基于物联网的发动机装配过程信息感知交互系统应用研究

马永敬，葛茂根，凌　琳

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥　230009)



基于物联网的发动机装配过程信息感知交互系统应用研究

马永敬，葛茂根，凌琳

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009)

摘要：针对发动机装配过程信息采集与控制问题，在分析了目前装配制造企业生产过程管理信息化存在问题的基础上，结合物联网技术在装配制造业的应用，提出了一种物联网环境下的发动机装配过程信息感知交互框架。以该框架为基础，设计了发动机装配过程信息感知交互系统，包括感知交互系统软件架构、感知交互系统整体运行流程分析。最后，以某发动机装配过程为例，通过对发动机装配过程进行数据采集和装配过程监测与控制，验证该信息感知交互系统的实用性和有效性。

关键词：物联网；装配过程；信息感知；感知交互系统

0引言

随着单一品种生产模式向小批量多品种生产方式发展，企业对装配过程进行有效的管理和控制是提高产品质量、增强企业竞争力的重要途径[1]。基于物联网技术[2-4]的发展以及在制造业中的应用，发动机装配过程正向着透明化、智能化装配方向发展。随着制造执行系统的发展，尤其是RFID技术[5]、传感器技术[6]、数据挖掘技术[7]、云制造[8]、传感网络技术和微电子技术的发展与应用，使得对发动机装配过程的实时监控成为可能。

然而，通过近年来对一些发动机装配企业的调研，以及在实施过程监测与控制方法和项目的实践中发现，以往的装配过程监测与控制方法与策略面临如下的需求与挑战:

(1)装配过程多源异构信息感知手段落后、信息采集滞后

发动机装配工艺复杂，装配规模日益扩大，装配过程变得复杂多变。装配过程中设备产生大量的生产数据且数据格式、通信协议不尽相同，导致装配过程信息呈现多源异构且海量的特征。但目前很多企业装配过程信息感知手段落后，人工干预现象普遍，缺乏对装配过程实时信息的自动识别和感知的系统解决方案，导致多源信息的采集时存在滞后、数据缺失或不准确等现象。

(2)装配过程精确及时监控和主动感知

在实际的装配过程中，由于缺乏对不确定因素(如计划变更、装配时间波动、机器故障等)的准确及时的放映和对多源异构信息的主动感知，且缺乏装配过程原始数据和装配过程监控环节的映射关系的融合模型，使装配过程难以做到准确及时的监控[9]。

(3)装配过程信息交互及时与信息共享

装配过程由于设备种类和数量众多，若没有统一的信息交互方式和交互标准，装配过程数据采集和监控就会非常困难，各个设备之间由于缺乏信息交互，造成装配各个环节形成一个个信息孤岛，装配系统各模块无法协同作业，降低整个装配系统效率。

因此，本文面向发动机装配过程，应用物联网技术，构建发动机装配过程信息感知交互框架，并以该框架为基础，设计发动机装配过程信息感知交互系统，介绍了感知交互系统的软件架构、硬件架构和系统运行业务流程。通过感知交互系统的应用，以提升发动机装配过程透明性、防错性、敏捷性，实现对装配过程全方位监控、分析、优化和控制，确保发动机装配过程高效运行。

1基于物联网技术的发动机装配过程信息感

知交互框架

在发动机装配过程中，由于装配过程涉及到的装配信息存在多源异构性，如操作工、在制品和物料等的状态信息和移动信息，产品加工的状态信息、设备的状态信息等，因此传统的信息采集系统已经不适用于现代物联网环境下的发动机装配过程。本文结合物联网技术在制造装配业的应用，以物联网技术为背景，构建了物联网环境下的发动机装配过程信息感知交互框架，如图1所示。

图1　基于物联网技术的信息感知交互框架

该框架主要有感知装配层、网络层、信息融合层、数据采集层、上层应用层和数据服务中心六部分组成。其中，感知装配层主要是面向物理制造资源层，针对要采集的多源装配信息，通过各类系想你感知元件，确保对装配数据的准确获取；网络层主要是配置装配过程的网络环境，确保底层感知到的信息能够实时、准确、可靠地传输；信息融合层主要是在获取装配信息的基础上，对装配信息进行特征提取，进行数据解析，将多源数据转化成可被数据采集层利用的标准装配信息；数据采集层主要是面向不同的装配企业用户，从利用装配现场的采集的多源信息实现制造执行过程的优化管理的角度，通过提供可视化管理、装配资源实时监控、装配在线质量监控、生产任务动态调度、物料优化配送以及其它应用服务等，实现物联网环境下装配过程的信息透明、过程实时感知和动态优化管理；上层应用层只要是针对企业的上层应用系统，通过与上层应用系统交互，实现装配过程与上层应用系统的连通，利于企业对整个装配过程的透明化管理；数据服务中心主要是从数据、信息和知识的层面为物联网环境下信息感知交互系统运行提供随时用到的信息服务，主要包括制造资源信息、感知件的配置信息、企业的生产数据模型、实时数据整合、生产管理知识库、实时的数据和信息等。

