生產線加工時間的自動采集與建模方法

田 夢，高天一，潘瀾瀾，慕光宇

（1.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連民族學院 機電信息工程學院，遼寧 大連 116600）

0 引言

離散制造業的生產過程主要是多工位流水作業，作業分工后，存在各工位作業負荷不均衡的現象，導致有的工位制品堆積，有的工位空閑時間過長，造成工時損失，嚴重時會引起生產線停止。因此對生產線中的工位負荷進行均衡化，使各工位作業時間盡可能相近，進而提高生產效率[1，2]。

本文綜合應用傳感器、PLC、計算機等技術對生產線進行實時監控，以C# 為上位機軟件平臺，開發了生產線的監控界面，對PLC 的數據進行讀寫，實現加工時間的自動化采集。收集準備時間、作業時間等相關數據，利用Flexsim 自動擬合生產加工時間的統計分布，有助于制造企業統籌規劃和布局生產線，減少浪費，提高效率[3-4]。

1 實驗方案

采用實驗室中U 型生產線，用四個圖案的繪制來模擬加工的四道工序，圖案為均由直線組成中等復雜的圖形，圖形標號分別為1 號、2 號、3 號、4 號，如圖1 所示。

圖形標號對應的工位編號，假設工序1 必須提前完成，其他工序是可以隨機分配的，本次抽取的工序為圖1-4-3-2。安排4名操作人員分別在4 個工位對圖形進行繪制，操作人員對應工位也為隨機分配。準備4 個刻度直尺和鉛筆，放在4 個工位作為操作員畫圖的工具。每名操作人員從生產線上取回一張紙，在上面畫出相應圖形，然后放回生產線，傳到下一工位，由下一名操作人員繼續繪制，4 個圖形在同一張紙上繪制完成視為完成全部加工過程。

圖1 加工四道工序的4 個圖形Fig.1 Four step processing of 4 figure

所有參加測量的人員，均是已經按有效工作方法訓練過的操作人員，且在測試數據的過程中，人員沒有變動，測量50 組數據，以便于找到合適的分布規律。

2 生產線作業時間的自動采集系統設計

通過PLC 自動采集生產線上各工序的作業時刻，在上位機C#軟件中計算加工時間（作業績效時間），并將各作業時間記錄到數據庫中，供績效分析，全部信息的采集和數據的記錄過程實現自動化。

2.1 PLC 設計

采用S7-200 的CPU226 模塊，接線如圖2 所示：通訊口連接上位機；輸出端口實現生產線開關的控制和速度的調節；輸入端口連接八個接近傳感器，讀取作業時在制品的到達和離開時刻。在生產線對應的四個工位處，每個工位兩個接近傳感器，一個檢測托盤 （工件）到達和離開工位的狀態、一個檢測工件到達和離開操作臺的狀態，位置圖如圖3 所示。

接近傳感器是開關量，開關量變化的時刻為需要采集的作業起止時刻。生產線采集的作業時間包括：“在制品到達該工序的時刻”、“加工開始時刻”、“加工結束時刻”、“在制品離開該工位的時刻”，例如在第1 個工位處，分別對應傳感器1 的開、傳感器2 的開、傳感器2 的關、傳感器1 的關。

圖2 PLC 面板連接圖Fig.2 Panel connection diagram of PLC

圖3 傳感器位置圖Fig.3 Sensor location map

2.2 上位機軟件設計

用C# 軟件設計一套生產線監控軟件，包括登陸界面、生產線啟停界面、倍速鏈和皮帶速度調節界面、報警界面、讀取傳感器數據界面，電磁閥控制界面、歷史數據查詢界面、作業時間分析界面。

為了與PLC 連接，實現實時通訊，采用OPC 數據訪問，在命名空間上添加引用 “Siemens OPC DAAutomation 2.0”，程序代碼中使用OPC 協議語句。

2.3 生產線加工時間的自動采集

一個工位的作業有4 個關鍵時刻，分別為在制品到達該工序的時刻、加工開始時刻、加工結束時刻、在制品離開該工位的時刻，接近傳感器按先后順序讀取。

生產加工前傳感器信號均為 “False”。在制品放置在托盤上由生產線傳送到工位時，也就是接近傳感器前，接近傳感器讀取信號。生產線加工時間的自動采集的具體步驟如下：

