基于物聯網的發動機裝配過程信息感知交互系統應用研究

馬永敬，葛茂根，凌　琳

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥　230009)

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基于物聯網的發動機裝配過程信息感知交互系統應用研究

馬永敬，葛茂根，凌琳

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥230009)

摘要：針對發動機裝配過程信息采集與控制問題，在分析了目前裝配制造企業生產過程管理信息化存在問題的基礎上，結合物聯網技術在裝配制造業的應用，提出了一種物聯網環境下的發動機裝配過程信息感知交互框架。以該框架為基礎，設計了發動機裝配過程信息感知交互系統，包括感知交互系統軟件架構、感知交互系統整體運行流程分析。最后，以某發動機裝配過程為例，通過對發動機裝配過程進行數據采集和裝配過程監測與控制，驗證該信息感知交互系統的實用性和有效性。

關鍵詞：物聯網；裝配過程；信息感知；感知交互系統

0引言

隨著單一品種生產模式向小批量多品種生產方式發展，企業對裝配過程進行有效的管理和控制是提高產品質量、增強企業競爭力的重要途徑[1]。基于物聯網技術[2-4]的發展以及在制造業中的應用，發動機裝配過程正向著透明化、智能化裝配方向發展。隨著制造執行系統的發展，尤其是RFID技術[5]、傳感器技術[6]、數據挖掘技術[7]、云制造[8]、傳感網絡技術和微電子技術的發展與應用，使得對發動機裝配過程的實時監控成為可能。

然而，通過近年來對一些發動機裝配企業的調研，以及在實施過程監測與控制方法和項目的實踐中發現，以往的裝配過程監測與控制方法與策略面臨如下的需求與挑戰:

(1)裝配過程多源異構信息感知手段落后、信息采集滯后

發動機裝配工藝復雜，裝配規模日益擴大，裝配過程變得復雜多變。裝配過程中設備產生大量的生產數據且數據格式、通信協議不盡相同，導致裝配過程信息呈現多源異構且海量的特征。但目前很多企業裝配過程信息感知手段落后，人工干預現象普遍，缺乏對裝配過程實時信息的自動識別和感知的系統解決方案，導致多源信息的采集時存在滯后、數據缺失或不準確等現象。

(2)裝配過程精確及時監控和主動感知

在實際的裝配過程中，由于缺乏對不確定因素(如計劃變更、裝配時間波動、機器故障等)的準確及時的放映和對多源異構信息的主動感知，且缺乏裝配過程原始數據和裝配過程監控環節的映射關系的融合模型，使裝配過程難以做到準確及時的監控[9]。

(3)裝配過程信息交互及時與信息共享

裝配過程由于設備種類和數量眾多，若沒有統一的信息交互方式和交互標準，裝配過程數據采集和監控就會非常困難，各個設備之間由于缺乏信息交互，造成裝配各個環節形成一個個信息孤島，裝配系統各模塊無法協同作業，降低整個裝配系統效率。

因此，本文面向發動機裝配過程，應用物聯網技術，構建發動機裝配過程信息感知交互框架，并以該框架為基礎，設計發動機裝配過程信息感知交互系統，介紹了感知交互系統的軟件架構、硬件架構和系統運行業務流程。通過感知交互系統的應用，以提升發動機裝配過程透明性、防錯性、敏捷性，實現對裝配過程全方位監控、分析、優化和控制，確保發動機裝配過程高效運行。

1基于物聯網技術的發動機裝配過程信息感

知交互框架

在發動機裝配過程中，由于裝配過程涉及到的裝配信息存在多源異構性，如操作工、在制品和物料等的狀態信息和移動信息，產品加工的狀態信息、設備的狀態信息等，因此傳統的信息采集系統已經不適用于現代物聯網環境下的發動機裝配過程。本文結合物聯網技術在制造裝配業的應用，以物聯網技術為背景，構建了物聯網環境下的發動機裝配過程信息感知交互框架，如圖1所示。

圖1　基于物聯網技術的信息感知交互框架

該框架主要有感知裝配層、網絡層、信息融合層、數據采集層、上層應用層和數據服務中心六部分組成。其中，感知裝配層主要是面向物理制造資源層，針對要采集的多源裝配信息，通過各類系想你感知元件，確保對裝配數據的準確獲取；網絡層主要是配置裝配過程的網絡環境，確保底層感知到的信息能夠實時、準確、可靠地傳輸；信息融合層主要是在獲取裝配信息的基礎上，對裝配信息進行特征提取，進行數據解析，將多源數據轉化成可被數據采集層利用的標準裝配信息；數據采集層主要是面向不同的裝配企業用戶，從利用裝配現場的采集的多源信息實現制造執行過程的優化管理的角度，通過提供可視化管理、裝配資源實時監控、裝配在線質量監控、生產任務動態調度、物料優化配送以及其它應用服務等，實現物聯網環境下裝配過程的信息透明、過程實時感知和動態優化管理；上層應用層只要是針對企業的上層應用系統，通過與上層應用系統交互，實現裝配過程與上層應用系統的連通，利于企業對整個裝配過程的透明化管理；數據服務中心主要是從數據、信息和知識的層面為物聯網環境下信息感知交互系統運行提供隨時用到的信息服務，主要包括制造資源信息、感知件的配置信息、企業的生產數據模型、實時數據整合、生產管理知識庫、實時的數據和信息等。

