基于WIA-PA的智能化ANDON系统的设计与应用*

［温鑫荣 黄森宇 贺洋］



基于WIA-PA的智能化ANDON系统的设计与应用*

［温鑫荣 黄森宇 贺洋］

摘要

详细阐述了基于WIA-PA的智能化ANDON系统的硬件结构，包含WIA-PA数字量输入/输出模块、工位LED屏及WIA-PA/MODBUS TCP通信网关。介绍了ANDON工位系统的软件总体设计，包含LED显示屏控制、声光报警及设计WIA-PA通信的数据交互模式。在此基础上，详细介绍ANDON系统服务器软件的运行测试过程，并总结无线WIA-PA协议的引入，对ANDON系统在汽车生产线中的重要作用。

关键词：WIA-PA 智能化 ANDON系统 工位 看板

温鑫荣

男，重庆邮电大学研究生，研究方向：无线传感网技术。

黄森宇

男，重庆邮电大学自动化学院，研究生，研究方向：物联网。

贺洋

男，研究生，重庆邮电大学自动化学院，研究方向：无线传感网技术。

引言

与有线工业通信网络相比，工业无线网络具有布线成本低、组网灵活、易于安装和维护的优点[1]，因此在国内外工业自动化监测及控制领域得到越来越多的重视和应用。WIA-PA作为我国自主制定的工业无线标准，主要用于工业过程测量、监视与控制。

综合性生产信息管理和控制系统（简称ANDON系统）通过工业物联网将生产过程中的人、机、料、法、环、测（5M1E）几大要素进行智慧整合和互联互通，实现人机互联、智能调度、管理监控及整体设备效能最优化[3]。ANDON系统由ANDON工位子系统、ANDON综合看板子系统、ANDON数字广播子系统、工业交换机和服务器组成，包括工位作业管理、设备运行管理、产品质量管理、供应物流管理、车间生产管理、信息可视管理、公共信息管理等功能[4]。

1　基于WIA-PA的ANDON系统概述

1.1总体架构

工厂装配线系统包括汽车生产管理系统和ANDON系统，基于WIA-PA的工厂装配线生产管理系统和ANDON系统总体架构如图1，汽车生产管理系统由PLC控制现场生产线各执行机构（包括机器人、APC、安全门、区域扫描、光栅等），独立完成汽车生产过程；ANDON系统由现场工作人员操作各种呼叫设备，数据经过WIA-PA传输后[5]，由后台服务器完成各种现场生产数据显示和呼叫报警显示以及音乐播放，以提高生产质量和效率。

图1　基于WIA-PA的工厂装配线生产管理ANDON系统总体架构

1.2系统拓扑结构

ANDON系统服务器通过以太网从生产线控制柜PLC中获取主线生产数据（采集机器人、APC、安全门、区域扫描、光栅等运行数据），实现远程监视功能。

ANDON系统实现快速的信息传递、申请呼叫的快速响应、呼叫信息实时记录、生产线、设备状态实时显示、完成统计报表分析，对作业岗位、设备状态、质量问题、物料供应等过程进行实时的信息交互和管理、支持生产全过程管理流程体系的完善，为精益生产管理的分析提供数据支撑。基于WIA-PA的ANDON系统拓扑结构如图2。

2　ANDON工位系统开发

ANDON工位子系统包括工位LED显示屏和工位控制箱，主要通过WIA-PA通信完成各工位数据采集和输出控制。工位子系统控制箱负责工位的声光报警和各种开关量采集，每个工位控制箱由WIA-PA输入模块、WIA-PA输出模块和WIA-PA通信模块组成。

图2　基于WIA-PA的ANDON系统拓扑结构

2.1ANDON工位系统硬件开发

2.1.1WIA-PA数字量输入模块

WIA-PA数字量输入模块（图3）提供8路数字量信号输入接口，主要接受来自工业现场的一些数字量输入信号，比如帮助呼叫开关，质量呼叫开关，设备报警开关，物料呼叫开关和拉绳等，同时也可以完成其他比如接近开关等信号输入。这些信号经处理器采集后转换成Modbus数据格式，再通过串口传递给WIA-PA通信模块，该模块把Modbus数据打包成WIA-PA协议帧，经无线传输到路由器及服务器。服务器汇总所有信号并处理，然后把数据保存到数据库并发布到相应LCD屏和LED屏，同时驱动相应声音信号呼叫和数字量输出信号控制。

