吳文強(qiáng),雷良育，2,胡永偉,劉國(guó)輝,張 琪

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安，3113002；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司,浙江 杭州，311232)

汽車(chē)第三代輪轂軸承單元目前應(yīng)用最為廣泛，是汽車(chē)零部件中極為精密的部件之一，它的制造要求十分嚴(yán)格，其精度質(zhì)量直接影響汽車(chē)的行駛安全性和舒適性，所以汽車(chē)輪轂軸承單元的裝配、檢測(cè)至關(guān)重要。整個(gè)裝配檢測(cè)流程分為選配、裝配、負(fù)游隙檢測(cè)、注脂、鉚合、壓齒圈、壓螺栓、ABS檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)等工序，工序較多也比較復(fù)雜，并且隨著機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展，其自動(dòng)化裝配線(xiàn)也被開(kāi)發(fā)和不斷完善，加工的效率也不斷提高。這就帶來(lái)了下面情況：

1)設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)(加工、待機(jī)、報(bào)警、調(diào)試)不能及時(shí)反饋給相關(guān)負(fù)責(zé)人。

2)質(zhì)量數(shù)據(jù)采用紙質(zhì)或零散電子文檔方式傳遞，經(jīng)常反饋遲緩。車(chē)間生產(chǎn)物料需求不能實(shí)時(shí)反饋給物料倉(cāng)庫(kù)，導(dǎo)致整個(gè)車(chē)間物料需求滯后，影響加工效率及產(chǎn)量。

3)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有看板來(lái)及時(shí)的實(shí)時(shí)顯示目前工單的加工進(jìn)度，使得領(lǐng)導(dǎo)不能第一時(shí)間掌握車(chē)間生產(chǎn)狀況等。

根據(jù)目前車(chē)間自動(dòng)化裝配監(jiān)控的情況，文中提出了基于B/S架構(gòu)的汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，分析了監(jiān)控系統(tǒng)的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，采用OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和上位分析，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)展示及決策分析。

1.1 工藝分析

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)的智能監(jiān)測(cè)。汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)主要由以PLC為控制中心的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備和ABB機(jī)器臂組成，其中有OP-10壓螺栓機(jī)，OP-20芯軸裝滾子機(jī)，OP-30外圈上料機(jī)，OP-40組合測(cè)量注油設(shè)備，OP-50小內(nèi)圈壓裝設(shè)備，OP-60鉚合機(jī)，OP-70扭矩測(cè)試機(jī)，OP-80振動(dòng)測(cè)試機(jī)，OP-90注油壓密封件機(jī)。輪轂軸承單元的裝配工藝流程圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

汽車(chē)第三代輪轂軸承單元智能裝配線(xiàn)集成控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示，分為數(shù)據(jù)層、功能業(yè)務(wù)層與用戶(hù)界面層[1]。

圖2 系統(tǒng)的架構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram

數(shù)據(jù)層：通過(guò)OPC技術(shù)底層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，分別存放至對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

業(yè)務(wù)邏輯層：主要包括MDA、工單系統(tǒng)、Visual系統(tǒng)、質(zhì)量分析管理、產(chǎn)品質(zhì)量追溯模塊，對(duì)采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析，功能如圖3所示。

用戶(hù)管理層：該層是面向用戶(hù)，系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)圖表、報(bào)告等形式傳遞給用戶(hù)，用戶(hù)可以根據(jù)這些信息，遠(yuǎn)程進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控管理的目標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.3 System function module diagram

2 數(shù)據(jù)采集硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 OPC技術(shù)

OPC為采用Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫(xiě)專(zhuān)用的接口函數(shù)[2]。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類(lèi)繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)，往往給用戶(hù)和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負(fù)擔(dān)[3]。在這樣的需求下，可交互、高效的OPC標(biāo)準(zhǔn)就順勢(shì)產(chǎn)生了。

2.2 PLC連接和關(guān)鍵點(diǎn)位設(shè)置

PLC與裝配線(xiàn)上的設(shè)備連接如圖4所示，現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感器通過(guò)物理層(PLC的I/O接口)與外部通信，OPC Server采用OPC協(xié)議與PLC之間實(shí)現(xiàn)通信，讀取各種數(shù)據(jù)信息并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖4 PLC與設(shè)備的連接圖Fig.4 PLC and equipment connection diagram

2.3 硬件的選用

數(shù)據(jù)采集選用的主要硬件有采集站、串口服務(wù)器、串口采集儀、55寸廣告機(jī)、POE交換機(jī)、歐姆龍繼電器，具體的型號(hào)和數(shù)量如表2所示。