2物聯網環境下的信息感知交互系統設計

本節依據文章中提出的信息感知交互框架設計了一個信息感知交互系統，應用文章提出的信息感知交互系統對發動機裝配過程的生產信息進行實時采集，對裝配過程各系統之間、各設備之間進行信息交互，對裝配過程進行可視化監測與控制。

2.1信息感知交互系統特點

裝配感知交互系統的主要功能包括數據采集、質量統計分析和裝配過程可視化監控，系統的在滿足企業裝配需求的同時還應具有以下幾個功能特點：

(1)安全性

系統應該支持基于角色的用戶驗證、用戶管理等安全策略。

(2)可靠性

系統應該支持不間斷運行，使用集群等冗余技術，對服務器可進行雙機熱備份。系統應該考慮裝配過程的各種異常因素，并對異常因素提供相應的異常防范措施。

(3)可擴展性

可擴展性是指系統新增加功能的能力，擴展性越好，系統的通用性也就越強，可以隨著系統功能需求的擴展而擴展。另外，系統在設計時還應考慮與其它系統的集成，便于與其它系統的交互，滿足新功能的需求。

(4)實時性

實時性是過程數據采集的顯著特征，系統能實時計算，對裝配過程數據做出迅速反應，實時獲取裝配感知系統感知的生產裝配數據，并對感知數據進行實時的分析處理。

(5)簡易性

簡易性是指在實現系統功能的前提下，將盡可能使系統簡便快捷，界面美工，突出重點。

2.2信息感知交互系統軟件架構

如圖2所示構建了系統運行的軟件架構，主要包括裝配過程實時監控、關鍵信息處理模塊、裝配車間應用模塊、基礎信息接口、企業信息系統、數據處理中心和數據發布中心。

(1)企業信息系統主要是企業的各種應用服務系統，實現對企業的輔助管理，如ERp制定企業的生產計劃、SCM管理企業供應鏈及物料、CApp輔助制定零件機械加工工藝過程等等。

(2)基礎信息接口主要是將企業中的服務信息按照一定的格式接入感知系統，實現服務層與車間應用層的無縫銜接，如接入生產計劃、物料清單信息、工藝信息等。

(3)裝配車間應用模塊是感知系統運行的支撐，完成工廠建模、生產計劃管理、當日庫管理、物料監控配置、物料呼叫配置、歷史信息統計分析等等功能，為實現動態準時制的物料配送提供了基礎數據。

(4)關鍵信息處理模塊是實現感知系統功能的實際執行，包括裝配過程可視化監控和物料配送。裝配過程可視化監控主要完成裝配隊列跟蹤、在制品定位、物料消耗、線邊庫監控、生產計劃監控等功能；物料配送主要完成打印揀貨單、裝載物料及審核出庫等功能。

(5)裝配過程實時監控室通過各種軟硬件實現實時的對裝配線的各種數據感知與處理，并將處理后的數據傳送至執行層。主要包括pLC、RFID、TAG、二維碼、掃描槍等感知元件，感知系統結合先進硬件實現對產品混流裝配過程的實時準確控制，并能實現混流裝配線的動態準時制物料配送。

(6)數據處理中心主要是完成對于裝配過程實時數據、歷史數據的整理，保證系統運行高速、安全、可靠。數據處理中心構建了實時數據庫和歷史數據庫，實時數據庫用于混流裝配過程、物料配送過程等實時信息的處理；歷史數據庫提供對系統運行的歷史數據統計分析、數據發布及報表輸出等。

(7)數據發布中心主要是將感知系統收集和處理后的數據遠程發布，實現遠程檢索分析裝配車間各種實時和歷史信息，并具有統計分析與報表輸出等功能。

2.3信息感知交互系統運行流程

感知系統整體運行流程共分為六部分，如圖3所示。

(1)是基礎數據建模，主要包括裝配資源信息分類、關聯信息建立以及各功能模塊的配置關系的構建，基礎數據建模用于構建感知系統的運行環境，該部分考慮工廠的實際需求以及后續可能的需求變動，提供了多樣化的配置功能，具有良好的擴展性和靈活性。其中，裝配資源信息主要是對工廠基本的數據信息進行建立，為系統提供最基本的數據來源；關聯信息建立模塊主要是對離散的裝配資源信息進行整合，使分散的裝配資源信息之間建立聯系，使裝配資源信息形成完整規范的信息脈絡；模塊配置關系主要是針對系統的各功能模塊建立相互之間的配置關系，通過裝配資源信息之間的相互配置形成系統的各功能模塊。