图3　WIA-PA数字量输入模块

2.1.2WIA-PA数字量输出模块

WIA-PA数字量输出模块（图4）提供8路数字量信号输出接口，服务器经WIA-PA通信链路控制该数字量输出模块，主要驱动现场声光报警。也可用来驱动工业现场其他一些设备，比如：继电器，接触器，气动阀等。

2.1.3工位LED屏

图4　WIA-PA数字量输出模块

工位LED屏使用15个LED看板组成，具有以太网通信接口，IP65防护等级。LED显示屏显示控制部分采用专用高刷新率LED屏控制板，确保LED显示屏达到良好的显示效果。LED显示屏电源系统使用具有过流保护、短路保护及热保护等功能的LED大功率电源模块，确保在苛刻的工业环境下，仍能安全可靠的工作。

2.1.4WIA-PA/MODBUS TCP通信网关

本网关底板电路采用ARM Cortex-M4处理器TM4C1294,该处理器工作在120-MHz主频，集成了1M程序存储空间和256K数据存储空间，它自带以太网控制器MAC和以太网物理层收发器PHY，所以，只需要连接一个带隔离变压器的RJ45端子，即可完成以太网通信。从另外一方面来看，该处理器通过串口连接一个WIA-PA通信模块，该WIA-PA通信模块作为一块单独的电路板而存在，该电路板集成了独立的处理器芯片和射频收发芯片，如图5。其WIA-PA通信模块作为一块单独的电路板而存在，上面集成了独立的处理器芯片和射频收发芯片。

图5　WIA-PA通信模块

2.2ANDON工位系统软件开发

2.2.1ANDON工位系统软件总体设计

ANDON工位子系统软件设计主要包括PLC数据采集模块、LED显示屏控制模块、呼叫播放模块、声光报警模块、报表生成模块、数据通信模块等六部分，如图6。ANDON工位子系统软件总体流程，如图7。

图6　ANDON工位子系统软件逻辑结构图

图7　ANDON工位子系统总体流程图

2.2.2PLC数据采集模块

PLC数据采集模块，主要用于采集安装在工位上的拉绳开关(如设备、物料、求助等开关)状态，采用循环扫描的方式。当拉绳开被拉下时触发相应的操作。其数据采集流程如图8：

图8　PLC数据采集流程图

2.2.3LED显示屏控制模块

LED显示屏控制模块，主要用于显示呼叫信息，当PLC采集模块采集到拉绳信号时可以控制显示屏进行切换显示。其显示控制流程图，如图9。

图9　LED显示屏控制程序流程图

2.2.4声光报警模块

声光报警模块主要任务是，当物料、设备、质量等出现异常，ANDON系统就会通过声光报警器发出报警，提醒相关人员到车间现场解决问题，图10为声光报警程序流程图。

图10　声光报警器程序流程

2.2.5WIA-PA通信模块

智能化ANDON系统中，各DO/DI模块之间主要通过802.15.4无线射频技术进行无线通信，针对智能化ANDON系统，设计了内嵌MODBUS-RTU协议格式的应用层发送函数，把上位机下发的获取拉绳开关等状态信息的命令解析处理后，转发到相应的DO模块。而将DI模块发送过来的呼叫信息，通过串口转发到网关。

WIA-PA/MODBUS TCP通信网关报文格式分为两部分：协调器与网关之间的通信报文格式、服务器与网关之间的报文格式。

（1）MODBUS-RTU数据帧

该部分数据严格按照MODBUS-RTU协议格式进行数据传输，网关对该数据直接透传，其协议格式如图11：

图11　Modbus-RTU协议格式

（2）网关与服务器通信报文设计

网关将从WIA-PA协调器接收到的已完成MODBUSRTU解封装的报文,重新封装成TCP/IP协议数据帧格式，即应用层数据帧，通过TCP/IP套接字发往上位机端，报文格式如图12。

