面向汽車混線生產的柔性生產數據采集系統*

陸 遠 胡 瑩 夏芳臣

(南昌大學機電工程學院,江西 南昌 330031)

生產數據采集是制造執行系統(Manufacturing Execution System,MES)的核心功能之一,就是根據產品類型,實時地采集生產過程中的各項數據,為生產計劃排程、產品質量追溯提供依據[1]。隨著汽車行業競爭越來越激烈,在同一生產線上生產單一車型已不能滿足日益多變的市場需求,因此混線生產成為各個汽車制造企業關注的焦點。在混線生產模式下,生產數據采集系統的有效重用是提高整個MES系統適用性的關鍵。標準的MES產品是一個龐大的系統,它們包含了很多的功能。但是,當這樣的系統面對千變萬化的客戶需求時,很難擺脫已經預先在產品中設置好的執行邏輯。通常情況下,這些預設的執行邏輯是無法根據特定需求進行修改的,隨著產品的升級換代和相應應用的不斷擴展,這種矛盾就尤為突出[2]。此外,各個生產線之間存在一定的物流關系,影響著上線順序及線與線之間的采集信息傳遞及共享,當存在混線生產時,這些信息的傳遞就要基于不同的產品類型了。

總之,為擴展整個制造執行系統的適用性,一種可配置的生產數據采集方案就顯得十分必要,即可根據產品類型自適應地采用不同的數據采集方案,包括采集點的動態配置、采集信息的動態設定及上線順序的動態調整。

1 混線生產的數據采集特性

對于不同型號的車,生產數據的采集存在一定的差異性。例如通常情況下,VIN碼(車輛唯一標識碼)可以作為從焊裝線到涂裝線直至總裝線的唯一標識碼。而事實上也存在另一種情況,即對于某些特殊的車型(例如陸風的SUV),其白車身在上總裝線之前仍無法確定其具體的車型配置,使得數據采集和車輛信息的跟蹤標識變得更加復雜,具體體現在:

(1)采集內容 車型信息是決定一條生產線所需采集生產數據項的關鍵因素,對于一條特定的生產線,需要采集的生產數據可分為兩類。第一類是與車型無關的生產數據,例如上線時間、下線時間、關鍵件信息(對于總裝線來說,一般情況下,發動機都是作為關鍵件處理);第二類是與車型相關的生產數據,例如車輛的標識、關鍵工序記錄、關鍵工位點達到時間等等;

(2)采集工位 車型之間的差異性將導致需要進行數據采集的工位發生變化。例如同一個工位對不同類型的車,采集的數據項可能不一致,或者對于不同類型的車,同一個數據項在不同的工位上進行采集。

(3)流轉順序 對于一條特定的生產線,可生產車型的多樣性將導致車輛完工下線后的半成品傳遞存在多種可能,即要根據車輛的具體型號,確定下一條生產線。因此從整個制造流程上看,各個車型的線流轉順序存在一些差異性。

根據以上分析,生產數據采集系統必須具備一定的柔性,一個物理工位對應一個邏輯工位(所謂邏輯工位即系統中設定的工位)的傳統方法將不再適用,一個邏輯工位固定采集若干數據項的模型已不能滿足混線生產多變的需求。因此構建一個二維可變的生產線信息模型就顯得十分必要了,即工位可配置,包括采集的數據項,生產線可配置,包括該生產線包含的工位信息以及與其他生產線之間的流轉關系;最終實現一條實際的生產線在系統中可根據車型的變化對應多條邏輯生產線。

2 生產線信息模型的構建

2.1 工位模型

工位是生產線的最小組成單元,是數據采集活動的主要承擔對象。對于混線生產模式,工位信息模型必須具備兩個特性:(1)邏輯從屬性;即系統中定義的工位是屬于針對某一種車型的生產線的。對于這種車型,系統可定義該工位在生產線中的位置及需要采集的數據項。(2)物理唯一性:即系統中定義的工位最終都要映射到實際的工位上,邏輯工位和物理工位必定存在一個對應關系。這種對應關系將用于數據采集的正確性校驗,例如在發動機裝配工位只能采集發動機號,而不能輸入其他信息。

基于以上特性,工位信息模型如圖1所示。

工位信息模型分為三大屬性:物理屬性、邏輯屬性及管理屬性。物理屬性中的IP地址及MAC地址用于將現實世界中的工位與系統定義的工位相對應,從而使系統可以分辨實際正在進行數據采集工作的工位。工位管理屬性中的班組信息及人員信息可根據生產排程信息,對登錄當前系統的用戶進行身份識別,從而實現確保正確的人,在正確的工位,做正確的操作。工位的邏輯屬性將工位抽象成一個數據采集組件,該組件擁有自身的對象ID,并按照順序號“裝配”在指定的一條生產線上。當工位“組件”與某一條生產線的關聯建立之后,系統可設置這個“組件”所能進行的采集項目,從而實現對不同的車型進行數據采集。

