董洪鵬，魏 磊

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

近年來(lái)，汽車制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，競(jìng)爭(zhēng)也隨之更加激烈。為迎接新的挑戰(zhàn)，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足客戶個(gè)性化要求，平衡產(chǎn)品的性價(jià)比，以及快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，成為各類汽車制造企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。隨著汽車的生產(chǎn)管理模式逐漸向柔性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，汽車制造過(guò)程中的物料配送方式也需要隨之改變，以適應(yīng)這種多品種、小批量的生產(chǎn)模式[1]。

在這種情況下，對(duì)于汽車制造而言，不同的生產(chǎn)機(jī)型在混流裝配線[2]上共線生產(chǎn)，每種機(jī)型所需裝配的零部件也各有不同，此時(shí)，物料的及時(shí)準(zhǔn)確供應(yīng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)多種車型混流生產(chǎn)至關(guān)重要。否則一旦有零部件錯(cuò)揀或漏揀，就會(huì)造成生產(chǎn)線上的錯(cuò)裝或漏裝，輕則引起生產(chǎn)線停線，重則影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量和性能，給工廠帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。目前許多汽車制造工廠總裝車間的物料揀選采取人工揀選方式，揀選工人在上崗前經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，依靠作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，憑記憶進(jìn)行揀選；這種方式作業(yè)效率低，揀選錯(cuò)誤率高，已成為制約多品種、小批量混線生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率提升的瓶頸，同時(shí)也難以滿足未來(lái)按用戶需求，實(shí)施一車一訂單的生產(chǎn)模式要求。

因此，針對(duì)汽車總裝車間的柔性化生產(chǎn)的物料配送[3]情況、降低操作人員揀料出錯(cuò)率和操作復(fù)雜性問(wèn)題，結(jié)合煙廠制絲車間信息防錯(cuò)系統(tǒng)[4]、汽車變速箱裝配線防錯(cuò)系統(tǒng)[5]等先進(jìn)的撿料防錯(cuò)系統(tǒng)的應(yīng)用情況，本文研究，在汽車總裝車間設(shè)計(jì)與應(yīng)用揀料防錯(cuò)系統(tǒng)。企業(yè)應(yīng)用揀料防錯(cuò)系統(tǒng)可以降低汽車總裝車間的零件揀選差錯(cuò)率和撿料操作的復(fù)雜性，減少新員工培訓(xùn)時(shí)間，提高揀選效率，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，滿足精益生產(chǎn)管理的要求。

1 系統(tǒng)需求分析

本文以某品牌汽車制造總裝車間為例，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際調(diào)研與研究，提出主要的系統(tǒng)需求如下：

(1)在汽車總裝過(guò)程中，為適應(yīng)柔性化生產(chǎn)方式要求，需實(shí)行一單一BOM(Bill of Material)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理；

(2)為降低操作人員揀料出錯(cuò)率和操作的復(fù)雜性，減少返工成本，系統(tǒng)需具有防錯(cuò)和防呆功能；

(3)為提升汽車總裝過(guò)程中的問(wèn)題處理響應(yīng)速度，系統(tǒng)需采用郵件訂閱等管理方式，實(shí)現(xiàn)異常等重要信息快速反饋傳送；

(4)系統(tǒng)需具有生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)查詢和追溯功能，同時(shí)能夠進(jìn)行生產(chǎn)報(bào)表查詢與打印等；

(5)當(dāng)訂單需求發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行相應(yīng)的工程變更。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能架構(gòu)主要包括管理層、監(jiān)控層和執(zhí)行層三部分，揀料防錯(cuò)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。其中，管理層主要由系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器主要承擔(dān)所有的業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)、運(yùn)行工作，并且作為連接數(shù)據(jù)庫(kù)、外部系統(tǒng)的中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要是用于存儲(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。監(jiān)控層以PLC(Programmable Logic Controller)為控制核心，根據(jù)物料配送需求，對(duì)執(zhí)行層的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行控制，并可以實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。執(zhí)行層由觸摸屏、打印機(jī)、按鈕、掃碼槍、燈柱、顯示屏等設(shè)備組成。執(zhí)行層設(shè)備將監(jiān)控層的指令轉(zhuǎn)換成各自的設(shè)備狀態(tài)，如未揀料的零部件區(qū)相應(yīng)的按鈕燈會(huì)點(diǎn)亮進(jìn)行揀料指示。通過(guò)按鈕指示、屏幕顯示實(shí)現(xiàn)揀料防錯(cuò)等功能。執(zhí)行層、監(jiān)控層與管理層之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖，結(jié)合汽車總裝車間的生產(chǎn)需求，揀料防錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件部分和軟件部分。

