王 雅 君，王 德 權(quán)，賈 亮，李 佳 亮，孫 秋 花

(大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

汽車發(fā)動機檔案信息是記錄發(fā)動機裝配過程的物料信息和質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)。發(fā)動機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣化、生產(chǎn)過程的復雜化[1－3]，造成產(chǎn)品質(zhì)量信息和物料信息源頭多、數(shù)量大，相應的發(fā)動機檔案信息采集、跟蹤、統(tǒng)計和分析難度加大。現(xiàn)有的發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)大多是強調(diào)車間作業(yè)現(xiàn)場控制，收集并分析物流信息[4]，很少將物料信息和產(chǎn)品質(zhì)量信息集中統(tǒng)計分析，進行質(zhì)量控制。本文在MES下研發(fā)的發(fā)動機檔案管理信息系統(tǒng)(Engine Archives Management Information System based on MES，EAMIS＿MES)，實時采集發(fā)動機裝配和試驗過程中的物料信息和質(zhì)量信息，集中管理，并應用統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control，SPC)技術，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果用于產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品決策，同時可按照發(fā)動機型號追溯該批次產(chǎn)品裝配過程的所有信息，便于產(chǎn)品質(zhì)量及過程追溯。

1 企業(yè)需求分析

(1)物料追溯。當發(fā)動機產(chǎn)品出現(xiàn)用戶投訴時，根據(jù)訂單及發(fā)動機型號追溯這批產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息，如物料信息、操作工位、關鍵工藝參數(shù)等等。

(2)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制。在 MES環(huán)境下自動、實時采集生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)并自動進行統(tǒng)計分析，精確區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量隨機波動與異常變動，及時消除質(zhì)量隱患。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集是發(fā)動機生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、管理，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量追溯、監(jiān)控及管理。

(3)信息保存及傳遞。集中分析、分類管理發(fā)動機檔案信息，并將這些信息及時上傳至質(zhì)量保證系統(tǒng)(Quality Assurance System，QAS)，充分共享發(fā)動機檔案信息，提高系統(tǒng)工作效率。

根據(jù)以上需求，分析并設計基于MES的發(fā)動機檔案管理信息系統(tǒng)。

2 EAMIS＿MES體系結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)采用.NET的N層架構(gòu)的企業(yè)級開發(fā)方案[5－6]，結(jié)構(gòu)分為5層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of system

用戶界面UI層將請求發(fā)送給業(yè)務外觀層，業(yè)務外觀層管理系統(tǒng)內(nèi)部類的調(diào)用，并為表示層提供接口，對UI請求進行初步的處理，判斷是否調(diào)用業(yè)務規(guī)則層，還是直接調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層獲取數(shù)據(jù)。最后由數(shù)據(jù)訪問層訪問數(shù)據(jù)庫并把結(jié)果返回到UI層。

3 系統(tǒng)功能分析與設計

整個系統(tǒng)劃分為3個主功能模塊，主模塊下詳細劃分子模塊。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 EAMIS＿MES功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Function structure of EAMIS＿MES

3.1 發(fā)動機檔案數(shù)據(jù)采集

發(fā)動機生產(chǎn)主要經(jīng)過兩部分，一是發(fā)動機裝配過程所經(jīng)過的裝配線，二是要經(jīng)過的熱試線(熱試是指對裝配好的發(fā)動機進行測試)。數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式不同，采集方式也不同。

3.1.1 裝配線數(shù)據(jù)采集

企業(yè)大部分裝配過程由PLC控制實現(xiàn)，因此大部分質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)由MES系統(tǒng)與PLC實時通信進行采集。同時實時采集裝配過程中的物料數(shù)據(jù)。發(fā)動機在裝配過程中，經(jīng)過各個工位，加工的質(zhì)量數(shù)據(jù)從該工位的PLC中感應到該發(fā)動機所在托盤下的Moby中。裝配完成后，在下線工位從Moby中讀出，傳送到實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中。MES系統(tǒng)采集存儲的大量產(chǎn)品歷史信息和實時數(shù)據(jù)，為本系統(tǒng)提供了完整、實時、準確的數(shù)據(jù)基礎。采集數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 MES采集數(shù)據(jù)流程圖Fig.3 Flow chart of collecting data for MES

3.1.2 熱試線數(shù)據(jù)采集

熱試過程比裝配過程簡單，發(fā)動機熱試完成后以txt格式生成數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只需監(jiān)控這些文件并采集文本中的數(shù)據(jù)即可，不需要與控制熱試機床的PLC實時通信。采集流程如下：每個熱試工位配備熱試機床，發(fā)動機熱試后，熱試數(shù)據(jù)存儲到相應工控機的存儲位置中TXT文本(按預先定義格式生成數(shù)據(jù))；監(jiān)控該文件所在文件夾，每創(chuàng)建一個文件，就把TXT文件中的熱試結(jié)果按一定格式讀取到系統(tǒng)內(nèi)存臨時表，經(jīng)過處理后分別存儲到數(shù)據(jù)庫對應表中，讀取數(shù)據(jù)后把文件拷貝到備份文件夾中然后刪除，等待新的熱試文件創(chuàng)建。采集流程如圖4所示。

3.2 發(fā)動機檔案信息管理

3.2.1 功能簡介

圖4 采集熱試數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of collecting test data

該模塊主要包括質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢，查詢發(fā)動機指定工位合格質(zhì)量數(shù)據(jù)和不合格質(zhì)量數(shù)據(jù)；檔案信息管理，維護發(fā)動機的物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和測量范圍等檔案信息；裝機檔案查詢，查詢組件物料和物料數(shù)據(jù)；質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，通過分析統(tǒng)計產(chǎn)品質(zhì)量變動規(guī)律，進行質(zhì)量控制。本文重點介紹質(zhì)量數(shù)據(jù)分析子功能。

