葉水珍，賀 剛

(1．上海大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805)

(2．深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518000)

1 概述

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)涉及到的關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)有螺栓擰緊數(shù)據(jù)、裝配過(guò)程條碼號(hào)、密封測(cè)試數(shù)據(jù)等，分別描述如下。

a．螺栓擰緊數(shù)據(jù)。

根據(jù)螺栓對(duì)汽車(chē)緊固的重要性，將螺栓裝配分為3級(jí)。

A級(jí):安全等級(jí)，即會(huì)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)的級(jí)別。

B級(jí):質(zhì)量等級(jí)，即有可能影響汽車(chē)的使用和功能。

C級(jí):客戶(hù)定義等級(jí)，即會(huì)對(duì)汽車(chē)局部產(chǎn)生影響，但是不會(huì)影響汽車(chē)的正常使用。

當(dāng)螺栓在擰緊完成后如果沒(méi)有達(dá)到需要的扭矩和角度時(shí)，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不斷的載荷變化將可能導(dǎo)致螺栓松動(dòng)或脫落，進(jìn)而可能危急生命。因此在工藝實(shí)施過(guò)程中，對(duì)緊固件尤其是A級(jí)、B級(jí)精度要求的緊固螺栓的緊固狀況提出了嚴(yán)格要求。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工藝水平和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)安全要求的提高，要求對(duì)裝配線(xiàn)主軸承蓋、連桿、缸蓋等重要螺栓擰緊數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和追溯，保障螺栓擰緊過(guò)程的安全性。

b．關(guān)鍵零部件信息。

在發(fā)動(dòng)機(jī)體系中，缸體、曲軸、凸輪軸、缸蓋等關(guān)鍵零部件決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量，一旦這類(lèi)零部件有缺陷，輕則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能損失，重則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的逐步精細(xì)化，更多的關(guān)鍵零部件上打印了二維碼，使零件具有了唯一的身份號(hào)碼。將零件安裝情況與發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)互相關(guān)聯(lián)起來(lái)，是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)數(shù)據(jù)采集必須具備的功能。

c．密封測(cè)試數(shù)據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)水道和油道的密封性是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要質(zhì)量指標(biāo)。油道密封性能不佳，輕則導(dǎo)致機(jī)油消耗過(guò)多，重則導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)工作不良，防銹性能下降，直至發(fā)動(dòng)機(jī)咬死。水道密封性能不佳，輕則導(dǎo)致冷卻水、防凍液泄漏，重則導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)工作不良，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱不暢。

對(duì)上述的螺栓擰緊數(shù)據(jù)、關(guān)鍵零部件條碼信息、密封測(cè)試數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、工位號(hào)、零件名稱(chēng)進(jìn)行捆綁，再加上時(shí)間標(biāo)簽，組成完整的數(shù)據(jù)流，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程建立完整的檔案庫(kù)，不僅便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，提高產(chǎn)品質(zhì)量，也可用于事后的數(shù)據(jù)追溯，便于質(zhì)量控制。

如何對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝過(guò)程中數(shù)據(jù)采集和追溯系統(tǒng)的定位、采集范圍、相關(guān)功能及數(shù)據(jù)管理方法進(jìn)行綜合分析，建立起合理、適用的數(shù)據(jù)采集追溯系統(tǒng)架構(gòu)，是本文研究的重點(diǎn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a．螺栓擰緊數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的合格率，關(guān)鍵工位都配備了高精度電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)，通過(guò)內(nèi)置的螺栓擰緊控制程序?qū)崿F(xiàn)螺栓自動(dòng)擰緊。螺栓擰緊機(jī)可以提供兩種用于數(shù)據(jù)通訊的接口，分別是用于在線(xiàn)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口和用于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)接口［1］。由于數(shù)據(jù)采集的可靠性要求，采用兩種通訊接口并行的方式，一方面數(shù)據(jù)采集軟件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與擰緊機(jī)控制器實(shí)時(shí)通訊，獲取當(dāng)前擰緊數(shù)據(jù)，保證時(shí)間標(biāo)簽的實(shí)時(shí)性;另一方面通過(guò)以太網(wǎng)接口獲取具備斷點(diǎn)續(xù)傳能力的擰緊過(guò)程數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證無(wú)誤后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。有任意一組數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)異常時(shí)，將另一組正常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。如兩組數(shù)據(jù)采集全部異常，則系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集異常報(bào)警并作對(duì)應(yīng)的停機(jī)處理。

b．關(guān)鍵零部件信息數(shù)據(jù)采集。

二維碼數(shù)據(jù)通過(guò)二維碼掃描器掃描零件二維碼，傳輸?shù)焦の还た貦C(jī)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

