MES?在高速列車軸箱組裝線上的應用

張 偉

（南通友聯數碼技術開發有限公司，江蘇南通 226000）

1 現狀分析

伴隨著科學技術的發展，越來越多的新技術在許多制造企業得到應用。軌道交通行業作為國家重要行業，雖然也應用了大量的智能設備，但是在整個生產過程的信息化管理方面，卻并不像其他行業一樣已經得到了廣泛的應用。隨著國家的發展，越來越多的軌道交通企業針對制造過程的信息化管理，開始了新的探索。

2 MES 概念

MES（Manufacturing Execution System）是制造企業生產過程執行系統，是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES 可以為企業提供制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業提供一個扎實、可靠、全面、可行的制造過程協同管理平臺。

3 高速列車軸箱組裝線需求

高速列車軸箱的組裝過程包括軸箱體內孔測量、軸箱體組成物料緩存、軸箱體組成物料自動上料、軸徑的清潔、軸徑自動測量、潤滑劑的涂抹、軸承的選配、軸承的自動壓裝、游隙的測量、密封膠涂抹、鎖緊螺母組裝、軸端特殊螺栓的組裝、軸箱體及傳感器的組裝。要求對整個組裝過程進行監控，包括生產調度的管理、生產過程數據的采集、人員資質的把控、設備的管理、組裝質量的判斷等，并將整個生產過程的全部數據形成追溯記錄。

4 系統方案定制

根據生產工藝過程，制定高速列車軸箱組裝線的控制系統方案。整個生產過程涉及生產工單的接收與任務的分配、工件數據的采集、設備的管控、人員信息的收集對比、生產結果的質量判定，并將相關的數據進行整理，形成可以追溯的記錄。

要完成以上內容，首先要對組裝線中涉及到的所有元素，包括人員、工具、工件等進行數字化處理，為每一個元素賦予唯一的數字化標識。然后采用數據采集工具進行數據采集，并將所有采集到的數據根據數據之間的邏輯關系進行組合，提交至高速列車軸箱組裝線控制系統，即MES系統，形成最終的追溯記錄與各種報表，并將生產線的實時狀態顯示在看板上。系統總體方案框圖如圖 1 所示，圖中 ERP 是企業資源計劃，SQL 為結構化查詢語言，OPC 是用于過程控制的 OLE，OLE 技術是對象連接與嵌入技術。

4.1 工單接收與任務分配

高速列車軸箱組裝線控制系統與上層車間級控制系統之間建立通信接口，采用 TCP/IP 協議、Web service/API 的接口方式進行通信，承接車間級控制系統傳遞的排產計劃和工單信息，能夠根據排產計劃和工單信息調度物料生產，將相應的作業指令分配到具體的作業工位，并能實時反饋計劃完成時間。生產工單信息包含工單號、產品編碼、產品圖號、單件序列號、檢修數量、計劃下達時間等。高速列車軸箱組裝線控制系統收到工單指令后，軸箱組裝線管理人員確認后，系統自動調度。

為確保在單個設備故障時不影響整條線的生產，MES 系統可以設置單個設備從組裝線分離，管理人員根據不同車型的作業流程，單獨設置軸頸測量設備、軸承壓裝設備、物料自動運輸裝置、軸箱體組成物料緩存裝置。

在手工錄入生產車型和數量后，MES 系統可以不依賴上層車間級控制系統單獨自動運行。

根據生產計劃，從上層車間級控制系統接收作業卡片、作業指導文件，并發送給人機交互固定終端和手持終端。記錄和顯示排產計劃、工單信息和鎖定排程變動日志。實時向車間級控制系統反饋齊料情況。

承接車間級控制系統下達的質檢要求，定制質量表格。

4.2 組裝線生產數據采集

對于由 PLC 控制的核心設備，例如軸徑自動測量機、軸承自動壓裝機、軸承預組裝機械手等設備，通過PLC 接口進行設備數據的采集。在這些核心設備上設置可以讀取輪對電子標簽（RFID）信息的讀取裝置，在工件上料以后，自動讀取輪對信息，判斷輪對是否符合生產計劃的要求。如果符合要求，則將輪對信息和采集到的數據進行關聯，并將采集到的數據自動進行質量判斷。

對于手工檢測的工件，在工位上配置人機交互終端，配備手持終端（PDA），將檢測到的工件信息、人員信息等進行關聯，并自動對數據進行質量判斷。

對于定性質檢的數據，配置手持 PDA 拍照或掃描后上傳軸箱組裝線控制系統，記錄質檢結果。

4.2.1 軸箱體內孔測量、游隙測量工位

軸箱體內孔測量、游隙測量工位為人工作業工位，配置手持終端，操作人員在作業前掃描人員信息，對人員資質進行確認，之后掃描測量工具信息、被測工件信息，將測量人員、測量工具、被測工件進行信息綁定，形成追溯記錄。測量方案如圖 2 所示。

