批次掃碼在發(fā)動機裝配線智能化探索

周華英 李勁峰 劉 偉 盧昌文

（1． 義烏吉利動力總成有限公司，浙江 義烏 322003 ；2． 寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

1 物料采集對信息管理系統(tǒng)的重要性

在發(fā)動機裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)中，掃描槍是信息流數(shù)據(jù)收集者，在生產(chǎn)訂單BOM物料檢驗過程中確保投放物料品種的正確性，減少線邊庫存，優(yōu)化庫房管理，同時能提高精益生產(chǎn)水平。

目前，多種掃碼設(shè)備已經(jīng)集成于PLC硬件組態(tài)中，編程應(yīng)用淺顯易懂易懂，與各種類PLC的兼容可以完美集成，完成數(shù)據(jù)采集，該項技術(shù)已經(jīng)較成熟。數(shù)據(jù)采集結(jié)合OPC數(shù)據(jù)庫構(gòu)架意味著萬物互聯(lián)的信息時代到了，也促進了工業(yè)智能制造的發(fā)展。

車間制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展已有20多年，隨著企業(yè)信息化應(yīng)用水平的不斷提高，企業(yè)經(jīng)營層與制造執(zhí)行層的雙向交互的信息流是企業(yè)產(chǎn)線命脈，精準的信息流支撐提供了企業(yè)精益生產(chǎn)及價值流要素。要讓制造過程實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化，制造裝備必須高精度、高效且智能化，車間制造網(wǎng)絡(luò)化、智能化和設(shè)備層柔性化布局將成為未來我國裝配產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)智能制造、智能物流跨越發(fā)展的主要方向，也是21世紀制造技術(shù)的顯著特點。

該文根據(jù)發(fā)動機裝配產(chǎn)線工藝布局要求，以發(fā)動機裝配線的工藝流程為依據(jù)，組成了裝配線信息管理系統(tǒng)，其主要功能涵蓋生產(chǎn)計劃管理、產(chǎn)品信息管理、工藝管理、設(shè)備監(jiān)控、及物料追蹤、用戶管理以及系統(tǒng)維護等。在信息發(fā)布終端電腦或手機APP上，可以顯示計劃、產(chǎn)量、報警和通知等。掃碼讀碼作為裝配信息系統(tǒng)輸入端是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

裝配線PLC與機器人、擰緊控制器、掃碼槍和照相機等構(gòu)成設(shè)備層，將設(shè)備層數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)連接OPC與PLC進行交互，收集信息至AMS裝配管理控制系統(tǒng)。車間設(shè)備層數(shù)據(jù)信息傳輸至MES系統(tǒng)（車間制造執(zhí)行系統(tǒng)），在生產(chǎn)裝配結(jié)束前將物流正向追溯系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)采集，使質(zhì)量追溯成為可能，滿足質(zhì)量管理體系過程監(jiān)控要求；反向追溯時也能滿足汽車召回制度的要求。

2 裝配線掃碼硬件拓撲結(jié)構(gòu)

在整個MES系統(tǒng)中，條碼數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，利用條碼采集器（PDA/工控機）來采集現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列簡單處理，b并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳到數(shù)據(jù)庫。MES數(shù)據(jù)傳輸中采用Web Service，即基于網(wǎng)絡(luò)的一種服務(wù)，能夠使不同系統(tǒng)平臺上開發(fā)出來的程序相互通信，通過調(diào)用Web Service遠程的接口函數(shù)，可以調(diào)用函數(shù)返回值，在Server端編寫具備驗證上傳數(shù)據(jù)正確性功能的函數(shù)，保證數(shù)據(jù)的正確性。

以KEYENCE G100掃碼器為例的2種掃碼拓撲結(jié)構(gòu)如下。第一種由通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)的PLC、SR-LR1網(wǎng)絡(luò)連接模塊、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 使用SR-LR1網(wǎng)絡(luò)連接模塊讀碼方式

使用設(shè)備連接好之后，需要配置KEYENCE通信單元SRLR1設(shè)置，配置西門子S7-300系列硬件及編制傳輸掃碼數(shù)據(jù)的梯形圖組合實現(xiàn)。 第二種KEYENCE G100掃碼器掃碼方法由通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)的PLC 、研華HMI（WOP）、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 使用研華WOP人機界面讀碼方式