图12　网关上行报文格式

上位机端发往WIA-PA子网的命令帧首先封装成内嵌MODBUS-RTU帧格式的TCP/IP协议栈格式，通过TCP/IP套接字发往网关，报文格式如图13。

图13　上位机端下行报文格式

3　ANDON系统服务器软件运行测试

ANDON系统主要包括用户管理，参数设置，生产管理,报警种类管理及生产计划报表，下面对其进行详细描述。

3.1用户管理页面

用户界面用于对用户参数进行设置,包含设置新增用户,修改用户密码,设置用户权限等操作。用户权限分为3级：1级为最低权限,仅能够对系统进行查看；2级为操作者权限，能够修改Andon系统参数；3级为最高权限，即系统管理员权限,可以对用户进行管理。

3.2报表生成页面与车型设置页面

报表生成页面，用户可以根据喜好查询系统呼叫信息，生成系统报表。车型设置页面，由于Andon系统看板上需要显示生产信息，而这些信息与车间生产的车型息息相关，所以在数据库中需要设置车型信息用于显示。

3.3报警种类管理

报警种类是指拉绳开关或者按钮开关等呼叫报警装置所对应的报警种类，每个触发点可以动态设置所需要的报警类型，方便对报警信息进行分类查询。

报警原因设置，当相应的信号被人为触发时，可以在Andon电子看板上显示对应的信息，方便车间工作人员快速定位和解决问题。

3.4生产管理

该界面用于输入生产计划，输入的生产计划会显示到Andon显示屏上，方便车间人员实时掌握车间生产情况。显示屏监控，车间显示屏为生产信息显示的窗口，在该画面上可以清晰的看到车间的生产状态。如图14：

图14　LED显示屏控制系统

3.5生产计划报表

如图15，生产计划报表完成对Andon系统生产信息和呼叫信息进行统计,并生成柱状统计图，同时可以对生产信息和呼叫信息进行打印操作。

图15　生产计划统计报表页面

3.6基于WIA-PA的智能化ANDON系统实施效果

通过基于WIA-PA的智能化NDON系统在汽车生产总装上的实施，能够极大的提高生产线质量、效率，解放人力。当有非标准的状况产生时，能够及时的获取现场工作人员或者维修人员的帮助。通过后台系统自动记录功能和智能决策，能够方便管理者进行生产线瓶颈识别并进行及时改进，来提高生产效率。基于WIA-PA的智能化ANDON系统实施前后的比较如表1。

实施后的总装线在生产管理方面的影响，与普通ANDON系统相比，使系统的建设施工难度大幅降低，降低生产成本，同时做到了传统ANDON系统对生产数据准确无误且实时反应、动态刷新。

表1　基于WIA-PA的智能化ANDON系统实时前后的比较

4　结束语

通过描述基于WIA-PA的智能化ANDON系统的软硬件设计，我们知道工业无线网络与ANDON系统的结合，可以完善精益生产的内容，在实际应用上解决制造及装配中布线难、难于安装及维护的缺点，降低了企业的生产成本及维护费用。

该已稳定运行于某汽车生产车间，以WIA-PA网络构建信息传递的通道，实现了ANDON系统的生产监控、作业呼叫、统计分析的高效传输，通过引入工业无线WIAPA协议，使系统的建设施工难度大幅度降低，同时系统易于升级扩展。

参考文献

1何之栋.工业无线网络路由及通信调度的实现与优化[D].浙江大学,2014

2王华,刘枫,杨颂华.工业无线网络WIA-PA网络研究与设计[J].自动化与仪表,2009,24(7):17-21

3周永利.基于PLC及现场总线技术的Andon系统设计与应用[D].华东理工大学,2015

4Silva A M D.The Andon system:designing a CSCW environment in a lean organization[C]//Groupware,2000.CRIWG 2000.Proceedings.Sixth International Workshop on.IEEE,2000:130-133

5Liu C,Yang J X,Wang D Q,et al.Andon system research for assembly line of automobilGearBox[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2014

收稿日期：（2015-12-23）

基金项目：中-韩美工业物联网国际联合研发中心，重庆市科技研发基地建设计划（国际科技合作）项目(cstc2013gjhz40002)

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.002