2017年9月28日

MES在汽车制造中的应用之业务篇(1) -- 冲压与PMC


汽车制造是一个资金密集型的行业。
比如全新开发一款乘用车,约需要投入5亿的研发费用和20亿的生产费用。
研发费用大项主要包括:造型设计、工程设计、整车标定、整车试验、零件试验、样车试制、零件开发。
生产费用主要包括:厂房基建、设备及安装、投产准备。
在生产费用中,设备及安装约占3/4,而冲压车间占用了约35%的设备安装费用。
在冲压车间费用中,设备相关费用约占1/3,模具相关费用约占2/3
假设某款车投产后非常畅销,销量超出了工厂的设计产能,那么能否通过扩建厂房及增加设备来实现呢?
从冲压车间的角度来看,是相当困难的。
首先由于冲压机对地面的平整度及抗压性要求极高,因此厂房建设时间较长。此外,模具的加工、修整也需要较长的时间。
因此,充分利用现有设备、三班倒全天候生产是提高产能的关键。
冲压车间的分段工艺包括:拆垛、抓料、送料、对中、上料、清洗、涂油、冲压、检验,多数工艺自动化完成,工人主要做一些辅助的操作。
因此,生产、设备、系统都要围绕着设备为中心,服务好设备:
-          工人要配合好设备,确保作业连续;
-          设备工程师要维护好设备,出现问题要及时解决;
-          系统要及时发现故障及报警,通知相关工程师。
因此,在冲压车间,MES的主要功能是PMC设备监控。
PMC全称是Production Monitoring and Control,即生产监视及控制,但在MES领域,PMC模块主要关心设备的监视。
PMC主要采集以下几类信息:
1)       设备的运行状态;
2)       设备的异常,如报警代码、故障代码;
3)       计数类的统计信息,如当班产量、缓冲区数量;
4)       计时类的统计信息,如累计停线时间;
5)       设备的关键工艺参数;
6)       正在加工的产品信息,如序列号、料号、机型;
7)       生产节拍信息,如装配时间、等待时间、堵塞时间;
8)       线体运行速度、节拍。

从技术上来说,MES主要通过PLC采取设备数据。
PLC全称是Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,是设备的逻辑层和应用接口层。
PLC按照和MES的接口约定,把PMC对应的业务数据存储在指定的数据块中,然后MES通过OPCPLC获取数据。
OPCOLE for Process Control,即面向过程控制的对象链接与嵌入,能够把PLC数据块中的数据映射成OPC服务器上的内存变量。MES通过OPC客户端或物联网网关实现和OPC的通信,下图显示了PMC数据数:

2.1-1PMC数据流

我们可以看到,OPCPLC收集到设备数据后,对数据有2个用途:
1)       OPC将数据传输给SCADA服务器,再通过SCADA客户端输出实时数据。
2)       OPC将数据传输给MES服务器,归档到数据库,再通过报表输出统计数据。
在车间现场,工人和工程师看的主要是实时数据。
SCADA全称是Supervisory Control And Data Acquisition,即监控和数据采集。制造工程部门可以通过SCADA软件实现远程监视和控制操作,而IT主要通过SCADA采集和显示数据。
目前应用较为广泛的SCADA产品为:Siemens WinCCRockwell FTViewGE Cimplicity

SCADA服务器可以从OPC服务器上快速同步数据,通常刷新频率为250ms~1000ms,然后SCADA客户端从SCADA服务器上同步数据,再输出到现场的大屏电视机或LED屏上。

2017年9月27日

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(4) -- 变速器制造工艺

变速器的制造过程与发动机类似,由三大工艺组成:机加、装配、检测。
图1.4-1显示了变速器工厂的主要作业流程:

图1.4-1:变速器主要作业流程

在机加车间,进行变速器壳体(变壳)、离合器壳体(离壳)、齿轮、齿轮轴的机械加工。
变壳、离壳的加工主要是将毛坯分步骤精细加工,通常上线后就打刻激光二维码,然后在整个加工过程中都可以通过此二维码进行精确追溯。
而齿轮和轴通常都是批次加工的,机床会同时加工多件产品,而这些产品在下线时才会打刻激光二维码,因此在加工过程中通常是批次、模糊追溯,比如在某些工序中可能出现车、箱的批次形式。
机加车间MES应用的重点有:
1) 对壳体毛坯件、半成品序列号进行精确追溯;
2) 对齿轮和轴进行批次追溯;
3) 对机器设备的状态监控;
4) 对关键设备工艺参数(如热处理加热炉的温度)的监控;
5) 对试漏等检测数据的收集;
6) 零件报废处理。
MES的总体需求和发动器非常类似,难点主要是对齿轮和轴的追溯实现。
如下表是变速器的一级结构:


而齿轮1(序列号为C1201709270021) 在各工位的批次追溯关系为:



装配车间的主要作业有:
1) 壳体分装;
2) 轴齿分装;
3) 差速器分装(差速器通常外购,然后在工厂加装零件);
4) 主线装配。

装配车间的主要工艺有:压装、拧紧、测量、试漏等。
MES对应的功能主要有:计划管理、装配防错、质量管理、设备监控、数据采集等。
装配车间主要采用滚道输送线,变速器在每个工位的装配过程中处于静止状态,因此通常在托盘上安装RFID TAG,然后在每个工位加装RFID READER,从而实现PLC与RFID的实时通信,然后MES通过OPC实现与PLC的实时通信。借助此技术,MES可在每个工位实时识别产品,从而实现在每个装配工位的装配参数下发和生产数据上传。


检测线由线体供应商提供软硬件一体化安装集成,采用专用软件,并将检测数据记录到自带数据库中。检测线系统可以通过IT层接口(如WEB SERVICE/MQ)实现和MES的数据交换。
MES主要从检测线收集检测程序号、检测参数、检测值、检测结果等,这些数据主要是用于未来的追溯分析。

2017年9月20日

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(3) -- 发动机制造工艺


发动机的制造过程由三大工艺组成:机加、装配、检测。
在机加车间,进行缸体、缸盖、曲轴的机械加工。机加车间采用高精度的数控机床,将金属毛坯件通过切削加工等方式,加工成缸体、缸盖、曲轴零件。
机加车间MES应用的重点有:
1)       对毛坯件序列号进行追溯;
2)       对机器设备的状态监控;
3)       对关键设备工艺参数的监控;
4)       对试漏等检测数据的收集;
5)       零件报废处理。
由于机加车间通常按照库存安排生产,因此一般不需要通过系统管理计划。
此外,机加车间一旦出现质量问题,往往报废处理,因此不会通过系统进行质量缺陷管理。
对设备的监控是为了及时响应生产现场的异常情况。
对毛坯件进行序列号追溯、对工艺参数进行追溯,并结合装配车间的追溯管理,是为了实现全过程追溯,特别是当出现严重质量问题时,通过系统实现批量召回。

装配车间的主要作业有:
1)       缸盖分装;
2)       活塞连杆分装;
3)       内装;
4)       外装;
5)       冷试(发动机不启动时检测相关指标)

装配车间通常按照计划安排生产,如果有多机型混线的话,还涉及到现场物料的及时推送。此外,装配车间最主要的两类工位是装配和拧紧工位,因此,MES的应用重点包括:
1)       计划自动下发给上线工位;
2)       物料防错;
3)       零件装配追溯关系建立;
4)       拧紧防错及拧紧值记录;
5)       过站记录及广播,并触发物料推送;
6)       设备监控;
7)       质量呼叫;
8)       质量缺陷管理;
9)       间隙检测、冷试等检测数据归档。

热试是指将发动机加油并启动后,模拟正常工况、恶劣工况等,从而记录其运行数据。
热试通常采用专用测试台及配套软件,MES通过接口归档关键检测数据。

1.3-1显示了发动机工厂的主要作业流程:

1.3-1:发动机主要作业流程



MES在汽车制造中的应用之工艺篇(2) -- 商用车制造工艺

商用车是相对乘用车而言的,一般包括货车、客车、越野车等。
商用车通常采用非承载式车身,即由车架提供承载,而车身起辅助作用。通常由厚钢板焊接或铆接成大梁,而底盘件则安装到大梁上。比如有的卡车驾驶舱可以往上掀起,甚至有的无人驾驶卡车是没有驾驶舱的。
采用非承载式车身车辆的特点是质量重、缓冲性好、容易改装成特殊用途车辆。
比如城市SUV通常采用承载式车身,而越野车一般采用非承载式车身。
商用车的制造过程包括:车身的冲、焊、涂,车架的冲、铆、涂,以及车辆的总装。
车身的冲、焊、涂工艺和乘用车是类似的,而在总装车间,车辆底盘的装配较复杂。
商用车工厂的特点是年产量相对小、工位节拍时间长、工位间距大,因此对装配及时性、自动化程序要求相对较低。
而商用车特别是货车使用年限长、行驶里程长,因此对零件的耐久性要求高,对装配的搞疲劳性要求高,因此除了采用铆接工艺外,对拧紧部件有严格的扭矩控制要求。
总装车间MES的主要功能有:
1) PBS车身调度;
2) 车辆位置监控和广播;
3) 装车单打印;
4) 作业指示;
5) 关键件追溯及防错;
6) 质量及缺陷管理。

图1.2-1显示了总装的主要作业流程:


图1.2-1:总装主要作业流程

图1.2-2显示了商用车制造的总体工艺:

图1.2-2:商用车总体制造工艺

2017年9月14日

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(1) -- 乘用车制造工艺

乘用车通常包括家庭轿车、运动型多功能车(SUV)、多乘员车(MPV)。
乘用车通常采用承载式车身,即由钢板焊接成的车身形成车辆的主体结构,底盘、发动机、变速器、内饰等都是安装在车身上的。车身通常采用冲压成型的钢材经由焊接成型,目前使用较为广泛的是笼式车身,即车辆钢板、钢梁、肋条通常焊接形成一个类似笼子的结构。笼式车身的特点是安全性高、抗冲击性强、对乘客保护好、空间大、车重轻。
乘用车的制造过程主要由4大工艺组成:冲压、焊接、喷涂、总装。
乘用车通常使用3D CAD软件进行车辆的造型设计,并使用3D CAD进行车辆的钣金设计、夹具设计等。
在冲压工艺段,工艺工程师根据3D CAD模型设计各钣金件的冲压模具,冲压作业时,压机加载成卷钢板和模具,通过冲压成型的方式形成各种类型的冲压零件。此工艺段的钢板厚度和模具精确度对车辆安全有重大影响。在冲压车间,MES的主要功能是监控设备的实时运行状态,因为设备的可用性直接决定了生产效率。

在焊接工艺段,焊接机器人将冲压件焊接形成车身主体结构,并附加强化钢梁和肋条。此工艺段的焊接质量、焊点分布均匀度对车辆安全有重大影响。在质量管理方面,通常会通用专业软件比对设计焊点位置和实际焊点位置,生成统计分析报表。焊接完成的车身会运送到焊装缓冲区WBS(Welded Body Store)。
焊接工艺的主要作业有:
1) 焊接发动机舱、前地板、后地板(又称三大件)。
2) 将三大件焊成车辆的骨架。
3) 焊接左右侧围。
4) 将侧围焊到车辆骨架上,并形成ABC柱。
5) 焊接车门及肋条,并安装到车身。
图1.1-1显示了车身的主要结构。


图1.1-1:车身主要结构

图1.1-2显示了焊接的主要作业流程:


图1.1-2:焊接主要作业流程

在焊接车间,MES的主要功能是自动下发工单给上线工位,如三大件和左右侧围。目前整车厂基本上都根据订单来安排生产,也就是订单的顺序决定了车辆的生产顺序。因此在上线工位,设备并不知道下一台车的车型和配置信息,需要由MES自动下发给设备PLC。

在喷涂工艺段,车辆要涂底部防腐蚀层、中部过渡层、表面油漆层,并配合前处理、干燥等辅助工艺。喷涂的大部分作业由设备自动完成,通常设备都安装在空中;而人工的检查、辅助喷漆放在地面层;此外喷涂车间还有2个输送层,1层用于车辆缓存,1层用于空撬返回。喷涂完成的车辆会运送到喷涂缓冲区PBS(Painted Body Store)。
喷涂车间有几十道较独立的工艺段,而大部分工艺段以设备自动作业+人工维修的形式完成,由于作业人员较少,因此需要将问题车辆自动移送到维修区,MES提供质量路由模块配合PLC完成此项功能。
图1.1-3显示了喷涂的主要作业流程:


图1.1-3:喷涂主要作业流程

在总装工艺段,车辆要装配内饰(Trim)、底盘(Chassis),并进行终装(Final),所以有的工厂把总装又称作TCF – 由Trim/Chassis/Final的首字母组成。
总装工艺段的主要作业有:
1) 根据一定的调度规则,从PBS调用车辆。
2) 在前内饰线,安装乘客舱、仪表盘、天窗等设备。
3) 在底盘线,安装底盘、发动机、变速器等设备。
4) 在后内饰线,安装轮胎、座椅、车门等设备。
5) 在完成线,安装附件、加注液体、检查外观等。
6) 在检测线,进行软件刷写,并检测四轮定位、大灯、尾气等。
7) 另外还有车门、仪表盘、发动机等分装线。
总装车间以人工装配为主,涉及大量的物料配送,因此MES的主要功能包括:装配指示、装配防错、物料拉动、设备集成等。
图1.1-4显示了总装的主要作业流程:


图1.1-4:总装主要作业流程

图1.1-5是一个典型主机厂的整体布局:


图1.1-5:乘用车总体制造工艺

2017年7月11日

MES风筝




1.       PLM
PLM管理产品主数据和结构,解决了产品是什么的问题。
除了向MES/ERP/WMS发送MBOM(物料BOM)外,还向MES发送EBOM(工程BOM)PBOM(工艺BOM)
EBOM通常包含软件版本信息、图纸等文档附件。
PBOM包含了细化到工位的工艺配置信息,如同一种螺栓要在多个工位进行装配作业,MBOM只关心总数,而PBOM关心每个工位的数量。