研華WOP（web panel operator）人機界面的設(shè)置如下：通過研華WOP人機界面，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)共享給PLC DB數(shù)據(jù)塊，省略了通信單元SR-LR1硬件和PLC掃碼編程，功能巧妙、直接且簡潔。

WOP人機應(yīng)用宏程序編制如下。

3.1 單件掃碼崗位的工藝流程

條碼追溯是一項系統(tǒng)工程，涉及操作流程、數(shù)據(jù)上傳以及系統(tǒng)信息管理等多項工作的整合，只有協(xié)調(diào)好各部件硬件、軟件性能才能實現(xiàn)功能，進而成為質(zhì)量追溯和生產(chǎn)管理的有效工具。手動掃碼安裝零部件工作流程見表1。

表1 手動安裝工位PLC與AMS交互表

在發(fā)動機裝配線來件掃碼物料號后驗證操作者可進行相關(guān)安裝操作，有些工位需要掃碼安裝多個零件，因為掃碼零件是浪費時間的步驟，有待減少或盡量少花時間。每單件掃碼操作是人工安裝零部件前必須的操作步驟，一般一條發(fā)動機裝配線有幾十至上百個掃描崗。一崗位一槍掃碼，每個掃描動作大約2s以上，包括拿槍和放槍、讀碼識別，掃碼后等待數(shù)據(jù)互換（數(shù)據(jù)庫驗證），約200 ms～1 s，合格后才許可生產(chǎn)安裝，掃碼操作和驗證物料對操作者來講不增值，屬于等待浪費。

3.2 批次掃碼發(fā)明原理

根據(jù)上述現(xiàn)象看問題本質(zhì)，主要矛盾是想消弱運動物體作用時間和減少時間損失，需要改善的參數(shù)是提高自動化程度和提高生產(chǎn)率，運用阿奇舒勒科學(xué)發(fā)明原理分析研究問題，見表2。對崗位掃碼操作實際上是要減少掃碼運動操作作用時間，減少不增值的時間損失，通過分析可以總結(jié)出如下方法：通過預(yù)先作用原理、中介原理的周期性作用，將物料碼數(shù)據(jù)用將可變場代替恒定場；用隨時間變化的場代替定時（讀碼操作視為數(shù)據(jù)存儲的轉(zhuǎn)場）；用有組織結(jié)構(gòu)的場代替隨機場，可使批次掃碼提高自動化并提高效率，見表3。

表2 阿奇舒勒矛盾矩陣表

表3 阿奇舒勒矛盾矩陣表對應(yīng)的措施表阿奇舒勒矛盾矩陣表對應(yīng)的研究措施

3.3 批次掃碼工序步驟

優(yōu)化掃碼由單次升級批次掃碼，設(shè)計批次掃碼的具體措施如下。

識別需要掃碼的首件。首件掃碼后數(shù)據(jù)存入寄存器做中繼DB數(shù)據(jù)塊（SIENMENS-PLC-DB數(shù)據(jù)塊，后面簡稱DB）中啟中介使用、預(yù)先作用準備掃碼數(shù)據(jù)，下次來件自動將中介存儲的（中繼）轉(zhuǎn)發(fā)AMS數(shù)據(jù)庫，驗證物料，繼續(xù)生產(chǎn)。對如何實現(xiàn)中介（中繼），中繼數(shù)據(jù)什么時候清零，什么時候更新數(shù)據(jù)，什么時候（隨節(jié)拍或托盤進料）周期性轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，需要編程約定。

對通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)的PLC（SIENMENS）、SR-LR1網(wǎng)絡(luò)連接模塊、以太網(wǎng)集線器和手持掃碼槍4個部分構(gòu)成的設(shè)備層，中繼DB在PLC程序內(nèi)產(chǎn)生，再存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

同樣地，通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)由PLC、研華HMI（WOP）、以太網(wǎng)集線器、手持掃碼槍4個部分構(gòu)成的設(shè)備層，需要改變HMI（WOP）中宏程序腳本接口地址，做中繼DB數(shù)據(jù)使用。

批次掃碼來件物料碼取碼。在首件物料手動掃碼后，將物料碼數(shù)據(jù)保存在PLC（SIEMENS）DB塊中做寄存器中繼儲存轉(zhuǎn)存使用，當(dāng)下次托盤到位，Tag讀取發(fā)動機號碼完成后，PLC程序自動將寄存器中數(shù)據(jù)上傳AMS，驗證合格后下發(fā)生產(chǎn)許可。不用手動拿掃描槍、移動掃碼并等待AMS數(shù)據(jù)庫驗證，放回掃描槍至定置處。