3.1 硬件部分

硬件部分主要有客戶端、料架、控制柜和顯示屏等構(gòu)成。其中，客戶端用于運(yùn)行客戶端軟件系統(tǒng)；顯示屏用于顯示揀料過(guò)程的呼叫、報(bào)警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息；控制柜是用于控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備響應(yīng)揀料過(guò)程要求；料架是在原有普通料架基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝帶數(shù)字顯示的按鈕、燈柱等設(shè)備，進(jìn)行改裝，形成“智能”料架，料架示意圖如圖2所示。

圖2 料架示意圖

該料架采用先進(jìn)的省配線模組進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，料架布線如圖3所示。

圖3 料架布線圖

在模組的傳輸線路上，搭載標(biāo)準(zhǔn)鏈路連接器。使用鏈路連接器不用切電線，不用剝?nèi)ゾ€纜包覆就可以進(jìn)行分支或延長(zhǎng)作業(yè)。新增的設(shè)備總線通過(guò)端子連接到鏈路連接器上，并使用地址設(shè)定器[6]為鏈路連接器設(shè)定相應(yīng)地址可以與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到節(jié)省配線的目的，地址設(shè)定器還可以診斷相應(yīng)鏈路的通訊情況，并能自動(dòng)提供故障地址及故障內(nèi)容，地址設(shè)定器故障診斷畫(huà)面如圖4所示。

圖4 地址設(shè)定器故障診斷畫(huà)面

采用這種設(shè)計(jì)用戶可以根據(jù)工藝的變化簡(jiǎn)便地自定義變更和配置揀料系統(tǒng)流程，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速擴(kuò)展。

3.2 軟件部分

3.2.1 工作流程概述

揀料防錯(cuò)系統(tǒng)接收MES系統(tǒng)提供生產(chǎn)序列信息后下達(dá)到揀料區(qū)，并進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果異常，系統(tǒng)發(fā)送郵件給管理人員，等待問(wèn)題解決；特殊情況允許人工確認(rèn)生產(chǎn)順序并將標(biāo)記狀態(tài)解凍后，系統(tǒng)才允許下載并執(zhí)行生產(chǎn)，起始工位作業(yè)員掃描打印出來(lái)揀料指示單，并與系統(tǒng)序列比對(duì)，比對(duì)正確后系統(tǒng)開(kāi)始揀料。

開(kāi)始揀料后，起始工位平板電腦中的揀料防錯(cuò)系統(tǒng)軟件顯示準(zhǔn)備揀料的車型信息，啟動(dòng)按鈕亮起；若不匹配，揀料防錯(cuò)系統(tǒng)軟件顯示錯(cuò)誤提示信息，啟動(dòng)按鈕不亮。

每個(gè)區(qū)域配備一組控制單元和客戶端電腦。PLC系統(tǒng)控制相應(yīng)的指示燈亮滅，客戶端電腦主要用于顯示當(dāng)前信息，主要包括車型號(hào)、節(jié)拍、生產(chǎn)序列號(hào)、配置等信息，并且可以處理各種異常。當(dāng)發(fā)生異常狀況時(shí)，當(dāng)前工位的工作人員可以通過(guò)本工位客戶端電腦及時(shí)排查異常，以不影響生產(chǎn)。

作業(yè)員根據(jù)這些信息進(jìn)行揀料，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中零件表信息與作業(yè)員拿零件時(shí)回饋的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷揀料是否正確。

當(dāng)發(fā)生錯(cuò)配時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警，提示作業(yè)人員將錯(cuò)拿物品放回。最終揀選完一臺(tái)后，按作業(yè)完成按鈕。揀料防錯(cuò)系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

撿料防錯(cuò)系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為設(shè)備層、接口層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。其中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與第三方客戶端與接口服務(wù)器通訊，接口服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器通訊，客戶端與應(yīng)用服務(wù)器通訊，應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)需求與系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能主要包括數(shù)據(jù)管理與查詢、BOM比對(duì)校驗(yàn)、工程變更、質(zhì)量追溯、郵件訂閱、報(bào)表等，如圖7所示。

圖7 軟件功能框圖

3.2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)操作需求，揀料防錯(cuò)系統(tǒng)管理與操作實(shí)體由服務(wù)器端服務(wù)、DPS(Data Preparation Service)客戶端和AVI(Automatic Vehicle Identification)客戶端三部分構(gòu)成。三部分各自承載的系統(tǒng)功能不同，三者之間協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的管控。其中，服務(wù)器端服務(wù)以服務(wù)的形式運(yùn)行在服務(wù)器上，服務(wù)器啟動(dòng)后服務(wù)自動(dòng)運(yùn)行，減少維護(hù)工作，保證系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定；其負(fù)責(zé)生產(chǎn)序列信息獲取、生產(chǎn)序列信息下達(dá)、基礎(chǔ)信息下載、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、BOM信息比對(duì)校驗(yàn)、訂閱郵件發(fā)送、揀料質(zhì)量數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)的采集等。服務(wù)器端服務(wù)通過(guò)配置、接受和下達(dá)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，與DPS客戶端系統(tǒng)、AVI客戶端系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；同時(shí)通過(guò)OPC(OLE for Process Control)軟件與現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行通訊，可以下達(dá)生產(chǎn)序列信息和存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。DPS客戶端主要是為揀料防錯(cuò)系統(tǒng)管理人員所使用，用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、用戶及權(quán)限管理、基礎(chǔ)信息下載、計(jì)劃信息維護(hù)、揀料數(shù)據(jù)查詢、打印排序設(shè)定、工程變更、郵件訂閱管理等。AVI客戶端是部署在線邊的計(jì)算機(jī)，用于自動(dòng)打印、掃描驗(yàn)證、執(zhí)行揀料流程、監(jiān)控工位與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。