2.       ERP
ERP管理工单,解决的是什么时间、在哪个车间、由谁、生产多少件产品
通常离散行业的MES由工单驱动。
关键工位的作业完成后,MES会把过站记录发给ERP,用于物料回冲。

3.       WMS
WMS管理零件库存和物流配送。
关键工位的作业完成后,MES会把过站记录发给WMS,用于物料拉动处理。

4.       PLC
MES配合PLC,解决的是用什么设备、在哪个工位、怎样生产产品
MES把工单、序列号、型号、配方、作业指令等发给PLC,指导PLC自动作业。

作业完成后,PLC会把关键生产数据和设备信息发给MES,用于追溯分析。

2017年7月9日

PLC编程再思考之4 - 面向对象

PLC编程有诸多限制,如:
  1. 传统的西门子PLC单个DB的存储容量为64KB。
  2. 每次DB结构变更时,都需要编译并重新下载覆盖原DB。
  3. 每次DB结构变更时,OPC变量需要重新映射地址。

但有时候我们希望把DB设计得灵活一些,当给PLC增加一些小的元素时,我们不希望覆盖大量的DB。
有时我们希望PLC程序设计得模块化、产品化、基于配置。
在这些应用场景中,我们可以参考面向对象的方法进行PLC编程。

本文以质量安灯实例说明了面向对象的PLC编程方法。
业务需求为:
  1. 每个工位配置1条拉绳。
  2. 当拉绳拉下时,灯亮,喇叭播放配置好的音乐。
  3. 当拉绳复位时,灯灭,喇叭静音。
  4. 工位配置在线上。
  5. 线的总数为10。
  6. 工位/拉绳/灯/喇叭的总数为200。

下表列出了所有对象,及对应的属性/事件/方法:
 

为了让对象更加灵活,我们为每个属性分配1个DB,除了ID,这是因为我们使用数组ARRAY存储数量,每个对象的所有属性DB使用了同样长度的数组,而数组的序号就是对象的ID:
 

 

因此当我们需要给拉绳增加一个新的属性时,我们只要建立一个新的DB,基本结构为长度为200的数组,并以数组序号的形式建立了与其它拉绳DB的联系。

PLC程序调用结构非常简洁:
 

由于使用了数组,我们可以很方便地利用SCL的循环语句进行遍历调用:
 

寻找外部引用ID也很简单,因为我们可以直接使用数组序号进行符号寻址:
 

对于I/Q设备的位&字节地址,我们可以用STRUCT进行定义:
 

这样,就可以很方便地利用SCL的PEEK_BOOL/POKE_BOOL函数进行动态调用:
 

FC_PEEK_BOOL针对SCL的PEEK_BOOL进行封装:
 

Set事件:
 

Reset事件:
 

下面列出几条PLC面向对象编程的参考建议:
  1. 每个DB定义1个属性。
  2. 使用数组存储数据。
  3. 使用SCL循环语句遍历数组。
  4. 为每个方法编写通用FC函数。


TIA V13源代码:

2017年7月4日

2 Typical Methods of bridging IT Network and Control Network


While implementing MES projects, I always spent lots of time discussing how to bridge IT Network and Control Network.
Practically, Network team will isolated Control Network from IT Network, such as using VLAN to separate them.
MES works in IT Network, and PLC works in Control Network, and they need to exchange data, so we need to bridge these 2 networks.
Here I list out 2 typical methods based on my practice.

Method 1: Using Communication Panel
 
From above diagram, we can see that each PLC works inside Vendor’s private Control Network via CPU port.
The additional CP(Communication Panel) provides an IP address working inside IT Network.
With this method, we add CP for each PLC which needs to talk to IT applications.
Actually some advanced PLC(such as Siemens 317/319/1516/1518) has 2+ PN/IE ports, which means we can use 1 port for Control Network and 1 port for IT Network.
But in practice, we might still use Communication Panels, because CP provides better PLC functions and better communication capacity.

Method 2: NAT
NAT = Network Address Translation
 
From above diagram, we can see that an NAT Router is added between Control Network Switch and IT Core Switch, so each device’s IP address which matches Route Table will be translated into IT IP address.
Normally route table is defined for a range of IP address, so not only PLC, but also HMI and Robot and other devices will be translated into IT Network.

Comparison:
Method
Advantage
Disadvantage
CP
Data secure
Network isolated
More hardware investment
More Cabling work
NAT
Cheap
Less cabling work
Less data secure
Network crossed