汽车电机可重组生产线过程监控及优化

    制造业的竞争和用户需求的快速变化使得汽车及其零部件行业的生产模式由多品种、小批量逐渐演变为多品种、变批量的生产模式，这种生产方式对制造系统及生产线提出了可重组性要求，可重组性意味着制造系统的组元可升级，组态可调整，可快速形成新的生产能力和生产功能。

    汽车电机生产线的控制系统是整个生产线正常运行的基础，从目前引进、研制并应用的汽车电机生产线控制系统看，多数采用集中式控制的自动化生产线方式，某企业引进价值100万美元的电机转子生产流水线，自动化程度高，生产节拍短，但是由于生产线刚性很大，调整困难而只能适应单品种、大批量的生产；另一类生产线的多数工序采用人工操作，导致生产效率不高，产品质量难以保证，上述方式都不能很好地适应汽车零配件市场激烈的竞争。

    针对汽车电机生产线的现状，笔者提出并研究设计基于组态原理的汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统，该系统基于组态原理进行系统设计规划，以配置研究设计的组态控制软件为核心，结合开发的车间作业任务调度模块，它可以依据生产现场快速转产的生产需要，由技术人员方便、灵活地重组成针对某一种特定电机的生产控制方式，并减少系统因重组造成的斜升时间，以满足生产线多品种、变批量的生产要求。

1 系统设计原理

    1．1 组态原理

    组态原理(Configuration Principle)是一种可根据对象的不同而适时改变自身物理或逻辑组织形态的原理，组态原理在计算机软件编制上早已出现并应用，基于组态原理的控制系统设计思想是以计算机软件为核心，结合相应的硬件设备构成，其中硬件的选择几乎覆盖目前生产线上各种可能出现的硬件设备，基于组态原理的控制方式是当前控制系统软件发展的主要方向之一，如国外的Labview，IFix和WinCC，国内的MGES和组态王等，都是典型的组态控制软件。

    基于组态原理的控制系统应用于汽车电机生产线，能实现根据市场变化对电机生产线设备及其加工辅助设备进行更替、调整以及扩充形成新的生产能力和生产功能，确定电机生产线上可调整的组元后，按一定的调整、优化策略实现组态控制，组态控制方式打破了传统的刚性／柔性生产线控制模式，可由用户自己定制特定的控制状态，调整组态和升级组元，极大地提高了系统的可重组性。

    1．2生产线控制系统总体结构

    本文采用组态原理的设计思想，提出并设计了汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统，其基本组成框图如图1所示。

    图1汽车电机可重组生产线控制系统基本组成框图

    汽车电机生产线过程监控及优化控制系统主要由两个部分组成：组态控制软件模块和车间作业计划调度模块。

    1．2．1组态控制软件模块

    系统可组态构建是电机可重组生产线控制系统的关键，用户按照不同型号汽车电机生产需求，通过该组态控制软件模块构建特定产品的专用控制系统，可进行组态调整的内容包括：系统设备选择、构件选择、加工参数选择以及采集数据选择，具体如下：

    (1)加工设备选择，汽车电机生产线的瓶颈工位为绕线工作，配置一台可移动绕线机(可共用)，可根据当前生产线生产节拍的要求，依照调度方案选择瓶颈工位加工设备的不同配置实现生产能力的改变。

    (2)构件选择，生产线可通过更换加工设备的加工构件实现生产功能的改变。

    (3)加工参数选择，针对不同型号的汽车电机传送不同的加工参数，如压力参数、绕线参数、检测参数、尺寸公差参数等。

    (4)采集数据的选择，生产线采集的大量数据要根据不同型号的汽车电机进行取舍和提取，为系统快速故障诊断提供依据。

    1．2．2车间作业计划调度模块

    车间作业计划调度决定了生产线在何时采用哪种构形生产何种产品，而控制系统是根据不同的生产产品来进行组态的，因此车间作业计划调度是生产线优化控制的一个重要环节，本系统的车间作业调度采用基于Petri网和遗传算法(Petri—GA)相结合的调度算法。

    根据系统重组方式的不同，重组费用计算分成两部分，一部分为可移动加工设备的使用造成的重组费用，另一部分为对于不同的加工工件，需要对可变结构机床进行构件替换造成的重组费用。