2物联网环境下的信息感知交互系统设计

本节依据文章中提出的信息感知交互框架设计了一个信息感知交互系统，应用文章提出的信息感知交互系统对发动机装配过程的生产信息进行实时采集，对装配过程各系统之间、各设备之间进行信息交互，对装配过程进行可视化监测与控制。

2.1信息感知交互系统特点

装配感知交互系统的主要功能包括数据采集、质量统计分析和装配过程可视化监控，系统的在满足企业装配需求的同时还应具有以下几个功能特点：

(1)安全性

系统应该支持基于角色的用户验证、用户管理等安全策略。

(2)可靠性

系统应该支持不间断运行，使用集群等冗余技术，对服务器可进行双机热备份。系统应该考虑装配过程的各种异常因素，并对异常因素提供相应的异常防范措施。

(3)可扩展性

可扩展性是指系统新增加功能的能力，扩展性越好，系统的通用性也就越强，可以随着系统功能需求的扩展而扩展。另外，系统在设计时还应考虑与其它系统的集成，便于与其它系统的交互，满足新功能的需求。

(4)实时性

实时性是过程数据采集的显著特征，系统能实时计算，对装配过程数据做出迅速反应，实时获取装配感知系统感知的生产装配数据，并对感知数据进行实时的分析处理。

(5)简易性

简易性是指在实现系统功能的前提下，将尽可能使系统简便快捷，界面美工，突出重点。

2.2信息感知交互系统软件架构

如图2所示构建了系统运行的软件架构，主要包括装配过程实时监控、关键信息处理模块、装配车间应用模块、基础信息接口、企业信息系统、数据处理中心和数据发布中心。

(1)企业信息系统主要是企业的各种应用服务系统，实现对企业的辅助管理，如ERp制定企业的生产计划、SCM管理企业供应链及物料、CApp辅助制定零件机械加工工艺过程等等。

(2)基础信息接口主要是将企业中的服务信息按照一定的格式接入感知系统，实现服务层与车间应用层的无缝衔接，如接入生产计划、物料清单信息、工艺信息等。

(3)装配车间应用模块是感知系统运行的支撑，完成工厂建模、生产计划管理、当日库管理、物料监控配置、物料呼叫配置、历史信息统计分析等等功能，为实现动态准时制的物料配送提供了基础数据。

(4)关键信息处理模块是实现感知系统功能的实际执行，包括装配过程可视化监控和物料配送。装配过程可视化监控主要完成装配队列跟踪、在制品定位、物料消耗、线边库监控、生产计划监控等功能；物料配送主要完成打印拣货单、装载物料及审核出库等功能。

(5)装配过程实时监控室通过各种软硬件实现实时的对装配线的各种数据感知与处理，并将处理后的数据传送至执行层。主要包括pLC、RFID、TAG、二维码、扫描枪等感知元件，感知系统结合先进硬件实现对产品混流装配过程的实时准确控制，并能实现混流装配线的动态准时制物料配送。

(6)数据处理中心主要是完成对于装配过程实时数据、历史数据的整理，保证系统运行高速、安全、可靠。数据处理中心构建了实时数据库和历史数据库，实时数据库用于混流装配过程、物料配送过程等实时信息的处理；历史数据库提供对系统运行的历史数据统计分析、数据发布及报表输出等。

(7)数据发布中心主要是将感知系统收集和处理后的数据远程发布，实现远程检索分析装配车间各种实时和历史信息，并具有统计分析与报表输出等功能。

2.3信息感知交互系统运行流程

感知系统整体运行流程共分为六部分，如图3所示。

(1)是基础数据建模，主要包括装配资源信息分类、关联信息建立以及各功能模块的配置关系的构建，基础数据建模用于构建感知系统的运行环境，该部分考虑工厂的实际需求以及后续可能的需求变动，提供了多样化的配置功能，具有良好的扩展性和灵活性。其中，装配资源信息主要是对工厂基本的数据信息进行建立，为系统提供最基本的数据来源；关联信息建立模块主要是对离散的装配资源信息进行整合，使分散的装配资源信息之间建立联系，使装配资源信息形成完整规范的信息脉络；模块配置关系主要是针对系统的各功能模块建立相互之间的配置关系，通过装配资源信息之间的相互配置形成系统的各功能模块。

