基于MES 的智能亮灯拣选在发动机装配线应用研究

刘业通

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005）

0 引言

近年来，随着制造业的快速发展，企业对于提高生产效率和质量管理的需求日益迫切。在发动机装配线等复杂生产环境中，物料管理[1]是一个关键的挑战，直接影响到装配准确性和生产效率。因此，研究和应用适合的物料管理技术成为提升装配线效能的关键之一，随着发动机制造业推行SPS（Set Parts Supply，成套零部件供应）配送方式取代传统线物料的配送方式，以降低装配人员装错零件的概率。在生产现场，根据生产装配工艺流程设置有配料区，物料配送员需要根据生产订单将产品所需装配的零件进行拣选，并分配到相应物料小车，实现零件跟产品一一配套。由于不同机型所配的同一零件本身外观差异不大，在拣料的过程中，为了防止出错，需要员工拿着打印好的生产订单从零件库中逐一对照零件物料信息，然后拾取相应规格和相应数量的零件。这样的不仅工作效率低，并且存在拣错物料风险，造成装配的质量隐患。

通过综合国内外相关研究成果和实践经验，分析亮灯拣选技术与MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）[2]的结合原理和优势，并提出一种基于MES 系统的亮灯拣选系统框架。该框架整合MES 系统和亮灯拣选技术的操作要素，实现准确的装配指导和实时数据反馈，从而提升物料管理和装配操作的效率。通过以发动机的主轴瓦和连杆瓦的实践案例的应用和分析，评估基于MES 系统的亮灯拣选在发动机装配线上的应用效果，结果表明该系统在提高物料管理准确性、降低装配误差和提升生产效率方面具有潜力和优势。

为了让物料拣选[3]更加简便、准确，实现系统的智能防错，开发一套MES 订单管理统一指挥系统，采用PLC 智能化化控制，通过智能的亮灯的方式，提示员工按亮灯拣选物料，并将拣选的物料与订单进行绑定，实现发动机装配过程物料的防错和数据的采集[4]，提升生产效率。

1 亮灯拣选系统的整体方案

通过理论研究和实践应用，选取发动机的轴瓦和连杆瓦亮灯拣选作为实施案例，构建出亮灯拣选的解决方案。

1.1 系统主要功能

智能亮灯拣选系统把不同机型的轴瓦零件按质量匹配数据分成红瓦、蓝瓦，通过扫描轴瓦物料号和物料架的料道二维码，自动实现物料号与料道数字化绑定；当发动机到达装轴瓦工位时，亮灯拣选系统[5]通过数采系统服务器与MES 进行信息交互，把该机型需要装配轴瓦的物料号、物料信息通过网络传送到设备系统，经过设备系统信息处理，并通过现场总线使设备控制触发相应的料道指示灯进行指示，同时在HMI 上显示屏上同步显示当前装配的机型、需要使用的物料号、物料数量、物料种类。

1.2 系统硬件组成及通信接口

该项目使用最新S7-1515 PLC 作控制主机，通过与线体S7-300 PLC、MES 进行设备数据信息读取交换、信息比对以及在S7-1515 PLC 上进行数据管理。应用的网络通信技术有ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技术，以及应用了无线识别技术，系统硬件及网络如图1 所示。

图1 系统硬件及网络

1.3 亮灯拣选接口设计需求

为了确保接口获取的数据传输完整，接口数据条数的总数需满足使用要求。客户端在访问接口获取数据时，数据完成传输后，需要判断获取的条目数与接口字段返回的条目数一致后，方可确认为数据已完整获取，否则客户端需要重新获取数据，确保数据完整。硬件架构接口如图2 所示。

图2 硬件架构接口

2 亮灯拣选系统的开发

亮灯拣选系统开发包含线边物料控制系统、拣选数据采集系统、PLC 与设备间的通信系统和亮灯防错系统。

2.1 线边物料架系统

线边物料架的料道数为300 个，一个料道固定一种物料，每个料道需配置一个亮灯电子标签，设置的亮灯显示的物料进行不同颜色灯光指示，在输料机构表面存储的物料规格不同时，该亮灯显示机构可以分别发出红、蓝、黄3 种颜色的灯光，黄色为预留定义，红色、蓝色则与相应的红瓦、蓝瓦相对应，线边配料操作人员根据亮灯显示机构发出的光线，可以直观地了解到输料机构表面的物料的规格，利于操作人员对物料进行拣选。线边料架效果如图3 所示。

