(shù)據(jù)庫中需要設(shè)置車型信息用于顯示。

3.3報(bào)警種類管理

報(bào)警種類是指拉繩開關(guān)或者按鈕開關(guān)等呼叫報(bào)警裝置所對(duì)應(yīng)的報(bào)警種類，每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)設(shè)置所需要的報(bào)警類型，方便對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分類查詢。

報(bào)警原因設(shè)置，當(dāng)相應(yīng)的信號(hào)被人為觸發(fā)時(shí)，可以在Andon電子看板上顯示對(duì)應(yīng)的信息，方便車間工作人員快速定位和解決問題。

3.4生產(chǎn)管理

該界面用于輸入生產(chǎn)計(jì)劃，輸入的生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)顯示到Andon顯示屏上，方便車間人員實(shí)時(shí)掌握車間生產(chǎn)情況。顯示屏監(jiān)控，車間顯示屏為生產(chǎn)信息顯示的窗口，在該畫面上可以清晰的看到車間的生產(chǎn)狀態(tài)。如圖14：

圖14　LED顯示屏控制系統(tǒng)

3.5生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表

如圖15，生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表完成對(duì)Andon系統(tǒng)生產(chǎn)信息和呼叫信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并生成柱狀統(tǒng)計(jì)圖，同時(shí)可以對(duì)生產(chǎn)信息和呼叫信息進(jìn)行打印操作。

圖15　生產(chǎn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)報(bào)表頁面

3.6基于WIA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)實(shí)施效果

通過基于WIA-PA的智能化NDON系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)總裝上的實(shí)施，能夠極大的提高生產(chǎn)線質(zhì)量、效率，解放人力。當(dāng)有非標(biāo)準(zhǔn)的狀況產(chǎn)生時(shí)，能夠及時(shí)的獲取現(xiàn)場(chǎng)工作人員或者維修人員的幫助。通過后臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)記錄功能和智能決策，能夠方便管理者進(jìn)行生產(chǎn)線瓶頸識(shí)別并進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)，來提高生產(chǎn)效率?；赪IA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)實(shí)施前后的比較如表1。

實(shí)施后的總裝線在生產(chǎn)管理方面的影響，與普通ANDON系統(tǒng)相比，使系統(tǒng)的建設(shè)施工難度大幅降低，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)做到了傳統(tǒng)ANDON系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤且實(shí)時(shí)反應(yīng)、動(dòng)態(tài)刷新。

表1　基于WIA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)實(shí)時(shí)前后的比較

4　結(jié)束語

通過描述基于WIA-PA的智能化ANDON系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，我們知道工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與ANDON系統(tǒng)的結(jié)合，可以完善精益生產(chǎn)的內(nèi)容，在實(shí)際應(yīng)用上解決制造及裝配中布線難、難于安裝及維護(hù)的缺點(diǎn)，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本及維護(hù)費(fèi)用。

該已穩(wěn)定運(yùn)行于某汽車生產(chǎn)車間，以WIA-PA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建信息傳遞的通道，實(shí)現(xiàn)了ANDON系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控、作業(yè)呼叫、統(tǒng)計(jì)分析的高效傳輸，通過引入工業(yè)無線WIAPA協(xié)議，使系統(tǒng)的建設(shè)施工難度大幅度降低，同時(shí)系統(tǒng)易于升級(jí)擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

1何之棟.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)路由及通信調(diào)度的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化[D].浙江大學(xué),2014

2王華,劉楓,楊頌華.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2009,24(7):17-21

3周永利.基于PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的Andon系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].華東理工大學(xué),2015

4Silva A M D.The Andon system:designing a CSCW environment in a lean organization[C]//Groupware,2000.CRIWG 2000.Proceedings.Sixth International Workshop on.IEEE,2000:130-133

5Liu C,Yang J X,Wang D Q,et al.Andon system research for assembly line of automobilGearBox[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2014

收稿日期：（2015-12-23）

基金項(xiàng)目：中-韓美工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)國際聯(lián)合研發(fā)中心，重慶市科技研發(fā)基地建設(shè)計(jì)劃（國際科技合作）項(xiàng)目(cstc2013gjhz40002)

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.002