表2 主要的硬件清單

3 傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 Socket協(xié)議

TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議，主要由網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議和傳輸層TCP協(xié)議構(gòu)成。Socket又稱(chēng)“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈的句柄，用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同虛擬機(jī)或不同計(jì)算機(jī)之間的通信[4]。TCP/IP是一種可靠的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過(guò)在通信兩端各自創(chuàng)建一個(gè)套接字(Socket)，形成可靠的網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路，從而兩端程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路進(jìn)行通訊。在本系統(tǒng)的B/S架構(gòu)中，Socket的作用是作為數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)邏輯層之間通信的通道，其工作原理如圖5所示。

圖5 Socket原理結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Socket principle structure diagram

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟公司的Sql Server 2008 R2，數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)為db-ZC-MonitorSystem，主要有人員信息表、設(shè)備信息表、設(shè)備信息組、員工信息表、員工信息組、菜單表、狀態(tài)信息表、報(bào)警信息表、參數(shù)信息表等30張表組成。利用E-R模型，大幅度減少數(shù)據(jù)的冗余和數(shù)據(jù)文件在更新時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)；通過(guò)結(jié)構(gòu)上數(shù)據(jù)優(yōu)化和硬件部分優(yōu)化進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)的工作效率。

4 數(shù)據(jù)采集軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

圖6 數(shù)據(jù)采集原理圖Fig.6 Schematic diagram of data acquisition

采集設(shè)備的服務(wù)站相當(dāng)于一臺(tái)客戶(hù)機(jī)，裝配線(xiàn)上的各非標(biāo)設(shè)備相當(dāng)于服務(wù)器。在通信過(guò)程中，每次都是由采集主機(jī)發(fā)送連接與讀取請(qǐng)求，采集主機(jī)與設(shè)備機(jī)床服務(wù)器處于同一網(wǎng)段，通過(guò)指定機(jī)床設(shè)備IP地址即可，即可完成連接配置參數(shù)，便可與它建立socket套接字。采集主機(jī)與機(jī)床設(shè)備接收TCP幀后并識(shí)別ModbusTCP幀。采集服務(wù)站需要先配置ModbusTCP的連接參數(shù)。其次需要配置采集地址項(xiàng)，通過(guò)再采集配置項(xiàng)中設(shè)置相關(guān)寄存器地址號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)采集[5]。

數(shù)據(jù)采集使用的是輪詢(xún)采集方式，工作流程如圖6所示。內(nèi)部將機(jī)床等設(shè)備都虛擬成IDevice設(shè)備驅(qū)動(dòng)。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先對(duì)采集通訊平臺(tái)的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，然后進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集任務(wù)[6]。在有多個(gè)采集任務(wù)出現(xiàn)時(shí)，每次只能進(jìn)行一個(gè)任務(wù)，其他采集任務(wù)需要等待，完成一個(gè)任務(wù)后再進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)。這種通訊模式很好理解，每個(gè)設(shè)備的通訊都遵循排隊(duì)的原則。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控流程設(shè)計(jì)

通過(guò)上面運(yùn)行機(jī)制設(shè)計(jì)，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通知到數(shù)據(jù)展示模塊，內(nèi)部通過(guò)IService接口用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)拉取，采集軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)器用于接收顯示客戶(hù)端的連接，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸[7]。當(dāng)讀取設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化則通知數(shù)據(jù)庫(kù)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)控圖Fig.7 Data monitoring chart

5 系統(tǒng)測(cè)試

圖8 系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.8 System test chart

汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖8所示，前端采用Bootstrap+Node.js+Express+Jade框架，后端采用C#+Web Service+三層架構(gòu)[8]。將該系統(tǒng)安裝到汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)上，通過(guò)運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以對(duì)裝配線(xiàn)上各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并顯示實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

6 總結(jié)與展望

文中研究了汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，開(kāi)發(fā)了MDA、工單系統(tǒng)、Visual系統(tǒng)、質(zhì)量分析管理、產(chǎn)品質(zhì)量追溯模塊等功能模塊，搭建了汽車(chē)第三代輪轂軸承單元裝配線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)使用了OPC技術(shù)進(jìn)行底層數(shù)據(jù)采集，使用微軟公司的Sql Server 2008 R2搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，前端采用Bootstrap+Node.js+Express+Jade框架，后端采用C#+Web Service+三層架構(gòu)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的閾值設(shè)置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)為提高企業(yè)生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力，提供了技術(shù)基礎(chǔ)。