2.2 生產線組織模式

在進行混線生產時,一條生產線上要進行多種車型產品的加工,因此系統可以針對各種車型定義多條邏輯生產線,其中每一條邏輯生產線包含至少一個工位。一般一輛車的制造要經過焊裝、涂裝和總裝這三條線,而企業的混線改造需要一個過程。因此,盡管可以根據車型劃分多個邏輯線,但實際生產過程存在一定的 “并線”現象(表1)。

表1 不同車型在邏輯生產線上的流轉

表2 不同車型在物理生產線上的流轉

從表1、2中不難看出,涂裝線實現了混線生產,盡管系統為各個車型定義了有3條邏輯線(T01,T02,T03),但是僅有“t01”一條物理生產線與之相對應。因此數據采集人員在工位采集點執行采集操作時,必須先確定當前的車輛類型,系統通過當前用戶的IP地址,可以鎖定該用戶所屬的邏輯工位,再根據系統中邏輯生產線的工位配置信息查詢到該工位所屬的邏輯生產線,最后依據表1的關聯信息校驗待采集車輛的上線順序以及本工位點是否為合法的數據采集點。

2.3 生產線的控制

在實際的生產過程中,當客戶需求發生臨時變化、或者在線庫存出現缺件時,往往會導致生產線臨時停線,待問題排除或處理后再恢復運行。然而在混線生產模式下,這種直接停線的方式存在著極大的弊端,它將直接影響到在線的其他類型的車輛。本文采用對邏輯生產線進行邏輯停線的方式,替代原有的直接停止物理生產線的方法。車間管理員根據實際情況對某一邏輯條線進行“停線”操作,通過邏輯生產線與具體車型的關聯,可知這一操作僅影響某一種車型。當該車型通過具體的工位點時,系統可自動顯示這一車型的停線通知,而其他的車型可順利通過不受影響。除“停線”操作外,管理者還可下達“掛起”、“恢復”等操作,從而既保證了生產線的柔性,又保持了對不同車型的精細控制粒度。

3 動態平臺構建技術

客戶不斷變化的個性化需求影響著企業的生產模式。傳統的數據采集系統構建周期長、柔性差、難以適應當前的變化趨勢。構建一個動態、可配置數據采集平臺是解決這一問題的一個有效途徑,國內外許多學者在這一方面做出了探索性的研究[3－6]。根據企業的實際情況,理想中的平臺如圖2所示。

動態平臺構建采用了如下的實現技術:(1)工作流引擎驅動系統的表單流轉。系統采用微軟的WWF(Windows Workflow Foundation)作為工作流引擎,根據具體業務創建相應的WebService,以SOA(面向服務的架構)思想為指導創建業務邏輯平臺;(2)代碼自動生成技術。在研究常見的幾種界面交互方式的基礎上,定義了基于交互方式的界面模板文件,從而實現頁面表示層文件的自動生成;(3)數據庫訪問層代碼自動生成技術。通過讀取數據庫的系統表,獲取表以及相關字段信息,基于一套成熟的商業化七層架構,實現了數據訪問代碼的自動生成。

利用動態平臺構建應用系統可大大縮短開發周期,規范代碼風格,提高代碼質量;對于混線生產模式下多變的業務流程更能輕松應對。目前由該平臺生成的數據采集系統已在國內某汽車制造廠總裝線上試用,該總裝線主要承擔CV7/CV9兩種車型的生產。由于客戶需求變更頻繁,生產計劃更改情況時常發生,極易出現生產數據的“漏采”與“錯采”。由于采用了基于IP地址的工位對應機制,采集系統內的邏輯工位能依據產品類型與實際物理工位正確的對應起來,避免了工人遺漏重要生產數據的采集,同時也限定了采集地點,從而規范了整個數據采集工作的過程,提高了數據采集的準確性,為產品質量追蹤提供了支撐信息。試用表明,生產采集系統在產品完工順序檢驗、關鍵信息分類采集、關鍵工序控制、生產進度跟蹤等方面使車間的綜合生產管理水平提高到一個新的層次。

4 結語

綜上所述,混線生產模式不同于傳統的生產模式,其生產數據采集的信息模型和控制方法都必須具備一定的柔性。本文通過動態平臺構建技術快速實現了一個面向混線生產的生產數據采集系統,利用IP地址作為邏輯工位與物理工位的對應依據,規范了整個數據采集過程,提高了車間生產管理的水平。雖然目前的工位模型可應對不同的車型,但對在線物料的實時管理支撐力度不夠。因此,下一步的研究是進一步完善工位信息模型,使之具備依據產品類型進行在線物料實時管理的功能。

[1]洪鴻,張維,何衛平,等.制造執行系統中可配置自動采集技術的研究[J].現代制造工程,2008(8):14－18.

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[3]馮毅萍,榮岡.流程工業MES體系結構及模型設計[J].化工自動化及儀表,2006,33(1):1－5.

[4]閆歡,張宜生,李德群.規則引擎在制造企業MES中的研究與應用[J].計算機工程,2007,33(7):210－212.

[5]覃宇,馬鐵軍.Hibernate數據持久化技術在輪胎企業MES中的應用[J].計算機工程與應用,2006(35):208－210.

[6]尚文利,彭慧,史海波,等.基于生產模型的制造執行系統平臺研究[J].微計算機信息,2009,25(8－3):12－13.