液力變矩器裝配車間數(shù)據(jù)采集與通信*

任工昌 宜永剛 楊宇龍 王宏衛(wèi)

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

液力變矩器裝配車間數(shù)據(jù)采集與通信*

任工昌 宜永剛 楊宇龍 王宏衛(wèi)

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

針對(duì)S廠液力變矩器裝配車間現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法，提出一種基于RFID和OPC技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方法及通信網(wǎng)絡(luò)集成方案。該方法可以比較完整、實(shí)時(shí)地采集車間各種數(shù)據(jù)，完成車間在制品的跟蹤、產(chǎn)品的質(zhì)量追溯、實(shí)現(xiàn)上層與車間高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，大幅度提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率，為企業(yè)信息化奠定了一定的基礎(chǔ)。

液力變矩器；數(shù)據(jù)采集與通信；RFID；OPC

經(jīng)濟(jì)全球化導(dǎo)致制造全球化，企業(yè)必須快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)方式，合理配置制造資源并組織生產(chǎn)，在較短時(shí)間內(nèi)以較低成本制造出適合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，從而提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)處于計(jì)劃層和現(xiàn)場(chǎng)控制層之間，強(qiáng)調(diào)精確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，目的在于優(yōu)化管理活動(dòng)，從而對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)控和協(xié)調(diào)[1]。

然而在離散制造業(yè)由于工藝變更頻繁、車間環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)性、實(shí)時(shí)性、采集困難等因素導(dǎo)致其運(yùn)用并不理想。對(duì)MES系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集是它的基礎(chǔ)，要徹底解決“信息化孤島”問(wèn)題就必須實(shí)現(xiàn)車間各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸[2]。此外，數(shù)據(jù)采集又是進(jìn)行物料跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)、產(chǎn)品歷史記錄維護(hù)及其他生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)，因而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化成敗的關(guān)鍵。

1 車間數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀分析

液力變矩器是汽車無(wú)級(jí)變速的關(guān)鍵部件，由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪、閉鎖離合器等組成。它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間，以液壓油為工作介質(zhì)，起變矩、變速及離合的作用。S廠可生產(chǎn)YJH218、YJH240、YJHSW340(雙渦輪)等系列多品種液力變矩器，可供小轎車和大型工程機(jī)械使用。生產(chǎn)車間將不同型號(hào)的半成品再加工和裝配，屬于典型的混流型離散制造，主要有如下特點(diǎn):

(1)生產(chǎn)設(shè)備布置通常不是按產(chǎn)品而是按照工藝進(jìn)行布置的。

(2)生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件種類繁多，工藝路線靈活和數(shù)控設(shè)備冗余度大。

(3)生產(chǎn)數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)的采集、維護(hù)和檢索工作量大。

目前，該企業(yè)數(shù)據(jù)采集以手工填表為主，并結(jié)合條形碼等半自動(dòng)信息采集技術(shù)對(duì)工時(shí)、設(shè)備、物料、質(zhì)量等信息采集。這種數(shù)據(jù)采集方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易出錯(cuò)、實(shí)時(shí)性差，而且容易受到人為、環(huán)境(如油污)因素的影響。由于該企業(yè)沒(méi)有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集方法和大量的歷史數(shù)據(jù)積累，導(dǎo)致其管理層在作決策時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐，對(duì)市場(chǎng)變化反應(yīng)較慢、對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)能力不確定，嚴(yán)重影響了企業(yè)的信息化進(jìn)程。

2 數(shù)據(jù)采集的對(duì)象及方法

數(shù)據(jù)產(chǎn)生于最底層，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)主要分為三大類，即靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)[3]。靜態(tài)數(shù)據(jù)一般指變化頻率較小的數(shù)據(jù)，如員工信息、設(shè)備信息等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是指在生產(chǎn)活動(dòng)中頻繁發(fā)生變動(dòng)的數(shù)據(jù)，如在制品加工情況、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)狀態(tài)、成品質(zhì)量檢驗(yàn)等。系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)需要隨時(shí)維護(hù)。中間數(shù)據(jù)是一種經(jīng)過(guò)加工處理的信息，供上層管理人員掌握生產(chǎn)狀態(tài)，以便進(jìn)行分析和決策。

2.1 生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)采集

該企業(yè)裝配車間主要分為5個(gè)生產(chǎn)島區(qū)，分別是：泵輪、導(dǎo)輪、渦輪與閉鎖離合器組件，罩輪以及液力變矩器總裝配線。整個(gè)車間設(shè)備數(shù)控化率達(dá)到90%以上，生產(chǎn)過(guò)程中有大量的數(shù)據(jù)需要采集。對(duì)于車間相對(duì)比較零散的數(shù)據(jù)可以采用射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)采集。圖1 展示了RFID生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集的流程。

RFID技術(shù)較好地克服了目前兩種方式的不足，具有遠(yuǎn)距離讀取、穿透性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、電子標(biāo)簽存儲(chǔ)容量大、可寫(xiě)入等典型特征，受到不少企業(yè)的青睞。其基本工作原理；標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理[4]。

