汽车电机生产线优化控制系统研究与实现

汽车电机生产线优化控制系统研究与实现

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汽车电机生产线优化控制系统研究与实现1

谢 楠，李爱平，崔艳伟

同济大学现代制造技术研究所 上海 200092

xienan115@http://

摘 要：为适应汽车电机多品种、变批量的生产需求，实现生产线的可重组生产，提出了一种基于组态原理的汽车电机可重组生产线控制系统。该系统利用组态原理进行系统设计规划，以配置研究设计的组态控制软件为核心并结合车间作业任务调度模块。系统充分利用了生产线的可重组组元，并依据生产现场快速转产的生产需要，可方便、灵活地组成针对某一种特定型号电机的生产控制方式，并进行过程监控。对系统设计原理和结构进行了详细论述并给出了工业现场的实际应用效果，运行结果表明本文提出的控制系统能有效的对可进行组态调整组元升级的生产线进行生产控制。

关键词：汽车电机 可重组生产线 过程监控 控制系统 组态 调度

1. 引 言

制造业的竞争和用户需求的快速变化使得汽车及其零部件行业的生产模式由多品种、小批量逐渐演变为多品种、变批量的生产模式。这种生产方式对制造系统及生产线提出了新的要求：可重组性。可重组性意味着制造系统的组元（结构化的元件、主轴、控制器、软件、夹具及刀具等）可升级，组态（物理构形）可调整[1][2][3]，可快速形成新的生产能力和生产功能[4]。

汽车电机生产线的控制系统是整个生产线正常运行的基础，承担的主要任务有：生产线设备加工任务的分配、加工设备的控制、现场数据的采集、加工参数的调整、生产线的监控等。从目前引进、研制并应用的汽车电机生产线控制系统看，多数采用集中式控制的自动化生产线方式。某企业引进价值100万美元的电机转子生产流水线，自动化程度高，生产节拍短，但是由于生产线刚性很大，调整困难而只能适应单品种、大批量的生产；另一类生产线的多数工序采用人工操作，导致生产效率不高，产品质量难以保证[5]。上述方式都不能很好地适应汽车零配件市场激烈地竞争。

针对汽车电机生产线的现状，本文提出并研究设计基于组态原理的汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统。该系统基于组态原理进行系统设计规划，以配置研究设计的组态控制软件为核心，结合开发的车间作业任务调度模块。它可以依据生产现场快速转产的生产需要，由技术人员方便、灵活地重组成针对某一种特定电机的生产控制方式，并减少系统因重组造成的斜升时间，以满足生产线多品种、变批量的生产要求。 1高等学校博士学科点专项科研基金项目（项目编号：20040247033），上海市基础研究重点项目（项目编号：05JC14060）。

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2. 系统设计原理

2.1组态原理

组态原理（Configuration Principle）是一种可根据对象的不同而适时改变自身物理或逻辑组织形态的原理[6]。组态原理在计算机软件编制上早已出现并应用。基于组态原理的控制系统设计思想是以计算机软件为核心，结合相应的硬件设备构成，其中硬件的选择几乎覆盖目前生产线上各种可能出现的硬件设备。针对系统应用领域，组态控制软件实现该应用领域使用功能全集和方便的重组功能，一旦选定了某种产品生产，则其所需的运行策略、控制参数以及接口设置都可自行确定。组态原理的核心在于以系统最小的冗余量，根据实际情况的变化，按照一定的规则和可行性，快速重组出一种合适的形态，实现生产线的快速转产。基于组态原理的控制方式是当前控制系统软件发展的主要方向之一，如国外的Labview、IFix和WinCC，国内的MGES和组态王等[7]，都是典型的组态控制软件。

基于组态原理的控制系统应用于汽车电机生产线，能实现根据市场变化对电机生产线设备及其加工辅助设备进行更替、调整以及扩充形成新的生产能力和生产功能。确定电机生产线上可调整的组元后，按一定的调整、优化策略实现组态控制。组态控制方式打破了传统的刚性/柔性生产线控制模式，可由用户自己定制特定的控制状态，调整组态和升级组元，极大地提高了系统的可重组性。

2.2 生产线控制系统总体结构

本文采用组态原理的设计思想，提出并设计了汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统，该系统面向生产线控制和监控领域，针对加工过程中的各种需求进行系统设计，系统基本组成框图如图1所示。

图1 汽车电机可重组生产线控制系统基本组成框图

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汽车电机生产线过程监控及优化控制系统主要由两个部分组成：组态控制软件模块和车间作业计划调度模块。

2.2.1组态控制软件模块

系统可组态构建是电机可重组生产线控制系统的关键。用户按照不同型号汽车电机生产需求，通过该组态控制软件模块构建特定产品的专用控制系统。可进行组态调整的内容包括：系统设备选择、构件选择、加工参数选择以及采集数据选择，具体如下：

加工设备选择 汽车电机生产线的瓶颈工位为绕线工作，配置一台可移动绕线机。可根据当前生产线生产节拍的要求，依照调度方案选择瓶颈工位加工设备的不同配置实现生产能力的改变。

构件选择 生产线可通过更换加工设备的加工构件实现生产功能的改变。

加工参数选择 针对不同型号的汽车电机传送不同的加工参数，如压力参数、绕线参数、检测参数、尺寸公差参数等。

采集数据的选择 生产线采集的大量数据要根据不同型号的汽车电机进行取舍和提取，为系统快速故障诊断提供依据。

2.2.2 车间作业计划调度模块

车间作业计划调度决定了生产线在何时采用哪种构形生产何种产品，而控制系统是根据不同的生产产品来进行组态的，因此车间作业计划调度是生产线优化控制的一个重要环节。本系统的车间作业调度采用基于Petri网和遗传算法（Petri－GA）相结合的调度算法。

车间作业计划调度模块算法流程图如图2所示。

图2 车间作业计划调度算法流程图

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3. 系统结构设计

3.1过程监控与优化控制的目标

结合汽车电机生产的特点，可重组生产线目标为：该汽车电机转子生产线能够基于现有生产条件下，通过转子加工设备自身变化以及加工设备间联系变化，实现根据车间作业计划的变化，通过车间控制系统快速调整电机生产过程和生产能力，实现稳定的产品质量和低的重构成本。

3.2生产线控制系统的硬件结构

生产线控制结构分三层（如图3所示）：现场设备层、车间监控层和计划管理层。

现场设备层：主要功能是连接现场设备，如现场传感器、工位显示设备、加工设备、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连接控制。主站（PC、工控机或PLC）采用轮询方式进行总线通信管理及所有从站的通信。

车间控制层：车间级监控用来完成车间主控制设备之间的连接。车间级监控网络采用工业以太网，这一级数据传输既要保证实时性又要保证能够传送大容量信息。

计划管理层：主控计算机通过交换机与车间办公管理网连接，将汽车电机生产相关数据送到计划管理层。车间控制层作为工厂主网的一个子网。子网通过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂的管理层面。

图3 生产线控制系统的硬件结构

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3.3生产线控制系统的软件结构

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