面向汽車發動機裝配過程建模與監控方法研究

鳳俊杰

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

以汽車發動機為代表的復雜機械產品的裝配過程是離散制造業的典型，其涉及領域廣泛，零部件數量繁多，工藝和裝配精度都有較高的要求。因此，在裝配過程中，容易出現錯裝、漏裝、錯檢、漏檢等各種質量和效率問題。裝配信息系統和裝配現場的真實數據之間缺乏有效的同步機制和手段，易造成信息系統傳遞數據的時效性差，裝配現場狀態不透明等問題，也使得裝配單元和裝配過程的實時監控難以得到滿足[1]。

目前，隨著信息化的快速發展，越來越多的企業重視過程控制方法的研究。主要研究內容有無線射頻技術、條碼采集技術以及現場采集數據的存取方法[2～4]，傾向于從信息技術和集成軟件的角度去解決制造執行問題，卻沒有對深層次的可視化在線監控和數據存取的完整性以及數據追溯的準確率問題進行系統的研究。

在眾多建模方法中，Petri得到了廣泛應用，基于狀態的建模，可以使活動中的使能和執行區分開來，即可以很好的描述裝配過程的靜態行為和動態行為，又可以清晰準確的描述工作流程。為此，本文構建發動機裝配過程實時監控模型，實現對裝配過程的實時監控、數據分析以及動態優化，從而實現對關鍵裝配工位的統一監管。

1 裝配過程Petri網模型的定義

定義1 發動機裝配過程實時監控Petri網模型（EAPQMN）：EAPQMN =（T，P，C，I，O，M）其中每一元素以及假設的介紹如下：

1）T={t1，t2，t3，…，tm}為變遷的集合，包括裝配變遷、運輸變遷和信息采集等變遷。

2）P={p1，p2，p3，…，pn}為庫所的集合，用來表示裝配過程中發生的事件。

3）C是色彩的集合，可以區分各種型號的產品，一種產品唯一對應一種的顏色，在生產過程中，一般用唯一代表產品的出生證作為顏色[8,9]。有多少個產品就有多少中色彩，如果有h個，則對任意的pi、tj，有C(pi)={a1，a2，a3，…，ah}，i=1，2，…，n；C(tj)={a1，a2，a3，…，ah}， j=1,2…，m。

4）I(p,t)表示輸入函數，實現庫所p到變遷t的轉換，C(p)和C(t)的笛卡爾積表示從庫所p到變遷t的著色有向弧，描述某產品狀態的輸入。

5）O(p,t)表示輸出函數，實現從變遷t到庫所p的轉換，C(t)和C(p)的笛卡爾積表示著從變遷t到庫所p的著色有向弧，描述某產品狀態的輸出。

6）M為初始標識，M(p)(c)標識在庫所p中，色彩為c的token數。

假設1：相同型號的不同產品在生產過程中，產品的同一工序所占的時間長度相同。

假設2：在產品的生產過程中，事件具有唯一性，并且事件與token之間是唯一映射的關系，在不同庫所中同一顏色的token唯一存在[8]。即對于任意的pi,aj∈C(pi)，有M(pi)(aj)≤1，i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

當觸發必要事件時，對應的變遷也被觸發。標識M中，變遷tj關于色彩ak使能，當且僅當，對于任意的pi∈·tj，M(pi)(ah)≥I(aih,ajk)，其中·tj表示變遷tj觸發前[5～7]。當變遷tj一開始被激發，EAPQMN立即進入新狀態，產生新標識M′，表示該裝配任務正在進行，即對任意的pi∈·tj，M′(pi)(ah)= M(pi)(ah)-I(aih，ajk)；當激發變遷tj，經過執行時間，EAPQMN更新狀態，產生新的標識M″，表示該過程已結束，即對于任意的pi∈tj· ，M″(pi)(ah)=M′(pi)(ah)+O(aih,ajk)，其中tj·表示變遷tj被激發后。