图3 线边料架效果

通过PLC 控制和外部的检测传感器进行开关计数，可以检知输送料架是否缺料，也可以通过PLC 控制运算后得知配料操作人员已经装配的物料类型、物料数量等相关信息，并形成信息数据存储在本地数据块中。

2.2 亮灯拣选数据采集系统

对接亮灯拣选从MES 系统读取机型需要装配的物料信息：MES 系统通过数采平台与产线PLC 集成，该控制系统包括扫描仪、工控机、西门子S7-1515 PLC，第一灯体和第二灯体均与中控系统（该中控机系统由工控机和PLC 控制器硬件组成）进行连接，在具体实施时，该中控系统具有程序下载端口和存储模块，程序下载端口用于下载轴瓦物料的规格参数数据，并将数据存储到存储模块中，该扫描仪用于扫描物料件表面的条形码或二维码得出物料的规格，然后将扫描处理过的信息以数据的方式传递给中控系统，中控系统将扫描得到的数据与存储模块中的参数数据进行比对，可得出输送输料件表面的物料的规格，并控制启动对应的第一灯体或第二灯体，以发出与物料规格相匹配的颜色的光照。数据采集系统实时采集来自生产线的产量数据或是不良品的数量、或是生产线的故障类型（如设备停线、上下工序缺料、零件品质不良），并传输到数据库系统中；生产现场数据采集在品质控制过程中的非常重要的一个环节，这个数据采集方案可把相关人员从处理数据的繁重工作中解放出来，有更多的时间去解决实际的品质问题，同时即时的数据采集也使系统真正地实现实时监控，尽早发现错装配、漏装配问题，避免更大的损失。

2.3 PLC 与设备间的通信系统

能够让整个系统中所有的设备通信互通，保证了信息的传输。通信系统的建立主要是将各工序位置不同的PLC（含S7-300 PLC、西门子S7-1200 系列PLC、西门子S7-1500 系列PLC）、工控机、各种现场设备伺服系统，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议、以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。通信系统的主控由西门子S7-1515 PLC 与MES 通信[6]，能够准确接收到机型的物料信息，通过对信息的处理再发送到亮灯系统。西门子S7-1515 PLC 与线内各设备通信，读取当前装配的机型及每挡轴瓦需要装配的红/蓝瓦信息；读取流水线上设备状态信息；读取操作工序中断及请求信息；以及PLC 与扫描仪通信，读取物料号与料道号信息、绑定物料号与料道号关系等。所有数据在上传MES 系统前均进行工控机存储及暂时存储在PLC 内，PLC 内存储可以确保突然停电等情况下数据不会丢失，能够实现短时的离线工作和短时的断网工作，配合工控机内存储可以实现批量暂存，确保数据的准确。

2.4 亮灯拣选系统

为了确保数据的准确传输和实时反馈，系统框架中应考虑数据传输和集成的方式。通过无线网络、传感器和物联网技术，实现与MES 系统的数据交互和信息共享。系统主要通过总控西门子S7-1515 PLC 博途编程对整个信息的接收、逻辑的运算、信息的比对、信息的处理以及对料架指示灯的信号控制。发动机到达工位，在工控机系统通过接口与MES 系统进行信息交互，从MES 系统将订单号、发动机编号，显示在HMI 界面上；系统根据数据的匹配和计算，形成该发动机需要装配的轴瓦信息；在工控机系统的显示屏上正确显示每个轴瓦需要装配的轴瓦颜色和物料号，并将该信息传输到料架的控制系统，自动控制料架的颜色指示灯，通过料架对应的灯亮提示选择对应料道的物料；当发动机完成装配料并离开工位时，PLC 程序控制相应的轴瓦指示灯灭；同时设定料架的每一条料道都可以存放不同物料号的轴瓦，轴瓦的物料号通过编程实现在系统介面上进行任意修改和自主设置定义。

