張 偉

（南通友聯(lián)數(shù)碼技術(shù)開發(fā)有限公司，江蘇南通 226000）

1 現(xiàn)狀分析

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)在許多制造企業(yè)得到應(yīng)用。軌道交通行業(yè)作為國(guó)家重要行業(yè)，雖然也應(yīng)用了大量的智能設(shè)備，但是在整個(gè)生產(chǎn)過程的信息化管理方面，卻并不像其他行業(yè)一樣已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)家的發(fā)展，越來越多的軌道交通企業(yè)針對(duì)制造過程的信息化管理，開始了新的探索。

2 MES 概念

MES（Manufacturing Execution System）是制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES 可以為企業(yè)提供制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購(gòu)管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)提供一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造過程協(xié)同管理平臺(tái)。

3 高速列車軸箱組裝線需求

高速列車軸箱的組裝過程包括軸箱體內(nèi)孔測(cè)量、軸箱體組成物料緩存、軸箱體組成物料自動(dòng)上料、軸徑的清潔、軸徑自動(dòng)測(cè)量、潤(rùn)滑劑的涂抹、軸承的選配、軸承的自動(dòng)壓裝、游隙的測(cè)量、密封膠涂抹、鎖緊螺母組裝、軸端特殊螺栓的組裝、軸箱體及傳感器的組裝。要求對(duì)整個(gè)組裝過程進(jìn)行監(jiān)控，包括生產(chǎn)調(diào)度的管理、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、人員資質(zhì)的把控、設(shè)備的管理、組裝質(zhì)量的判斷等，并將整個(gè)生產(chǎn)過程的全部數(shù)據(jù)形成追溯記錄。

4 系統(tǒng)方案定制

根據(jù)生產(chǎn)工藝過程，制定高速列車軸箱組裝線的控制系統(tǒng)方案。整個(gè)生產(chǎn)過程涉及生產(chǎn)工單的接收與任務(wù)的分配、工件數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的管控、人員信息的收集對(duì)比、生產(chǎn)結(jié)果的質(zhì)量判定，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成可以追溯的記錄。

要完成以上內(nèi)容，首先要對(duì)組裝線中涉及到的所有元素，包括人員、工具、工件等進(jìn)行數(shù)字化處理，為每一個(gè)元素賦予唯一的數(shù)字化標(biāo)識(shí)。然后采用數(shù)據(jù)采集工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將所有采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行組合，提交至高速列車軸箱組裝線控制系統(tǒng)，即MES系統(tǒng)，形成最終的追溯記錄與各種報(bào)表，并將生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在看板上。系統(tǒng)總體方案框圖如圖 1 所示，圖中 ERP 是企業(yè)資源計(jì)劃，SQL 為結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言，OPC 是用于過程控制的 OLE，OLE 技術(shù)是對(duì)象連接與嵌入技術(shù)。

4.1 工單接收與任務(wù)分配

高速列車軸箱組裝線控制系統(tǒng)與上層車間級(jí)控制系統(tǒng)之間建立通信接口，采用 TCP/IP 協(xié)議、Web service/API 的接口方式進(jìn)行通信，承接車間級(jí)控制系統(tǒng)傳遞的排產(chǎn)計(jì)劃和工單信息，能夠根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃和工單信息調(diào)度物料生產(chǎn)，將相應(yīng)的作業(yè)指令分配到具體的作業(yè)工位，并能實(shí)時(shí)反饋計(jì)劃完成時(shí)間。生產(chǎn)工單信息包含工單號(hào)、產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品圖號(hào)、單件序列號(hào)、檢修數(shù)量、計(jì)劃下達(dá)時(shí)間等。高速列車軸箱組裝線控制系統(tǒng)收到工單指令后，軸箱組裝線管理人員確認(rèn)后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度。

為確保在單個(gè)設(shè)備故障時(shí)不影響整條線的生產(chǎn)，MES 系統(tǒng)可以設(shè)置單個(gè)設(shè)備從組裝線分離，管理人員根據(jù)不同車型的作業(yè)流程，單獨(dú)設(shè)置軸頸測(cè)量設(shè)備、軸承壓裝設(shè)備、物料自動(dòng)運(yùn)輸裝置、軸箱體組成物料緩存裝置。

在手工錄入生產(chǎn)車型和數(shù)量后，MES 系統(tǒng)可以不依賴上層車間級(jí)控制系統(tǒng)單獨(dú)自動(dòng)運(yùn)行。

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，從上層車間級(jí)控制系統(tǒng)接收作業(yè)卡片、作業(yè)指導(dǎo)文件，并發(fā)送給人機(jī)交互固定終端和手持終端。記錄和顯示排產(chǎn)計(jì)劃、工單信息和鎖定排程變動(dòng)日志。實(shí)時(shí)向車間級(jí)控制系統(tǒng)反饋齊料情況。