    设可移动加工资源的使用是在加工工序i发生，构件重组替换是在加工工序j发生。

    定义S为加工工序i的状态集，S={so，s1}，其中：s0表示加工工序i没有进行重组，s1表示工序i进行了重组，使用可移动加工资源同时加工，则工序i的重组费用函数定义为g：S×S-R，其中：R为非负实数集，表示重组费用值，相同状态问的转换费用为零。

    类似地，定义加工工序歹的状态集Q={q1，q2，?，qn}，可变结构机床进行重组替换后加工不同的工件定义为其处在不同的加工状态。

    定义重组费用函数为h：Q×Q—R，相同状态间转换费用为零，h(i，j)表示从qi状态到qj状态的转换费用。

    车间作业计划调度模块算法流程图如图2所示。

    图2 车间作业计划调度算法流程图

2系统结构设计

    2.1过程监控与优化控制的目标

    结合汽车电机生产的特点，可重组生产线目标为：该汽车电机转子生产线能够基于现有生产条件，通过转子加工设备自身变化以及加工设备间联系变化，实现根据车间作业计划的变化；通过车间控制系统快速调整电机生产过程和生产能力，实现稳定的产品质量和低的重构成本。

    2．2生产线控制系统的硬件结构

    生产线控制结构分三层(如图3所示)：现场设备层、车间监控层和计划管理层。

    现场设备层：主要功能是连接现场设备，如现场传感器、工位显示设备、加工设备、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连接控制，主站(PC、工控机或PLC)采用轮询方式进行总线通信管理及所有从站的通信。

    车间控制层：车间级监控用来完成车间主控制设备之间的连接，车间级监控网络采用工业以太网，这一级数据传输既要保证实时性又要保证能够传送大容量信息。

    计划管理层：主控计算机通过交换机与车间办公管理网连接，将汽车电机生产相关数据送到计划管理层，车间控制层作为工厂主网的一个子网，子网通过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂的管理层面。

    图3 生产线控制系统的硬件结构

    2．3生产线控制系统的软件结构

    组态控制软件模块是生产线控制系统的核心，它需要完成系统组态构建、数据库管理、硬件驱动、组态信息下达、生产过程分析等多种任务，并且以模块化设计思想进行计算机监控界面设计，组态控制软件的功能模块包括接口及驱动、系统组态、数据分析、监控报告以及其他功能。

3 系统实现

    同济大学现代制造技术研究所开发的汽车电机生产线控制系统已经在上海航天汽车机电股份有限公司的汽车电机生产线投入试运行，试运行生产的三种电机工艺路线区别如下：①由于电机转子头数不同，压轴、绕线和电枢检查三道工序的加工参数、检测参数以及机床部分可变构件不同；②其中的一种电机绝缘工艺采用浸漆，另外两种采用插槽绝缘。

    根据上述区别在系统组态控制时，选择模块主要集中在设备控制模块、加工参数模块、检测参数模块以及可变构件模块，以下是该系统对生产现场生产线优化控制及过程监控的主要部分。

    以某一时段的三种汽车电机生产为例，根据生产订单，充分利用压轴、绕线、校直等不同工位的可重组元素，以准时生产和重组费用最小为目标，进行车间作业计划调度，三种产品的加工时间及交货期见表1所示，其调度结果甘特图如图4所示，通过组态控制软件模块的动态数据交换接口将作业计划传送到控制系统，组态控制软件模块可根据不同产品将加工任务和加工组态信息同时下达到生产线加工设备上，调度算法在Windows XP环境下，采用VC++和SQL2000设计实现，目前，生产线可实现一天生产五种不同汽车电机，系统组态控制软件采用开放式结构，汽车电机不同的组态参数由组态控制系统的配方功能导入。

    图4 表1作业计划调度后甘特图

    表1各产品在相应设备的加工时间及交货期

    加工设备的控制器采用西门子S7—200、凌华工控机、松下PLC等，对某一时段的生产线进行实时监控和控制，结果如图5系统监控主页面所示，控制软件是在Windows XP环境下，采用基于组态王软件设计实现的。

    图5 系统监控主页面

4 结语

    为了实现对汽车电机生产线的可重组控制，笔者提出并研究设计了基于组态原理的生产线控制系统，该系统可以快速响应市场变化，根据不同型号电机的生产订单要求进行快速转产，方便地调整生产线的可重组构件，形成新的生产能力和生产功能，该系统已在工业现场实际运行，测试结果表明，该控制系统有效地提高了生产线对多品种、变批量产品生产的适应能力，提高了可重组性。