有3種首件必須做手動掃碼記錄物料碼數(shù)值的情況，1）開線首件。2） 物料箱物料無混料前提，物料箱有移動必將觸發(fā)檢測，就是換料箱首件。3） 當(dāng)發(fā)動機ID訂單發(fā)生變化時，需要重新掃碼。首件重新掃碼，清空中繼存儲區(qū)，再記錄物料碼數(shù)值，是掃碼采集系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)的過程。

3.4 批次掃碼預(yù)期效益分析

手動掃碼槍做MES數(shù)據(jù)采集，只作為零部件組裝的物料掃碼設(shè)備，主要用于SAP扣單。AMS數(shù)據(jù)庫保存一個物料號，追溯時按照時間搜索，模糊定位，不適合發(fā)動機混裝線。

而自動相機讀碼的自動化程度較高，因產(chǎn)品需要從生產(chǎn)線上高速流過，人工掃描跟不上生產(chǎn)節(jié)拍，多采用固定式工業(yè)條碼閱讀器（讀取器、掃描器）輔助機器人搬運，再由機器自動安裝。但一套掃描設(shè)備少則上萬元，多則十幾萬，價格昂貴。

該文的優(yōu)化批次掃描方法對整線來說，每件安裝節(jié)省2s～3s掃碼時間（拿/放掃描槍和手動掃碼對焦操作）；同工序如果有多物料掃碼，2件或3件手動掃碼，則節(jié)省4s～6s或6s～9s的節(jié)拍時間。減輕了工序負荷率，改善了操作者體驗。可提高車間生產(chǎn)安排有序性、合理性，降低物料成本，提高庫存資金周轉(zhuǎn)率，細化質(zhì)量管理，降低客訴率。

4 數(shù)據(jù)接口及規(guī)范

上述2種掃描讀碼方法均通過OPC在工業(yè)控制設(shè)備層與應(yīng)用軟件之間建立了統(tǒng)一的軟件接口標(biāo)準，解決數(shù)據(jù)上傳和交互問題。只要客戶應(yīng)用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。利用OPC技術(shù)可以實現(xiàn)多種現(xiàn)場設(shè)備與OPC服務(wù)器。向下對設(shè)備數(shù)據(jù)進行采集，向上與OPC客戶應(yīng)用程序通信完成數(shù)據(jù)保存及生產(chǎn)相關(guān)信息交換。

由單件掃碼改良成批次掃碼，涉及AMS數(shù)據(jù)庫相關(guān)不做改變，僅在PLC做了上一次讀碼存儲，下件來料后再重發(fā)存儲數(shù)據(jù)，在BOM驗證后直接生產(chǎn)操作，節(jié)省了人工多次掃碼步驟，但OPC構(gòu)架依然有效運行，不受影響。

5 掃碼智能化未來展望

該文批次掃碼的應(yīng)用是裝配車間智能化、產(chǎn)線節(jié)拍敏捷度改善的產(chǎn)物，有助于裝配車間解放勞動力并提高效率。掃碼作為設(shè)備層的重要輸入手段之一，手動讀碼因前期簡單、操作方便被廣泛使用，但隨著成本優(yōu)化的需要，效率低下和人力成本高的手動方式將會逐漸減少使用。

未來是大數(shù)據(jù)化時代，網(wǎng)絡(luò)上的傳感器都是輸入端，輸入設(shè)備的智能化取決于硬件和軟件的智能AI的學(xué)習(xí)能力強弱（或優(yōu)良的程序算法）。未來將模糊設(shè)備層概念，會產(chǎn)生高工業(yè)等級的、功能更強大且處理能力更強的智能讀碼產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集檢測和轉(zhuǎn)場傳輸將更快捷、高效。智能讀碼裝置是裝配線應(yīng)用發(fā)展的未來趨勢，掃碼設(shè)備如何高效、低成本地服務(wù)于智能制造，只有充分利用創(chuàng)新工具，多做改進改善，立足于解決現(xiàn)場實際問題，才能真正發(fā)揮智能創(chuàng)新的優(yōu)勢。