承接車間級(jí)控制系統(tǒng)下達(dá)的質(zhì)檢要求，定制質(zhì)量表格。

4.2 組裝線生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

對(duì)于由 PLC 控制的核心設(shè)備，例如軸徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)、軸承自動(dòng)壓裝機(jī)、軸承預(yù)組裝機(jī)械手等設(shè)備，通過PLC 接口進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。在這些核心設(shè)備上設(shè)置可以讀取輪對(duì)電子標(biāo)簽（RFID）信息的讀取裝置，在工件上料以后，自動(dòng)讀取輪對(duì)信息，判斷輪對(duì)是否符合生產(chǎn)計(jì)劃的要求。如果符合要求，則將輪對(duì)信息和采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量判斷。

對(duì)于手工檢測(cè)的工件，在工位上配置人機(jī)交互終端，配備手持終端（PDA），將檢測(cè)到的工件信息、人員信息等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量判斷。

對(duì)于定性質(zhì)檢的數(shù)據(jù)，配置手持 PDA 拍照或掃描后上傳軸箱組裝線控制系統(tǒng)，記錄質(zhì)檢結(jié)果。

4.2.1 軸箱體內(nèi)孔測(cè)量、游隙測(cè)量工位

軸箱體內(nèi)孔測(cè)量、游隙測(cè)量工位為人工作業(yè)工位，配置手持終端，操作人員在作業(yè)前掃描人員信息，對(duì)人員資質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)，之后掃描測(cè)量工具信息、被測(cè)工件信息，將測(cè)量人員、測(cè)量工具、被測(cè)工件進(jìn)行信息綁定，形成追溯記錄。測(cè)量方案如圖 2 所示。

4.2.2 定位節(jié)點(diǎn)組裝等工位

定位節(jié)點(diǎn)組裝、鎖緊螺母組裝、軸端特殊螺栓組裝、軸箱體及傳感器組裝工位配置電動(dòng)扭矩扳手及計(jì)算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)。在組裝作業(yè)前，掃描輪對(duì)信息，計(jì)算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)根據(jù)輪對(duì)信息自動(dòng)調(diào)用擰緊策略；掃描人員信息，對(duì)人員資質(zhì)進(jìn)行把控。計(jì)算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)對(duì)整個(gè)擰緊過程進(jìn)行監(jiān)控，形成鎖緊曲線，并將結(jié)果進(jìn)行判定，將工件、人員、作業(yè)結(jié)果傳送至 MES 系統(tǒng)，形成追溯記錄。定位節(jié)點(diǎn)組裝工位配置方案如圖 3 所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

圖2 測(cè)量方案框圖

圖3 定位節(jié)點(diǎn)組裝工位配置方案

4.2.3 軸箱體組成的物料緩存工位

軸箱體組成的物料緩存工位，接收 MES 系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃。定位節(jié)點(diǎn)組裝等完成之后，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，將軸箱體組成的物料放到物料托盤內(nèi)。物料進(jìn)入托盤之前，對(duì)軸箱體、軸端附件等工件以及托盤進(jìn)行掃描，將信息綁定并存放在物料間的緩存架上。上架之前，對(duì)物料托盤進(jìn)行掃描，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將托盤存放至特定的位置。軸箱體組成的物料緩存方案如圖 4 所示。

圖4 軸箱體組成的物料緩存方案

4.2.4 軸徑清潔等工位

軸徑清潔、潤(rùn)滑劑及防銹結(jié)合劑涂抹、密封膠涂抹工位為人工作業(yè)工位，配置手持終端。在作業(yè)前掃描人員信息，記錄人員的作業(yè)信息，并對(duì)人員資質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)。記錄作業(yè)人員信息后，掃描輪對(duì)信息，將人員信息和輪對(duì)信息進(jìn)行綁定，形成追溯記錄。

4.2.5 軸徑測(cè)量工位

軸徑測(cè)量工位為自動(dòng)測(cè)量工位，在自動(dòng)軸徑測(cè)量機(jī)上配置 RFID 自動(dòng)讀取裝置。工件上料后，自動(dòng)讀取輪對(duì)的信息，并根據(jù)之前存儲(chǔ)在測(cè)量機(jī)系統(tǒng)中的輪對(duì)參數(shù)，調(diào)用適用于本輪對(duì)的測(cè)量方案，自動(dòng)對(duì)軸徑進(jìn)行測(cè)量。對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算存儲(chǔ)，并通過與 MES 系統(tǒng)的接口，將測(cè)量結(jié)果上傳至 MES 系統(tǒng)中。軸徑測(cè)量工位配置如圖 5 所示。