圖2　信息感知交互系統軟件架構

圖3　信息感知交互系統運行流程

(2)是計劃管理與排程部分，主要包括訂單制定與接收和裝配計劃下載，計劃是生產的起點，用于拉動整個裝配生產過程。其中，訂單可以由系統制定，也可以與上層ERp系統進行交互，從ERp系統中獲取要生產的計劃信息；計劃下載是將制定好的計劃下載到區域pLC中，當出現緊急插單或是訂單中止時，提取pLC中的剩余計劃，根據pLC中剩余的計劃和新的計劃進行重新編排，然后將重新編排的計劃再次下載至區域pLC中，以此來指導生產過程的裝配。

(3)是產品上線，產品上線工位是裝配現場的開始，也為后續工位提供過程基本數據，是后續工位工作的基礎，因此上線工位是整個裝配過程的核心工位。產品上線成功后，區域pLC給出產品上線成功信息號，系統會根據此信息號進行相應的過程數據初始化處理和訂單狀態以及訂單數量的處理，產品放行后進行后續的處理。當產品上線成功放行后，要與ERp進行交互，將產品上線的信息及時反饋給上層ERp系統，以便企業管理人員及時掌握現場計劃的執行情況。

(4)是過程數據采集與控制，主要對裝配過程數據進行全面及時地采集，對裝配過程異常數據進行控制與分析，保證裝配過程順利進行。過程數據采集與控制通過數據采集終端與裝配現場底層設備進行實時的信息交互，將底層的裝配數據實時地采集到系統服務器供裝配過程監控使用。

(5)是生產過程可視化監控，該部分主要是對裝配過程進行全面的監控，生產過程可視化監控可以實時地對裝配過程的各個部分的實時狀態進行監控，讓車間和企業管理人員可以實時掌握裝配現場的實時動態信息，對裝配過程的異常情況可以做到及時發現、及時解決。

(6)是產品譜系追溯管理，通過對裝配過程數據的存儲與管理，形成裝配數據檔案，產品譜系追溯可以對裝配數據進行查詢、統計與分析，為企業決策與預測提供參考。

3信息感知交互系統應用

根據上述感知交互系統設計，構建了基于物聯網的裝配過程感知交互系統。該系統已經應用于江淮汽車某發動機的實際裝配當中，并且取得了很好的實際效果，符合企業的裝配需求。整個系統包括生產計劃與排程管理、工廠建模、人員及班組管理、當日庫管理、物料監控管理、設備運行狀態管理、生產可視化監控、數據采集、品質管理、系統網絡監控、在制品隊列跟蹤、作業指導、防錯系統、ANDON管理、返修管理、統計管理等功能模塊，系統各模塊之間相互系統作用沒實現對裝配過程的監控，圖4是部分軟件界面展示。

4總結

現代裝配技術正在向數字化、智能化裝配方向發展，對裝配制造執行過程信息采集和生產狀態監控、分析、預測提出來更高的要求。物聯網技術對基于實時信息驅動的裝配過程監控提供了途徑。本文從系統實現的角度，提出了物聯網環境下的信息感知交互框架，并在此框架的基礎上設計了信息感知交互系統，介紹了系統的軟件架構，系統的運行流程，并結合實際課題將設計的系統應用于發動機的實際裝配當中，在應用的過程中實現對發動機裝配過程監測與控制，對制造執行系統的發展具有重要的實際應用價值。

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(編輯李秀敏)

Application of Engine Assembly process Information Networking System

Based on the perception of Interaction

MA Yong-jing, GE Mao-gen, LING Lin

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract：For engine assembly process of information collection and control problems, in the analysis of existing assembly manufacturing production process information management issues based on the combination of networking technology in the assembly manufacturing applications, proposed an engine assembly Things Environment process information perception interaction framework. In the framework of the basic design of the engine assembly process information sensing interactive systems, including software architecture-aware interactive systems, interactive perception of the overall operation of the process analysis system. Finally, with an engine assembly processto verify that the information perceived usefulness and effectiveness of interactive systems.

Key words：internet of things; assembly process; information perception; perception interactive system

中圖分類號：TH166;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：馬永敬(1988—)，男，山東臨沂人，合肥工業大學碩士研究生，研究方向為制造過程監測與控制，(E-mail)mayongjing@126.com。

收稿日期：2015-02-09

文章編號：1001-2265(2016)01-0149-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.041