基于MODBUS_TCP的防错验证监控系统开发及应用

黄春笋 张俊

上汽通用五菱汽车股份有限公司 重庆市 401135

1 前言

发动机的可靠性，质量一致性对客户非常重要，为确保发动机装配过程质量，发动机装配生产线在各工位基本100%采用了各类防错措施，采用各类硬件加传感器等方式实现制造过程缺陷不接受，不制造，不传递的目标。对于新增的风险，通过不断增加软硬件的方式来探测，长此以往，整个防错系统越来越臃肿，急需一套解决方案对各类防错验证的有效性进行系统性管理。

本文以某公司发动机装配线为例，通过该发动机装配线开班防错验证过程的分析研究，发现了防错验证过程中存在的问题（部分装置失效，不按操作规程执行等）。针对这些问题，提出了基于modbus_tcp协议的低成本解决方案，开发了一套防错验证监控系统，该系统自动完成各防错验证状态数据采集，并定时输出报表，预测防错功能失效风险。

2 开班防错验证方法分析

该公司发动机装配线共有106个工位，分别由23个PLC控制，可同时共线生产多个机型。为防止出现错漏装，每个工位都有相应的防错功能，并要求按不同周期开展防错验证，以确保设备正常工作。

2.1 装配过程

以安装曲轴工位为例，该工位开班防错验证其中一项为扫描曲轴参考件二维码，在操作工扫描完二维码后，设备防错程序工作内容如下：

1）通过匹配当前发动机型号与扫描得到的曲轴号的型号，确认曲轴类型是否正确，如类型不匹配，则报警类型不匹配；

2）将扫描得到的曲轴号发送至质量管理系统，验证该曲轴在生产过程中是否存在质量锁定，当设备收到质量管理系统反馈的错误信息，则报警曲轴锁定，当超时未收到任何信息，则报警验证超时；

如果以上两步验证都没问题，操作工需在防错验证记录本上画“O”，表示防错验证没问题，如存在问题，则暗灯呼叫班长寻求帮助；

2.2 存在的问题

在防错验证过程中，过程完全依赖于人员是否按照标准化要求执行，管理人员不能确定验证过程的有效性，可能的风险有：

1)防错验证未按要求定期在产品装配前开展，导致装配产品存在潜在质量风险；

2)防错装置失效未及时反馈导致装配质量风险；

3)防错功能有缺陷(例如频繁报警)未能及时发现导致装配质量风险；

4)防错验证未记录对应发动机号码，导致问题出现时无法精确快速锁定可疑产品。

3 防错验证有效性控制方案

3.1 方案目标

为解决防错验证过程的有效性，通过开发一种防错验证监控系统，监控该装配线所有防错验证过程，该系统应满足以下几点要求：

1)同时监控所有工位开班防错验证、防错报警频次，数据自动采集；

2)所有防错验证触发时的发动机号、防错类型、时间都自动记录，具备完整的质量追溯数据；

3)开班防错信息，集成一页显示，已完成显示“O”，未完成显示“X”，使管理人员无需跟线验证即可知道当班次开班防错验证状态；

4)自动推送报表，预测异常情况，供管理人员核对发现可疑情况；

3.2 方案逻辑架构及网络拓扑

该方案分三步完成：防错验证数据采集，客户端显示数据，生成报表。逻辑流程如图1所示。

图1 方案逻辑框架

1)防错验证数据采集：以单个PLC为例，首先对所有防错验证项目进行编号，每个防错验证都具有单独的ID，并且不同机型需设置不同的ID，同时在PLC中对应单独的线圈地址，以便在读取和存储分析时区分不同的防错验证，具体如表1所示：

完成编号后，编写防错验证数据采集程序，读取PLC线圈存储的信息，同时读取每个工位当前的发动机号，将处理后的数据发送至数据库保存；

2)客户端显示数据：开发客户端软件，汇总显示每班次开班防错验证执行状态；

3)生成报表：编写程序定期发送防错验证汇总报表，分析潜在的失效风险，给管理人员提供决策依据。

4 方案实施

4.1 防错验证数据采集

修改PLC程序，将防错验证报警按顺序引至连续的线圈，方便采集程序读取，且要与表1中防错编号顺序一一对应，如图3所示。

图3 PLC程序修改示例

表1 防错验证ID编号

工作站作为主站client端，各PLC作为从站server端，为防止因网络堵塞导致的数据丢失，使用Python multiprocessing创建多进程，给每个PLC通讯单独分配一个进程，每个进程与对应的PLC创建一个modbus_tcp连接，获取防错报警状态，方案网络结构如图2所示。在得到防错报警触发的信号后，与预先设定的防错验证ID进行匹配，最后将ID、发动机号、时间等存入数据库中。

图2 方案网络结构

此外，由于在开班一小时内可能同时生产多种机型，考虑到减少客户端显示的无用信息，所以需要额外增加一列标签，用于表示某个防错是否在本次开班防错验证要求中，并在后期开发客户端时以此列标签筛选，只显示当班次需要验证的防错。

4.2 客户端展示防错验证数据

使用PyQt5编写客户端，并将每日开班防错信息集成在客户端首页，只显示本班次需要完成的防错验证，并优先将未按时完成的项目展示在前排，客户端界面如图4所示。

图4 客户端展示开班防错验证状态

4.3 推送报表

在开班一小时后，使用企业微信API推送未触发防错报警的项目，提醒管理人员及时介入查找原因，如图5所示。

图5 企业微信推送未完成项

同时，每天自动生成报表推送。如图6所示，当班次防错验证501未按时完成，1001触发报警次数过多，这两项都需要管理者管理者立即介入调查，以防潜在质量缺陷发生。

图6 防错报警触发次数统计

5 小结

本文通过对某公司发动机装配线防错验证过程的分析研究，发现了当前防错验证过程中潜在的质量问题，且整个防错防错验证缺乏系统性的管理方案。为解决这些问题，基于modbus_tcp协议使用python编程开发了防错验证监控系统，该系统自动完成生产大数据采集，并对数据进行分析，将开班防错验证数据集成在客户端中显示，同时使用企业微信推送未完成项目、日报，对生产过程中的潜在防错失效进行预警。该方案，使整个防错验证体系得到了有效的管理，实现了防错验证的闭环控制，同时为数字化工厂改进提供了一个有效的低成本解决方案。