4.2.6 軸承的選配

圖5 軸徑測(cè)量工位配置圖

MES 系統(tǒng)接收上層車間級(jí)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃，并與軸承存放系統(tǒng)進(jìn)行通信。在 MES 系統(tǒng)接收到生產(chǎn)計(jì)劃后，將計(jì)劃進(jìn)行組裝的輪對(duì)信息傳遞給軸承存放系統(tǒng)。軸承存放系統(tǒng)接收到信息后，自動(dòng)按照生產(chǎn)順序?qū)⑤S承傳送至軸承自動(dòng)輸送裝置。

4.2.7 軸承自動(dòng)壓裝工位

軸承自動(dòng)壓裝工位為全自動(dòng)壓裝工位，配置機(jī)械手與 2 臺(tái)全自動(dòng)軸承壓裝機(jī)。MES 系統(tǒng)將生產(chǎn)信息通過與軸承壓裝機(jī)的接口傳遞至軸承壓裝系統(tǒng)，輪對(duì)進(jìn)入壓裝機(jī)后，壓裝機(jī)自動(dòng)讀取輪對(duì)的 RFID 信息，并根據(jù)之前存儲(chǔ)的參數(shù)，調(diào)用適用的壓裝參數(shù)。機(jī)械手將軸承從軸承自動(dòng)輸送裝置抓取至壓裝機(jī)進(jìn)行預(yù)組裝，并將軸承與輪對(duì)信息、壓裝數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，之后上傳至MES 系統(tǒng)中。軸承自動(dòng)壓裝工位配置如圖 6 所示。

圖6 軸承自動(dòng)壓裝工位配置圖

4.3 生產(chǎn)線狀態(tài)展示

實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線各工位及設(shè)備狀態(tài)，包括人員信息、設(shè)備信息、質(zhì)量信息、人員作業(yè)信息、生產(chǎn)完工信息等。在軸箱組裝線控制系統(tǒng)大屏幕上采用動(dòng)畫形式顯示當(dāng)前各工位作業(yè)狀態(tài)，顯示生產(chǎn)線上各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線范圍內(nèi)輪對(duì)位置、序列號(hào)。在大屏幕上以圖形方式顯示目前每個(gè)工位的工作狀態(tài)、報(bào)警信息、安全互鎖信號(hào)、工件信息、質(zhì)量信息、人員作業(yè)信息、生產(chǎn)完工信息等。

4.4 人員管理

作業(yè)人員通過員工打卡的方式登錄，軸箱組裝線控制系統(tǒng)從上層車間級(jí)控制系統(tǒng)中獲取人員的工號(hào)、姓名、資質(zhì)等信息后，和工單中要求的人員資質(zhì)進(jìn)行比對(duì)，從而卡控人員資質(zhì)。

控制系統(tǒng)對(duì)不同人員設(shè)定不同操作權(quán)限。

4.5 物料實(shí)時(shí)管理

軸箱組裝線生產(chǎn)計(jì)劃以輪對(duì)進(jìn)度為準(zhǔn)，當(dāng)編制和下達(dá)輪對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，可通過特定的方式實(shí)時(shí)查詢其余物料的狀態(tài)信息，判斷是否具備生產(chǎn)條件。

輪對(duì)組裝所需的物料全部到位后，下發(fā)輪對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃，并且可以同時(shí)發(fā)布其余物料配送指令，其余物料按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)化配送。

若其余部分物料未準(zhǔn)備到位，系統(tǒng)具備提醒功能，以廣播形式通知欠料工序進(jìn)行及時(shí)備料。

物料配送信息具有自動(dòng)發(fā)送和手動(dòng)發(fā)送 2 種模式：自動(dòng)發(fā)送模式下可設(shè)定提前發(fā)送時(shí)間，各組裝工位可根據(jù)作業(yè)特性單獨(dú)設(shè)置提前送料時(shí)間；手動(dòng)發(fā)送模式下由員工在組裝工位通過終端發(fā)送要料信息。

物料信息管理的命名采用統(tǒng)一的規(guī)則，不同物料在不同工位之間能夠根據(jù)規(guī)則進(jìn)行相互對(duì)應(yīng)、查詢、匹配等。

組裝工位發(fā)送物料配送信息時(shí)，能夠以部件的編碼信息進(jìn)行要料。

5 方案總結(jié)

根據(jù)以上工位詳細(xì)的方案制定，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控、人員管理、設(shè)備狀態(tài)管理、物料管理、組裝線狀態(tài)的管理，并將整個(gè)軸箱組裝線的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對(duì)軸箱的裝配結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量判定，形成完整的追溯記錄。

相信 MES 系統(tǒng)的應(yīng)用，會(huì)為軌道交通行業(yè)帶來更加完善的管理、更加安全可靠的高速列車以及更加飛速發(fā)展的行業(yè)。