3 亮灯拣选系统的应用效果

基于MES 系统的亮灯拣选在发动机装配线上具有显著的优势。它能够提供准确的装配指导和实时数据反馈，帮助装配员快速、准确地进行物料拣选和装配操作。同时，该系统实现了物料的追溯和管理，保证了装配过程的准确性和可靠性。与传统的物料管理和装配方式相比，基于MES 系统的亮灯拣选能够显著提高物料管理的准确性、降低装配误差，并大幅度提升发动机装配线的生产效率，同时采用物流网通信技术，大大提升系统的实时性和稳定性。

3.1 提高拣选效率、降低拣货差错率

传统的轴瓦零件拣选模式是通过记忆及看料道信息进行拣选，效率比较低，而且会出现差错。新的拣选系统，通过与线体设备S7-300 PLC、MES 系统进行设备数据信息读取交换、信息比对，以及在S7-1515 PLC 上进行数据管理。操作人员通过扫描轴瓦物料号和物料架的料道二维码，自动实现物料号与料道数字化绑定；当发动机到达装轴瓦工位时，亮灯拣选系统通过数采系统服务器把该机型需要的物料号通过网络传送到系统，经过系统信息处理，利用PLC 的DB 块存储所有物料信息、每种机型装配的物料信息，自动显示需要装配的轴瓦（相应料道亮红灯或蓝灯），配料操作人员根据信号拣选轴瓦配件，光电开关辨识到已拿取某挡轴瓦后，系统控制当前灯灭，按当前发动机的装配红蓝瓦信息，对下一挡的轴瓦进行亮灯。同时对现场的拣货状况进行实时性的监控，减少了拣货差错率。

3.2 系统响应实时性、稳定性

为了达到系统响应的实时性和稳定性，使用最新S7-1515 PLC 作控制主机，该PLC 具有高水平的系统稳定性和快速信号处理能力，而且应用ProfiNet 和EtherNet/IP 通信技术、无线识别技术，保障了设备间通信的稳定性，数据传输及时，很方便的与其他线上设备通过各现场总线技术兼容，进行数据交换。控制主机在收到MES 系统或上位机传送来的分拣指令时，所控制的亮灯系统可以立即做出响应，进行相应的指示，并且如果MES 系统、上位机或工序请求等同时发出多个指令，则可以根据相关响应级别进行排序，控制料架机构进行提示拣货，而不必等到上一个订单完成，按顺序完成轴瓦零件分拣任务。亮灯拣选系统根据订单及机型的信息比对及处理，及时输出信号控制料架亮灯，操作人员根据信号拣选配件。

4 亮灯拣选系统扩展应用及展望

在未来的研究和应用中，可以进一步探索和完善基于MES系统的亮灯拣选技术在发动机装配线中的应用。首先，可以进一步改进零件识别与追踪技术，提高系统的准确性和效率。例如，可以引入深度学习和人工智能算法，实现对零件的自动识别和跟踪，减少人工干预和操作的需求，进一步提高装配的效率和一致性。其次，可以加强亮灯拣选系统与其他装配线系统的集成和协同工作。通过与计划调度系统、物料管理系统和质量管理系统等的无缝集成，可以实现全面的生产过程管理和优化。例如，可以将零件需求和状态信息与物料管理系统进行实时同步，以实现零件供应链的优化和调度。此外，还可以进一步提升亮灯拣选系统的智能化水平。通过引入自动化设备和机器人技术，可以实现更高程度的自动化和智能化。例如，可以引入自动拣选机器人，实现对零件的自动拣选和传送，进一步提高生产效率和准确性。最后，还可以将亮灯拣选技术应用于其他领域和行业。除了发动机装配线，亮灯拣选系统在其他制造业领域也具有广泛的应用前景，如电子制造、机械制造等。通过借鉴和推广亮灯拣选技术在发动机装配线的成功经验，可以为其他领域的生产过程优化和改进提供有益参考。