2 基于RFID的關鍵裝配工位作業流程

根據上文所述，EAPQMN模型中的裝配變遷表示在制品、運輸變遷表示在制品運輸和信息采集變遷表示在制品信息采集。在裝配過程中作業人員要完成所負責工位的生產任務，通過對Petri網模型的實例化對生產過程中的關鍵工序進行有效的監控和管理，提高了裝配過程監控系統的準確性和實時性。在模型實例化的狀態下，所有的變遷都是相互獨立的實體，這些實體被賦予一定的權限并遵照統一的協議互相協調。不同實體有不同的結構模式，并在局部數據的驅動下完成不同的任務[6]。運輸過程中，線體PLC與信息采集系統交互，控制托盤放行，上線工位將配置托盤的ID碼塊（配置基本信息，如產品出生證，對應相關裝配信息等），下線時讀出并存儲到數據庫作為發動機裝配的過程記錄進行保存。

托盤到達關鍵裝配工位時，首先讀取RFID標簽，獲取裝配任務相關信息，再進行工藝引導和工序檢驗控制。在生產過程中，作業人員負責本工位的生產任務，并根據作業指導書進行生產作業[8]。信息采集系統按照該工位的信息采集流程方案，采集本工位的相關信息，并將采集的信息實時地傳輸并存儲，經數據分析后作出是否進行相應的技術問題處理、不合格產品審查和生產計劃的調整，在此過程需要對其進行嚴格控制。業務流程控制，如圖1所示。

3 關鍵信息采集及數據完整性控制

質量檢測信息（如壓堵試漏、回轉力矩等）是在裝配過程中非常重要，擰緊的轉矩和缸體測試數據的合格與否直接影響發動機的質量。目前，發動機裝配線一般都由眾多的設備配套組成，然而，硬件系統還有一定的不足和缺陷。現場操作人員強制放行導致過程數據丟失，網絡系統異常導致數據丟失等問題都會影響數據的采集，在現場數據采集過程中，不僅要考慮信息的實時性和準確性還需要考慮數據信息的完整性。

對于質量檢測數據（包括測試、擰緊等）的采集有三種路徑，一是通過設備的數據庫交互提取數據（已進行產品信息與數據的綁定）；二是通過與區域PLC和專機PLC的交互提取需求的數據（提取的同時也提取相應的產品信息）；三是對于沒有數據庫的設備，并且數據放在文件（CSV、EXCEL等）中的設備，通過遠程連接獲得文件，然后對數據進行提取處理。為了保證產品質量檢測數據采集的完整性，系統采用集中的模式，即以服務器上的數據庫為中心進行數據上傳存儲。在此過程中需要現場設備預留數據采集接口，具備暢通的通信，將采集的數據實時處理并以可視化的方式顯示在客戶端，實現采集信息和生產過程控制的聯動。

圖1 業務流程控制

為避免采集數據丟失，保證生產過程數據采集的完整性與準確性，可以從以下三個方面實現：1）采用本地數據采集和遠程數據采集要相結合的方式，數據庫之間交互時需要驗證； 2）在本地數據庫中建立數據緩存區，采集上來的數據先放入緩存區并標記交互狀態，當所有數據成功上傳到服務器后，本地更新交互狀態[9]；3）車間不確定因素多變，無法保證采集的數據不丟失，但通過綁定工位信息，當發現未采集到信息時，發出報警信號，提醒操作人員查看[10]。質量檢測數采集流程如圖2所示。

首先啟動采集程序【100】，判斷要連接的設備是否能連通【101】，當不能連通時給出提示信息【102】。根據不同的設備，系統提供了三種方式進行數據的采集，一是從連接的數據庫中【103】，通過與設備數庫的@交互表的交互，從中取出標識位為0的數據；二是根據區域PLC或專機PLC的采集數據的控制地址的變化【104】，系統程序通過OPC服務器從數據地址中獲得檢測數據，并且獲得與檢測數據想匹配的產品信息；三是對于沒有數據庫或PLC的設備，且數據保存在文件中時【105】，為了采集數據，系統程序下載文件到本地工控機，然后再從文件中提取需要的采集數據及綁定的產品信息；采集到檢測數據后進行數據的處理【10】，對于采集的數據要與產品信息相綁定，還有部分數據是未進行綁定的，未綁定的信息要與工位進行綁定，不需要做專門的處理；根據產品出生證、工作站等信息，獲得工序、人員、質量規范等信息；進行服務器的連接操作【14】，判斷當前的工控機是否能與服務器連接通【15】，當不能連接通時給出提示信息【16】，當能連接通時，將取出的數據按照服務器數據庫的格式將數據存儲到服務器數據庫【17】。