在生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行揀料指示。系統(tǒng)可以對(duì)接收的計(jì)劃隊(duì)列信息進(jìn)行維護(hù)，調(diào)整計(jì)劃的順序，也可以人工對(duì)計(jì)劃進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出操作。通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃管理，計(jì)劃管理界面如圖8所示。

圖8 計(jì)劃管理界面

當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行揀料操作指示。揀料指示表示某一種車型在某一區(qū)域揀料的零件信息，該信息下載到現(xiàn)場(chǎng)PLC后，可以根據(jù)揀料指示中按燈的地址，控制按鈕亮滅指導(dǎo)揀料操作。揀料指示功能是系統(tǒng)DPS客戶端通過(guò)Socket通訊[7]的方式，將下載的信息通知服務(wù)器端，并由服務(wù)器端將維護(hù)好的揀料指示信息下載到現(xiàn)場(chǎng)PLC，系統(tǒng)軟件和硬件之間相互配合實(shí)現(xiàn)揀料指示功能，若揀料過(guò)程中漏揀或錯(cuò)揀，系統(tǒng)報(bào)警燈會(huì)閃爍同時(shí)播放警示音樂(lè)，同時(shí)可以將VIN(Vehicle Identification Number)號(hào)、工位、以及開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的揀料異常歷史信息(包括錯(cuò)配、漏配、缺料呼叫、求援呼叫信息)存儲(chǔ)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中以便查詢，揀料指示與下載界面如圖9所示。

揀料過(guò)程中，物料更換在所難免，因此系統(tǒng)需可以工程變更。工程變更是指在不進(jìn)行重新下載揀料指示的情況下，在某個(gè)特定的條件下，將舊揀料零件信息替換為新揀料零件信息。變更生效后，系統(tǒng)按照新的揀料信息進(jìn)行揀料。本系統(tǒng)工程變更方式分為三種：時(shí)間變更、VIN號(hào)變更和庫(kù)存變更。時(shí)間變更是通過(guò)設(shè)定工程變更的時(shí)間，到了設(shè)定時(shí)間后，即執(zhí)行相應(yīng)的工程變更。VIN號(hào)變更是通過(guò)設(shè)定工程變更的VIN號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)某臺(tái)VIN號(hào)揀料時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行工程變更。庫(kù)存變更是通過(guò)設(shè)定零件的庫(kù)存信息，當(dāng)系統(tǒng)消耗到庫(kù)存數(shù)量的零件時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行工程變更，工程變更界面如圖10所示。

圖9 揀料指示與下載界面

圖10 工程變更界面

對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中一些重要緊急情況，如裝配線計(jì)劃出現(xiàn)異常信息、系統(tǒng)通訊異常、服務(wù)啟停等，需要及時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行處理。系統(tǒng)針對(duì)這種情況提供了郵件訂閱管理功能，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生指定的某些重要信息后，郵件用戶訂閱系統(tǒng)會(huì)將這些重要的信息以郵件的形式發(fā)送給相應(yīng)的訂閱人，相關(guān)人員可以據(jù)此快速診斷，及時(shí)作出響應(yīng)，縮短系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，郵件訂閱管理界面如圖11所示。

圖11 郵件訂閱管理界面

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于采用柔性化生產(chǎn)模式的汽車制造過(guò)程而言，物料配送對(duì)于企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)至關(guān)重要。物流部門(mén)需要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃向線邊及時(shí)配送適當(dāng)數(shù)量的物料，盡量減少線邊庫(kù)存的積壓，節(jié)約成本。揀料防錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)合物流配送載具可以有效地保證了汽車制造過(guò)程的零部件供應(yīng)，更加準(zhǔn)確快速地響應(yīng)線邊的物料需求，減少備料時(shí)間與揀料準(zhǔn)確性，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。某知名品牌汽車企業(yè)在應(yīng)用揀料防錯(cuò)系統(tǒng)后，在不增加人員的基礎(chǔ)上，大大提升了揀料速率，有效地配合生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了揀料防錯(cuò)系統(tǒng)降低揀選差錯(cuò)率和生產(chǎn)成本等設(shè)計(jì)目標(biāo)。