c．密封測(cè)試數(shù)據(jù)采集。

密封測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自于測(cè)試工位上的在線(xiàn)式密封測(cè)試儀，根據(jù)密封測(cè)試儀提供的RS232接口或PROFIBUS－DP接口，結(jié)合裝配線(xiàn)輸送控制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)密封測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

d．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)與裝配線(xiàn)輸送控制過(guò)程聯(lián)動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)輸送控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求由若干個(gè)獨(dú)立控制的PLC系統(tǒng)構(gòu)成，PLC系統(tǒng)之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)聯(lián)動(dòng)和相關(guān)聯(lián)鎖［2］。為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性，通過(guò)將數(shù)據(jù)采集軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)輸送控制系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)某工位出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不正常時(shí)，可以控制該工位的PLC進(jìn)行報(bào)警提示，并根據(jù)工藝要求停止放行。

e．網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集追溯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，依賴(lài)于穩(wěn)定可靠和高速的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。裝配線(xiàn)輸送控制系統(tǒng)、工位操作工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢(xún)客戶(hù)端等諸多設(shè)備都集中在裝配線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，一旦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，后果非常嚴(yán)重。本系統(tǒng)采用了以下措施保證網(wǎng)絡(luò)安全:

(1)網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，光纖設(shè)計(jì)提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗干擾能力，環(huán)網(wǎng)則構(gòu)成了冗余的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一旦某一鏈路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另外一個(gè)鏈路，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。

(2)光纖主干數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1 000M，避免了數(shù)據(jù)傳輸中的堵塞和數(shù)據(jù)丟失。

(3)系統(tǒng)采用具備網(wǎng)絡(luò)管理能力的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，具備網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)診斷和自動(dòng)恢復(fù)管理能力。

(4)本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)通訊heart－beat同步軟件，實(shí)時(shí)管理所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)某網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)異常，及時(shí)報(bào)警。

f．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)采取了本地存儲(chǔ)和服務(wù)器存儲(chǔ)相結(jié)合的方式，螺栓擰緊數(shù)據(jù)和密封測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，只有在數(shù)據(jù)被可靠存儲(chǔ)于服務(wù)器中后，緩沖數(shù)據(jù)方可清除;關(guān)鍵零部件二維碼存儲(chǔ)于本地工位工控機(jī)中，采用二級(jí)緩存和斷點(diǎn)續(xù)傳機(jī)制，只有在數(shù)據(jù)被可靠存儲(chǔ)于服務(wù)器中后，本地?cái)?shù)據(jù)方可清除。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備方案，兩服務(wù)器之間通過(guò)內(nèi)部同步網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)主服務(wù)器出現(xiàn)異常，熱備服務(wù)器馬上切換為主服務(wù)器，全面接管數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)。

g．現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)機(jī)和查詢(xún)客戶(hù)端。

數(shù)據(jù)檢索和追溯功能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)機(jī)和客戶(hù)端來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2．2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

a．設(shè)備層與采集層軟件。

裝配線(xiàn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和追溯的智能生產(chǎn)設(shè)備包括螺栓擰緊機(jī)、密封測(cè)試儀、二維碼掃描器、MOBY等。(1)擰緊工位采集數(shù)據(jù):工位號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)序列號(hào)、擰緊槍號(hào)、螺栓號(hào)、最終扭矩和轉(zhuǎn)角、合格/不合格、時(shí)間等。根據(jù)需要可以采集螺栓擰緊曲線(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

(2)密封測(cè)試工位采集數(shù)據(jù):工位號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)序列號(hào)、水道泄漏量、油道泄漏量、合格/不合格、時(shí)間等。

(3)關(guān)鍵零部件條碼工位采集數(shù)據(jù):工位號(hào)、安裝時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、部件號(hào)等。

采集層軟件包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和工位異常處理平臺(tái)兩套后臺(tái)軟件，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)包含了所有工位的數(shù)據(jù)采集功能，由通訊接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、本地存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)緩沖管理模塊和數(shù)據(jù)集中管理模塊組成，分別加載到現(xiàn)場(chǎng)條碼操作站和數(shù)據(jù)采集站中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、采集異常報(bào)警，并提供與數(shù)據(jù)層軟件的接口。工位異常處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)和裝配線(xiàn)控制系統(tǒng)的交互，實(shí)現(xiàn)采集異常的放行控制。

b．?dāng)?shù)據(jù)層軟件。

數(shù)據(jù)層軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。軟件通過(guò)基于IIS的Web Service數(shù)據(jù)管理服務(wù)建立起和底層數(shù)據(jù)采集軟件及SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)之間的橋梁，保證數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、存儲(chǔ)異常的重發(fā)、系統(tǒng)看門(mén)狗等功能［3］。數(shù)據(jù)層軟件保證實(shí)現(xiàn)每天24h連續(xù)生產(chǎn)、1200臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)/天，15年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和追溯。如圖3所示。

c．用戶(hù)層軟件。

圖3 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

用戶(hù)層軟件實(shí)現(xiàn)各種用戶(hù)操作管理功能，包括按照發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、時(shí)間、工位等的發(fā)動(dòng)機(jī)整體信息查詢(xún)和獨(dú)立信息查詢(xún)，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和報(bào)警處理功能。