圖2 檢測數據采集流程控制圖

4 基于Petri網模型實例研究

本文為了進一步說明問題，這里對發動機其他部件的裝配以及總裝線的裝配過程進行簡化操作。模型實例監控軟件界面如圖3所示。假設有編號為1.9、2.0兩種產品處于生產中，因此，變遷和庫所只有1.9和2.0兩種顏色：對于任意的pi、tj，有C(pi)={1.9，2.0} i=1，2，…，29；C(tj)={1.9，2.0} j=1,2，…，25；當前的裝配狀態可以用M表示。由于存在對于任意的pi∈·t9，M(pi)(2.0)=1≥I(2.0，2.0)=1，滿足變遷t9的觸發條件。因此變遷t9關于色彩2.0使能。而變遷t9所對應的任務就是缸蓋自動轉軌，缸體和缸蓋合裝，當變遷激發的時候，可以得到標識M′，表示發動機還在托盤上流轉，缸體與缸蓋的合裝還尚未完成，當變遷t9開始激發后,經過裝配執行時間，缸體與缸蓋的合裝完成，此時可以得到標識M″。“事件-狀態”簡化矩陣可以用M、M′和M″來表示，通過該矩陣的運算可以得到：

這表明裝配過程的執行狀況能夠被該petri網模型很好的顯示表達，通過運用該模型，便可知裝配過程關鍵裝配工位的裝配狀況，甚至可以達到實時跟蹤。

圖3 CPN模型實例監控界面

裝配執行事件如下：P1：缸體上線；P2：讀寫缸體二維碼，已寫入托盤TAG；P3：工位OP1065-1已吊裝曲軸到工作臺定位；P4：曲軸蓋裝配完成；P5：托盤到達工位OP1130P6，活塞連桿領料完成；P7：托盤到達工位OP1140；P8：托盤到達工位OP1170P9，機油泵領料完成；P10：托盤到達工位OP1300；P11：托盤到達工位OP1340；P12：缸蓋領料完成；P13：缸蓋螺栓領料完成，托盤到達工位OP1360；P14：托盤到達工位OP1400；P15：托盤到達工位OP1530；P16：托盤到達工位OP1570；P17：托盤到達工位OP1640；P18：零件領料完成，托盤到達工位OP1820；P19：托盤到達下線工位；P20：發動機裝配完成；P21：缸蓋吊裝至清洗機軌道；P22：缸蓋上線；P23：托盤到達工位OP3030；P24：托盤到達工位OP3050；P25：托盤到達工位OP3110；P26：托盤到達工位OP3150；P27：托盤到達工位OP3160；P28：進氣管墊片裝裝配完成；P29：缸蓋裝配完成。

裝配變遷事件如下：t1：托盤到達工位OP1020；t2：裝配活塞冷卻噴油嘴組件；t3：曲軸清洗；t4：檢查軸承軸向間隙；t5：裝配活塞連桿總成；t6：檢測曲軸回轉力矩；t7：裝配機油泵總成；t8：掃描高壓泵條形碼；t9：缸蓋自動轉軌合裝；t10：擰緊缸蓋螺栓；t11：擰緊凸輪軸蓋緊固螺栓；t12：擰緊曲軸皮帶輪緊固螺栓；t13：擰緊缸蓋護罩螺栓；t14：油道試漏；t15：裝配渦輪增壓器；t16：發動機吊裝下線；t17：缸蓋清洗；t18：拆凸輪箱蓋；t19：壓裝氣門油封；t20：裝配進、排氣門；t21：氣門試漏；t22：裝配預熱塞；t23：掃描EGR控制閥條形碼；t24：缸蓋下線；t25：從班組2運輸缸蓋到班組3。

5 結束語

本文從裝配執行過程角度出發，建立面向裝配執行過程著色Petri網模型，并將模型運用到監控系統中實現對裝配線的可視化監控，在分析關鍵裝配工位作業流程的基礎上，并闡述了車間質量檢測數據采集和存儲完整性的方法，從而可以實現對發動機裝配數據進行可靠有效的追溯，全程實時監控，有效提高了發動機裝配過程在線監控的準確性和實時性。

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