利用RFID采集物料(包括原料 、在制品、成品等)狀態(tài)信息，如何給物料加貼電子標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)是要考慮的首要問(wèn)題。由于生產(chǎn)線上物料形狀各異且不斷變化，往往很難在物料上加貼電子標(biāo)簽。因此，根據(jù)產(chǎn)品工藝特點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中將一定數(shù)量的物料放置在固定的標(biāo)準(zhǔn)容器(如托盤)中進(jìn)行傳送。這樣不但解決了物料的標(biāo)識(shí)問(wèn)題，而且也實(shí)現(xiàn)了容器和標(biāo)簽的循環(huán)使用，有效控制了硬件成本。

通過(guò)在生產(chǎn)線上一些關(guān)鍵工位安裝工業(yè)用RFID讀寫(xiě)器，對(duì)托盤進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)物料狀態(tài)信息的采集和追蹤。考慮到生產(chǎn)線空間有限、識(shí)別距離近的特點(diǎn)，為防止相鄰設(shè)備相互干擾并充分降低成本，優(yōu)先選取HF頻段的RFID讀寫(xiě)器。當(dāng)然也可以利用市場(chǎng)上一些現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集終端采集數(shù)據(jù)，不過(guò)這些數(shù)據(jù)采集器往往價(jià)格不菲，可根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求進(jìn)行購(gòu)買。

2.2 機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)采集

機(jī)床作為“工作母機(jī)”是車間很重要的制造資源，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。對(duì)于機(jī)床設(shè)備我們希望采集到更多的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和處理可以讓管理人員了解機(jī)床的負(fù)載率，準(zhǔn)確評(píng)估企業(yè)的生產(chǎn)能力。對(duì)故障數(shù)據(jù)的積累可以讓工程師進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，減少不必要的停產(chǎn)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)車間的機(jī)床大多是專用機(jī)床，如輥鉚機(jī)、沖槽機(jī)、動(dòng)平衡檢測(cè)儀等，無(wú)通信口的數(shù)控機(jī)床，由于其落后性基本上被淘汰，車間里很少能看到。表1 列出了車間的一些關(guān)鍵設(shè)備。機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)采集通常有以下幾種方法[5]。

表1 車間關(guān)鍵設(shè)備

設(shè)備采集信息控制系統(tǒng)立式雙工位數(shù)控車床運(yùn)行狀態(tài)FANUC-0i葉片輥鉚機(jī)PLC控制量OMRON釬焊爐PLC控制量OMRON動(dòng)平衡設(shè)備不平衡量SIEMENS打標(biāo)機(jī)二維碼OMRON內(nèi)、外環(huán)沖窩機(jī)PLC控制量OMRON

(1)宏程序法：通過(guò)向加工程序中嵌入宏程序，數(shù)控設(shè)備在執(zhí)行該段加工程序時(shí)同步地發(fā)出代表加工開(kāi)始、進(jìn)給速度、當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的字符串并發(fā)送給釆集系統(tǒng)。該方法不需要添加硬件設(shè)備便可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)性好、釆集信息較為完整；但采集指令需人工輸入且不同的宏指令不能形成統(tǒng)一的采集方案，而且會(huì)使NC程序變的很大，從而可能影響加工質(zhì)量和效率。

(2)基于RS232串口、DNC接口的機(jī)床數(shù)據(jù)采集：目前大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床都帶有這類通信接口，此外，對(duì)于支持OPC的機(jī)床，優(yōu)先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口和必要的軟件配置，直接讀取機(jī)床的各種狀態(tài)信息。

(3)PLC采集方法：該方法需要對(duì)PLC進(jìn)行連線，容易影響機(jī)床的電氣系統(tǒng)，一般只能采集開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

根據(jù)企業(yè)機(jī)床設(shè)備的實(shí)際情況采用不同的數(shù)據(jù)采集方法。圖2展示了車間機(jī)床連接方式。

任何一種方法均難以完全覆蓋企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，必須綜合應(yīng)用。好的數(shù)據(jù)采集方案可以減輕一線工人的負(fù)擔(dān)，讓管理人員有更多的時(shí)間去解決實(shí)際的品質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集也使系統(tǒng)真正地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免更大的損失。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理完畢后，被保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生成各種統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)表。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。

3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的集成

僅僅完成了數(shù)據(jù)采集還不夠，必須要建立高效實(shí)時(shí)的通訊網(wǎng)絡(luò)才能使數(shù)據(jù)有利用價(jià)值。通過(guò)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集和處理存在一些特殊性：執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為按鈕、行程開(kāi)關(guān)、變送器、變頻器等，控制網(wǎng)絡(luò)大多是PLC、DCS，且大多數(shù)設(shè)備往往采用自定義的專用網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)放性較差，因此需要首先解決的就是數(shù)據(jù)集成的問(wèn)題。