3 查詢(xún)管理軟件功能

3．1 基本數(shù)據(jù)查詢(xún)

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)功能按照數(shù)據(jù)性質(zhì)可分為條碼數(shù)據(jù)、擰緊數(shù)據(jù)和密封測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)在一段時(shí)間段內(nèi)工位生產(chǎn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)，有利于判斷該工位的生產(chǎn)狀況和缺陷情況。查詢(xún)結(jié)果可以導(dǎo)出為PDF和EXCEL格式供用戶(hù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。功能示例如圖4～6所示。

圖4 缸體數(shù)據(jù)查詢(xún)

圖5 螺栓擰緊數(shù)據(jù)查詢(xún)

圖6 條碼數(shù)據(jù)查詢(xún)

系統(tǒng)還可提供以發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)為參考點(diǎn)的綜合數(shù)據(jù)查詢(xún)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)的最終產(chǎn)品是發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有唯一的發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)。系統(tǒng)提供的針對(duì)某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合信息查詢(xún)，將該發(fā)動(dòng)機(jī)從上線(xiàn)到下線(xiàn)所有工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)工序順序集中查詢(xún)出來(lái)，有利于追溯該發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于分析發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷作用非常明顯。如圖7所示。

圖7 綜合數(shù)據(jù)查詢(xún)

3．2 工藝質(zhì)量分析查詢(xún)

裝配線(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目的之一，就是根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程工藝質(zhì)量的評(píng)估和優(yōu)化。隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，工藝質(zhì)量管理人員需要通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，從而掌握當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)，并以此為參考逐步改進(jìn)生產(chǎn)流程，提高工藝質(zhì)量能力。

工藝質(zhì)量分析查詢(xún)功能，包括螺栓擰緊數(shù)據(jù)CP、CPK分析查詢(xún)，密封測(cè)試數(shù)據(jù)合格率分析查詢(xún)，螺栓擰緊數(shù)據(jù)合格率分析查詢(xún)，過(guò)程數(shù)據(jù)完整率查詢(xún)和數(shù)據(jù)不完整查詢(xún)，功能示例如圖8，9所示。

圖8 螺栓擰緊數(shù)據(jù)CPK分布

圖9 數(shù)據(jù)完整率查詢(xún)

4 架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用總結(jié)［4］

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，完整的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)生產(chǎn)工序多達(dá)100多個(gè)。每天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)量多達(dá)1200～1500臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)數(shù)據(jù)采集追溯系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足的基本條件如下:

a．分散和并行的數(shù)據(jù)采集模式。

由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)眾多，采集類(lèi)型豐富，采集接口差異很大，在采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡量采用就近采集模式，某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集異常不會(huì)影響其他采集節(jié)點(diǎn)的正常工作。采用并行進(jìn)程管理機(jī)制，使數(shù)據(jù)采集過(guò)程具有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)簽，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

b．本地?cái)?shù)據(jù)緩沖機(jī)制。

本地采集的數(shù)據(jù)采用本地緩沖，避免由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸異常或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。針對(duì)不可解析數(shù)據(jù)，采用先存儲(chǔ)，再分析的原則，保證原始采集數(shù)據(jù)的完整性。

c．集中式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和重發(fā)機(jī)制。

并行的數(shù)據(jù)采集軟件與安裝在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，統(tǒng)一管理采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列排隊(duì)處理，依次存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)異常，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于臨時(shí)緩沖區(qū)中，等待數(shù)據(jù)存儲(chǔ)恢復(fù)后再次開(kāi)始存儲(chǔ)，保證存儲(chǔ)的可靠性。

d．完善的錯(cuò)誤陷阱和異常處理機(jī)制。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)由眾多設(shè)備組成，生產(chǎn)數(shù)據(jù)都來(lái)自于生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。任何設(shè)備的異常，都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的異常甚至數(shù)據(jù)采集的失效。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要建立針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的異常處理機(jī)制，具備看門(mén)狗功能和自恢復(fù)功能，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備一定的魯棒性。

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