图2　信息感知交互系统软件架构

图3　信息感知交互系统运行流程

(2)是计划管理与排程部分，主要包括订单制定与接收和装配计划下载，计划是生产的起点，用于拉动整个装配生产过程。其中，订单可以由系统制定，也可以与上层ERp系统进行交互，从ERp系统中获取要生产的计划信息；计划下载是将制定好的计划下载到区域pLC中，当出现紧急插单或是订单中止时，提取pLC中的剩余计划，根据pLC中剩余的计划和新的计划进行重新编排，然后将重新编排的计划再次下载至区域pLC中，以此来指导生产过程的装配。

(3)是产品上线，产品上线工位是装配现场的开始，也为后续工位提供过程基本数据，是后续工位工作的基础，因此上线工位是整个装配过程的核心工位。产品上线成功后，区域pLC给出产品上线成功信息号，系统会根据此信息号进行相应的过程数据初始化处理和订单状态以及订单数量的处理，产品放行后进行后续的处理。当产品上线成功放行后，要与ERp进行交互，将产品上线的信息及时反馈给上层ERp系统，以便企业管理人员及时掌握现场计划的执行情况。

(4)是过程数据采集与控制，主要对装配过程数据进行全面及时地采集，对装配过程异常数据进行控制与分析，保证装配过程顺利进行。过程数据采集与控制通过数据采集终端与装配现场底层设备进行实时的信息交互，将底层的装配数据实时地采集到系统服务器供装配过程监控使用。

(5)是生产过程可视化监控，该部分主要是对装配过程进行全面的监控，生产过程可视化监控可以实时地对装配过程的各个部分的实时状态进行监控，让车间和企业管理人员可以实时掌握装配现场的实时动态信息，对装配过程的异常情况可以做到及时发现、及时解决。

(6)是产品谱系追溯管理，通过对装配过程数据的存储与管理，形成装配数据档案，产品谱系追溯可以对装配数据进行查询、统计与分析，为企业决策与预测提供参考。

3信息感知交互系统应用

根据上述感知交互系统设计，构建了基于物联网的装配过程感知交互系统。该系统已经应用于江淮汽车某发动机的实际装配当中，并且取得了很好的实际效果，符合企业的装配需求。整个系统包括生产计划与排程管理、工厂建模、人员及班组管理、当日库管理、物料监控管理、设备运行状态管理、生产可视化监控、数据采集、品质管理、系统网络监控、在制品队列跟踪、作业指导、防错系统、ANDON管理、返修管理、统计管理等功能模块，系统各模块之间相互系统作用没实现对装配过程的监控，图4是部分软件界面展示。

4总结

现代装配技术正在向数字化、智能化装配方向发展，对装配制造执行过程信息采集和生产状态监控、分析、预测提出来更高的要求。物联网技术对基于实时信息驱动的装配过程监控提供了途径。本文从系统实现的角度，提出了物联网环境下的信息感知交互框架，并在此框架的基础上设计了信息感知交互系统，介绍了系统的软件架构，系统的运行流程，并结合实际课题将设计的系统应用于发动机的实际装配当中，在应用的过程中实现对发动机装配过程监测与控制，对制造执行系统的发展具有重要的实际应用价值。

[参考文献]

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[8] 李伯虎，张霖，王时龙，等．云制造-面向服务的网络化制造新模式[J]．计算机集成制造系统，2010,16(1):1-7,16．

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(编辑李秀敏)

Application of Engine Assembly process Information Networking System

Based on the perception of Interaction

MA Yong-jing, GE Mao-gen, LING Lin

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract：For engine assembly process of information collection and control problems, in the analysis of existing assembly manufacturing production process information management issues based on the combination of networking technology in the assembly manufacturing applications, proposed an engine assembly Things Environment process information perception interaction framework. In the framework of the basic design of the engine assembly process information sensing interactive systems, including software architecture-aware interactive systems, interactive perception of the overall operation of the process analysis system. Finally, with an engine assembly processto verify that the information perceived usefulness and effectiveness of interactive systems.

Key words：internet of things; assembly process; information perception; perception interactive system

中图分类号：TH166;TG506

文献标识码：A

作者简介：马永敬(1988—)，男，山东临沂人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为制造过程监测与控制，(E-mail)mayongjing@126.com。

收稿日期：2015-02-09

文章编号：1001-2265(2016)01-0149-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.041