傳統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)中,智能設(shè)備之間及智能設(shè)備與任意上位監(jiān)控軟件或其他應(yīng)用軟件(如趨勢(shì)圖軟件、數(shù)據(jù)報(bào)表與分析等)之間的信息共享是通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的,由于沒(méi)有通用的標(biāo)準(zhǔn),驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備一般是一對(duì)一的[6]。

由圖3可以看出采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式僅僅兩個(gè)應(yīng)用程序訪問(wèn)3臺(tái)設(shè)備就需要開(kāi)發(fā)6種驅(qū)動(dòng)程序，車間有許多的設(shè)備，因此軟件開(kāi)發(fā)者的工作量是巨大的。

OPC的提出是為解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信而產(chǎn)生的一個(gè)工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它可以方便地把不同制造商提供的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序集成在一起。OPC服務(wù)器一般是由DCS或者I/O驅(qū)動(dòng)器等硬件供應(yīng)商提供，既可以在與應(yīng)用程序相同的本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，也可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行[7]。只要硬件開(kāi)發(fā)商提供帶有OPC 接口的服務(wù)器，任何支持OPC 接口的客戶程序均可采用統(tǒng)一的方式讀取這些設(shè)備的數(shù)據(jù)， 無(wú)須重復(fù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。基于OPC的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明：

(1)各種控制系統(tǒng)通過(guò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議向TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用最普遍的RJ-45接口交換機(jī)實(shí)現(xiàn)全雙工通信，進(jìn)行無(wú)沖突的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于不支持OPC的PLC 、機(jī)床設(shè)備和智能儀表通過(guò)以太網(wǎng)模塊直接連入以太網(wǎng)控制層。

(2)數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用異步數(shù)據(jù)傳輸，與同步方式相比，異步可以提高程序的效率，避免程序的空等待。訂閱方式不需要客戶程序向OPC服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求就可以自動(dòng)接到從OPC服務(wù)器送來(lái)的變化數(shù)據(jù)[8]。如果客戶程序想一直監(jiān)視某些變量(如關(guān)于在制品加工狀態(tài)的數(shù)據(jù))，則使用訂閱方式效率更高。

(3)管理層可以通過(guò)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) ,按權(quán)限訪問(wèn)服務(wù)器，掌握實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)；訂單客戶也可以通過(guò)外部Internet網(wǎng)，遠(yuǎn)程查看其訂單生產(chǎn)進(jìn)度。

4 結(jié)語(yǔ)

初始狀態(tài)的信息可稱之為數(shù)據(jù)，而有規(guī)律、有價(jià)值的信息就是知識(shí)。目前正在興起的智能制造有一個(gè)重要內(nèi)容是要讓原材料和零部件獲得發(fā)言權(quán)，使客戶需求決定生產(chǎn)流程而不用改動(dòng)生產(chǎn)線。這一切離不開(kāi)底層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和通信，OPC作為一座橋梁將企業(yè)的車間層與現(xiàn)場(chǎng)各種不同的廠家的控制、 檢測(cè)等系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系在一起，使控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)融為一體，真正實(shí)現(xiàn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控和MES系統(tǒng)的應(yīng)用，顯著提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 李建華.制造執(zhí)行系統(tǒng)MES現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].自動(dòng)化博覽,2005(3):80-82.

[2]林國(guó)富,汪惠芬,劉婷婷.離散制造車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011(19):71-74.

[3]離散制造企業(yè)MES中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)踐[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(3):245-247.

[4]殷明強(qiáng).基于RFID的車間作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理技術(shù)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2007.

[5]付林云.MES中數(shù)控車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[6]郭建新,劉乃琦,鄭敏.OPC協(xié)議及其在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2005(5)：40-42.

[7]傅培華.異構(gòu)控制系統(tǒng)信息集成研究[J].科技通報(bào),2005，21(4)：437-439，444.

[8]柴兆森.基于工業(yè)以太網(wǎng)和OPC技術(shù)的異構(gòu)系統(tǒng)集成研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2009.

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Hydraulic torque converter assembly shop data acquisition and communication

REN Gongchang，YI Yonggang ，YANG Yulong ，WANG Hongwei

(School of Mechatronic Engineering ,Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, CHN)

Hydraulic torque converter assembly workshop for S factory existing data collection methods, put forward a kind of the combination of data collection method and the communication network integration solutions based on RFID and OPC technology. This method can be more complete, a variety of data real-time collection of workshop, finished workshop wip tracking, tracing back the quality of the product, has realized the top and workshop efficient and accurate data transmission, greatly improve production quality and productivity, which laid a certain foundation for the enterprise information.

torque converter；data acquisition and communication；RFID；OPC

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175314)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GY2-04)

TP274+.2

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.005

任工昌，男1962年生，博士，教授，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新理論、機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、CAD、機(jī)構(gòu)綜合和工業(yè)設(shè)計(jì)。

(編輯 譚弘穎)

2015-12-22)

160910