4.2.2 定位節點組裝等工位

定位節點組裝、鎖緊螺母組裝、軸端特殊螺栓組裝、軸箱體及傳感器組裝工位配置電動扭矩扳手及計算機輔助裝配系統。在組裝作業前，掃描輪對信息，計算機輔助裝配系統根據輪對信息自動調用擰緊策略；掃描人員信息，對人員資質進行把控。計算機輔助裝配系統對整個擰緊過程進行監控，形成鎖緊曲線，并將結果進行判定，將工件、人員、作業結果傳送至 MES 系統，形成追溯記錄。定位節點組裝工位配置方案如圖 3 所示。

圖1 系統總體方案框圖

圖2 測量方案框圖

圖3 定位節點組裝工位配置方案

4.2.3 軸箱體組成的物料緩存工位

軸箱體組成的物料緩存工位，接收 MES 系統下發的生產計劃。定位節點組裝等完成之后，根據生產計劃，將軸箱體組成的物料放到物料托盤內。物料進入托盤之前，對軸箱體、軸端附件等工件以及托盤進行掃描，將信息綁定并存放在物料間的緩存架上。上架之前，對物料托盤進行掃描，根據生產計劃將托盤存放至特定的位置。軸箱體組成的物料緩存方案如圖 4 所示。

圖4 軸箱體組成的物料緩存方案

4.2.4 軸徑清潔等工位

軸徑清潔、潤滑劑及防銹結合劑涂抹、密封膠涂抹工位為人工作業工位，配置手持終端。在作業前掃描人員信息，記錄人員的作業信息，并對人員資質進行確認。記錄作業人員信息后，掃描輪對信息，將人員信息和輪對信息進行綁定，形成追溯記錄。

4.2.5 軸徑測量工位

軸徑測量工位為自動測量工位，在自動軸徑測量機上配置 RFID 自動讀取裝置。工件上料后，自動讀取輪對的信息，并根據之前存儲在測量機系統中的輪對參數，調用適用于本輪對的測量方案，自動對軸徑進行測量。對測量的結果進行計算存儲，并通過與 MES 系統的接口，將測量結果上傳至 MES 系統中。軸徑測量工位配置如圖 5 所示。

4.2.6 軸承的選配

圖5 軸徑測量工位配置圖

MES 系統接收上層車間級控制系統的生產計劃，并與軸承存放系統進行通信。在 MES 系統接收到生產計劃后，將計劃進行組裝的輪對信息傳遞給軸承存放系統。軸承存放系統接收到信息后，自動按照生產順序將軸承傳送至軸承自動輸送裝置。

4.2.7 軸承自動壓裝工位

軸承自動壓裝工位為全自動壓裝工位，配置機械手與 2 臺全自動軸承壓裝機。MES 系統將生產信息通過與軸承壓裝機的接口傳遞至軸承壓裝系統，輪對進入壓裝機后，壓裝機自動讀取輪對的 RFID 信息，并根據之前存儲的參數，調用適用的壓裝參數。機械手將軸承從軸承自動輸送裝置抓取至壓裝機進行預組裝，并將軸承與輪對信息、壓裝數據等信息進行存儲，之后上傳至MES 系統中。軸承自動壓裝工位配置如圖 6 所示。

圖6 軸承自動壓裝工位配置圖

4.3 生產線狀態展示

實時顯示生產線各工位及設備狀態，包括人員信息、設備信息、質量信息、人員作業信息、生產完工信息等。在軸箱組裝線控制系統大屏幕上采用動畫形式顯示當前各工位作業狀態，顯示生產線上各個設備的工作狀態，實時顯示生產線范圍內輪對位置、序列號。在大屏幕上以圖形方式顯示目前每個工位的工作狀態、報警信息、安全互鎖信號、工件信息、質量信息、人員作業信息、生產完工信息等。

4.4 人員管理

作業人員通過員工打卡的方式登錄，軸箱組裝線控制系統從上層車間級控制系統中獲取人員的工號、姓名、資質等信息后，和工單中要求的人員資質進行比對，從而卡控人員資質。

控制系統對不同人員設定不同操作權限。

4.5 物料實時管理

軸箱組裝線生產計劃以輪對進度為準，當編制和下達輪對生產計劃時，可通過特定的方式實時查詢其余物料的狀態信息，判斷是否具備生產條件。

輪對組裝所需的物料全部到位后，下發輪對生產計劃，并且可以同時發布其余物料配送指令，其余物料按規定時間進行自動化配送。

若其余部分物料未準備到位，系統具備提醒功能，以廣播形式通知欠料工序進行及時備料。

物料配送信息具有自動發送和手動發送 2 種模式：自動發送模式下可設定提前發送時間，各組裝工位可根據作業特性單獨設置提前送料時間；手動發送模式下由員工在組裝工位通過終端發送要料信息。

物料信息管理的命名采用統一的規則，不同物料在不同工位之間能夠根據規則進行相互對應、查詢、匹配等。

組裝工位發送物料配送信息時，能夠以部件的編碼信息進行要料。

5 方案總結

根據以上工位詳細的方案制定，可以實現整個生產過程的監控、人員管理、設備狀態管理、物料管理、組裝線狀態的管理，并將整個軸箱組裝線的狀態進行實時顯示，對軸箱的裝配結果進行質量判定，形成完整的追溯記錄。

相信 MES 系統的應用，會為軌道交通行業帶來更加完善的管理、更加安全可靠的高速列車以及更加飛速發展的行業。