3.2.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

3.2.2.1 SPC理論

將發(fā)動機質(zhì)量控制提前到質(zhì)量問題還沒有發(fā)生時，這是質(zhì)量控制的最高目標。系統(tǒng)依據(jù)SPC理論，運用科學算法完成發(fā)動機質(zhì)量事前控制[7－9]?？刂茍D是SPC中一種有效的工具，它利用概率統(tǒng)計原理，對過程質(zhì)量特性值進行測定、記錄、評估、和監(jiān)察過程是否處于控制狀態(tài)。

該模塊主要采用5種質(zhì)量控制圖進行質(zhì)量監(jiān)控，分別是均值極差控制分析圖、均值標準差控制分析圖、基本趨勢圖、工序能力分析圖、直方圖。本文以均值極差控制圖為例介紹控制圖的應用情況。

3.2.2.2 均值極差控制圖繪制

均值極差控制圖可以同時控制質(zhì)量特性值的集中趨勢，即平均值的變化以及其離開中心控制線的趨勢，即極差的變化，它使用范圍廣，可提供多種質(zhì)量情報，靈敏度高。圖5是均值極差控制圖繪制流程。

3.2.2.3 均值極差控制圖算法

Step 1 選取子組容量m和子組個數(shù)p，計算子組均值和極差值R。子組容量m一般2～5個；子組個數(shù)p一般15～25個。

Step 2 計算p個子組的均值平均值，它將是圖的中心線，又稱過程平均。

圖5 控制圖生成流程圖Fig.5 Generating flow diagram of control chart

Step 3 計算p個子組的極差平均值，它將是R圖的中心線，又稱平均極差。

Step 5 計算R圖的上、下控制限。

(由于下限值最低為0，因此不能為負數(shù))

Step 7 計算過程控制能力指數(shù)，即在不存在異常因素的狀態(tài)下，整體數(shù)據(jù)的狀況。

過程標準差

過程能力指數(shù)

T為X所允許的最大與最小的數(shù)值之差，即T＝XUCL－XLCL。式(5)、(6)、(7)中A2、D4、d2為常數(shù)，可查常數(shù)表獲得。

如果沒有下限控制：

如果沒有上限控制：

依據(jù)表1確定過程能力，計算過程相關常數(shù)參照表2。

3.3 QAS上傳

QAS系統(tǒng)處理各種發(fā)動機檔案質(zhì)量數(shù)據(jù)時，需要大量的發(fā)動機檔案信息作為數(shù)據(jù)支持。本模塊上傳EAMIS＿MES中發(fā)動機檔案信息，以支持QAS的產(chǎn)品質(zhì)量考核和優(yōu)化、決策等工作。圖6是QAS上傳信息流圖。

表1 判斷標準Tab.1 Conversion table

表2 常數(shù)表Tab.2 Const table

檢測如果是最后一臺發(fā)動機，則數(shù)據(jù)庫主動向QAS上傳模塊發(fā)送通信信號，QAS上傳模塊接收到信號后首先從Sqlserver數(shù)據(jù)庫中查詢發(fā)動機檔案信息存儲到該計算機的DataTable內(nèi)存表中，然后連接QAS的Oracle數(shù)據(jù)庫，異構(gòu)數(shù)據(jù)庫連接成功后，把DataTable中的數(shù)據(jù)發(fā)送到Oracle數(shù)據(jù)庫的對應表。接收數(shù)據(jù)后Oracle數(shù)據(jù)庫反饋接收是否成功信號。

圖6 QAS上傳信息流圖Fig.6 Information flow chart of QAS uploading

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)車間現(xiàn)場設備情況，設計如圖7所示的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。裝配線上的工控機通過100M以太網(wǎng)卡與交換機連接，和本系統(tǒng)服務器實時通信。EAMIS＿MES集中管理發(fā)動機檔案信息，同時負責MES和QAS系統(tǒng)之間的信息交互，實現(xiàn)MES與QAS集成。

圖7 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig.7 Network Topology

5 系統(tǒng)典型應用

5.1 熱試數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)實時監(jiān)控6個工控機狀態(tài)并把狀態(tài)信息實時顯示在界面上(圖8)，進度條實時更新表明系統(tǒng)連接正常，實時自動采集熱試數(shù)據(jù)。如果自動采集失敗，可采取手動采集方式。

5.2 QAS上傳

可以查詢上傳狀態(tài)，也可以手動重新上傳未上傳的檔案信息。操作界面如圖9所示。

圖8 熱試數(shù)據(jù)采集代表界面Fig.8 Interface of collecting hot data

5.3 質(zhì)量數(shù)據(jù)分析——均值極差控制圖

該界面(圖10)用于展示均值極差圖信息，將常用控制圖匯總，左上部分為工序能力圖，左下部分為排列圖，右上部分為均值圖，右下部分為極差圖，底部為質(zhì)量數(shù)據(jù)和各質(zhì)量指數(shù)。

圖9 QAS上傳界面Fig.9 Interface of QAS uploading

圖10 均值極差控制圖界面Fig.10 Interface of X－Rcontrol chart

6 結(jié) 論

運用建模技術和.NET開發(fā)了適合發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)的EAMIS＿MES系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，企業(yè)生產(chǎn)管理者可以實時準確地獲得生產(chǎn)過程中各種物料和產(chǎn)品質(zhì)量的實際信息，并根據(jù)這些信息做出各種決策，從而有效地控制產(chǎn)品生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

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