（1）該工位生產線上接近傳感器的信號變為“True”的時刻是 “在制品到達該工序的時刻”；在制品到達后操作員拿取在制品到操作臺上加工。此時生產線上傳感器的信號變為 “False”。

（2）該工位操作臺上傳感器信號為“True” 的時刻是“加工開始時刻”。

（3）該工位操作臺上傳感器信號變為“False”的時刻是 “加工結束時刻”；操作員把加工完成的在制品放回生產線上，此時生產線上傳感器的信號變回 “True”。

（4）該工位生產線上傳感器信號再次變為“False”的時刻是 “在制品離開該工位的時刻”。傳感器信號完成上述幾個變化為一個循環，代表該工位完成一次在制品的加工，以此類推所有在制品的加工。為對作業時間進行分析，需計算加工時間（績效時間）：加工時間（績效時間）=加工結束時刻- 加工開始時刻。

作業時間采集界面如圖4 所示，該界面即時讀取2個接近傳感器信號，顯示傳感器信號的變化時間，即在制品的4 個加工時間在界面上，隨著傳感器信號的變化4 個時間即時自動更新，加工時間即時更新，5 個作業時間完成為一組自動更新在數據庫中。當天的歷史作業時間數據記錄在界面下方，方便員工或管理員查看。根據當天加工時間自動計算平均加工時間，并顯示在界面上。

對各個工位加工時間進行單獨分析，包括繪制績效曲線，計算平均值及方差，界面如圖5 所示。在界面設計的過程中充分考慮人因學的思想，實現可按制定工位、日期、時間段繪制績效曲線和計算平均值及方差。績效曲線橫坐標是作業次數，縱坐標是作業時間，按照對應點繪制，可看出曲線趨勢。根據數據庫作業時間和作業次數的最大值自動拉伸和收縮橫坐標和縱坐標，使曲線一目了然，軟件操作更為方便。

圖4 采集作業時間界面Fig.4 Acquisition work time interface

圖5 績效曲線及計算界面Fig.5 Interface of performance curve and calculation

2.4 生產線加工時間的建模方法

生產線是大部分制造業組織生產的主要方式，屬于離散系統，生產線加工時間的建模關鍵是找到輸入模型的分布統計規律，本研究采用了Flexsim 仿真軟件。

利用生產線加工時間的自動采集裝置，收集每一工位的大量觀測數據，存為“.csv” 格式的Excel 文件，輸入Flexsim 軟件，加載其內嵌的分析工具ExpertFit，擬合出與樣本數據符合的概率分布類型和各項參數，即輸入模型。各工位加工時間符合連續型分布，統計所收集的50 組數據，四個工位的輸入模型如表1 所示。4 道工序測量的平均值分別為48.84、37.42、67.12、41.28（s），合并用時較少的2、4 工序，重新進行畫圖操作并記錄相關數據，得到三個工序的輸入模型如表2 所示。

表1 調整前各工序的輸入模型Tab.1 Before the adjustment each process inputting model

表2 調整后各工序的輸入模型Tab.2 After the adjustment each process inputting model

3 結束語

本文上位機應用C# 軟件進行軟件界面編程，應用OPC 接口連接下位機PLC，軟件界面即時自動讀取PLC上連接傳感器的信號變化，通過軟件編程記錄下關鍵時間，記錄數據傳遞到數據庫中。上位機對作業時間繪制曲線圖和計算分析，供員工或管理員查看。

運用Flexsim 軟件對生產線進行數據分布統計，針對工序進行重組，有效改善了生產線平衡問題。下一步可以根據本文的模擬生產線的實驗方案對實際生產線進行測量和建模，為生產管理提供服務，能夠準確地找到生產瓶頸，減少生產過程中的浪費，最大限度地提高企業利潤。

[1] 黃瑜蘭，等. 工況統計分析與生產線平衡分析研究[J]. 輕工科技，2014，6.

[2] 朱瓊，陳雪芳，田世勇，等. 基于仿真技術的生產線平衡優化研究與應用[J]. 工業工程與管理，2008，4.

[3] 王峰，李浙昆，葉海虹. 基于Flexsim 的生產線管理與成本控制模型[J]. 起重運輸機械，2010，7.

[4] 顧嘉，廖棟霞，熊根良，等. 裝配生產線仿真與優化技術研究[J]. 機械設計與制造，2014，5.

[5] 呂品. PLC 和觸摸屏組合控制系統的應用[J].自動化儀表，2010，8.