隨著國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，車型翻新的周期也不斷加快，多種車型共線生產(chǎn)的狀況也越來越普遍。越來越多的生產(chǎn)管理人員開始關(guān)注這樣的生產(chǎn)信息：一輛某種型號的車體在生產(chǎn)過程中的加工狀態(tài)和位置、匹配于該車體的各種部件的生產(chǎn)狀態(tài)和分布位置，以及部件的最終匹配安裝是否成功。為了實現(xiàn)以上生產(chǎn)信息的顯示，人們很自然地想到可以使用可編程控制器和傳統(tǒng)的人機界面軟件來跟蹤車體的生產(chǎn)。但是，無論是可編程控制器還是人機界面軟件，對于大規(guī)模的車體跟蹤都顯得數(shù)據(jù)存儲不靈活、柔性化不高。通用電氣公司汽車工業(yè)部基于以往的工程實例和項目經(jīng)驗提出的“車體跟蹤及控制系統(tǒng)”即是提供如上生產(chǎn)跟蹤信息的、基于Windows和CIMPLICITYTracker軟件平臺的一個解決方案。這里以兩個汽車生產(chǎn)過程中的實例來說明車體跟蹤的意義及實際的解決方案。
焊接車間車身側(cè)圍與車身底盤的匹配
焊接車間的總拼工段是整個車間雛形。通常，該工段由傳送帶和若干臺焊接機器人組成。
總拼工段的工藝流程如下（圖1）：車身側(cè)圍被預(yù)先制作、存放在緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)車身底盤被傳送帶送到焊接工位時，相應(yīng)的車身側(cè)圍也應(yīng)被送到該工位以完成拼裝焊接操作。
采用傳統(tǒng)的PLC可以實現(xiàn)總拼工段的自動控制，其具體思路如下（圖2）：車身側(cè)圍緩沖區(qū)按車型劃分成若干條緩沖鏈，每條緩沖鏈存放一種車型的側(cè)圍部件。當(dāng)車身底盤到達(dá)焊接工位時，底盤上的條碼標(biāo)識被條碼掃描器讀出，焊接工位的可編程控制器由此獲知車身的型號。車身型號也被發(fā)送到側(cè)圍緩沖區(qū)的PLC，由該PLC根據(jù)收到的車身型號釋放相應(yīng)的側(cè)圍緩沖鏈，向焊接工位輸送正確的側(cè)圍部件。
以上控制方案的不足之處在于：側(cè)圍緩沖區(qū)需要為每種車型分配緩沖鏈，其構(gòu)造比較復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)不能為較多的車體預(yù)先緩存其側(cè)圍部件，并完成排序，阻礙了總拼工段的工作節(jié)拍的提高。此外，生產(chǎn)管理人員也需要一種圖形化的界面，以隨時查看側(cè)圍緩沖區(qū)的部件分布及其排序狀況。為了實現(xiàn)圖形監(jiān)控的要求，側(cè)圍緩沖區(qū)的每個存儲單元內(nèi)所存放的側(cè)圍部件的型號數(shù)據(jù)應(yīng)該堆積在PLC的寄存器中，并上傳給監(jiān)控計算機（圖3），這對PLC的數(shù)據(jù)存儲內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)的通訊能力也提出了較高的要求。
如果有一種新的控制方案能夠讀取即將到達(dá)總拼工段的車身的型號、提前為車身側(cè)圍排序，將三條側(cè)圍緩沖鏈減少為一條，并可方便地在計算機上存儲、顯示緩沖區(qū)的車身側(cè)圍分布情況及其匯總信息，那將提高總拼工段的生產(chǎn)節(jié)拍，提供更直觀、形象的生產(chǎn)監(jiān)控畫面。
WBS和PBS緩沖區(qū)的控制
柔性化的汽車生產(chǎn)要求每輛車體在生產(chǎn)過程中佩帶一個標(biāo)識本車體生產(chǎn)信息的標(biāo)簽（RF Tag或條型碼），該標(biāo)簽記錄了本車體的車型、顏色、選裝件、內(nèi)飾選項及交貨日期等車身屬性數(shù)據(jù)。
當(dāng)白車身佩帶標(biāo)簽離開焊接車間，進(jìn)入白車身緩沖區(qū)WBS (White BodyStorage)后，白車身在此根據(jù)車身顏色及車輛交貨日期重新排序，最理想的排序結(jié)果是：交貨日期緊的、相同顏色的車體被成組送往油漆車間，已噴漆的車體離開油漆車間后，即進(jìn)入 PBS(Painted Body Storage)緩沖區(qū)（圖4）。車體在此根據(jù)車型、內(nèi)飾選項、交貨日期及總裝車間的生產(chǎn)負(fù)荷再次重新排序，排序后的車體被送往總裝車間完成內(nèi)飾、儀表盤及發(fā)動機的安裝。
由此可見，WBS和PBS是整車生產(chǎn)過程中的兩個重要緩沖區(qū)。這兩個緩沖區(qū)的控制效果也影響了油漆車間的原料消耗和總裝車間的生產(chǎn)效率。通常，WBS和PBS都采用立體車庫式的存儲模式（圖5），每個存儲單元的存車和取車操作由堆垛機按照預(yù)先設(shè)立的規(guī)則來完成。
那么，由WBS緩沖區(qū)取車送往油漆車間的操作應(yīng)符合如下規(guī)則：必須將至少三輛以上的相同顏色的車體排成一組，送往油漆車間；必須將交貨日期還剩一周的車體送往油漆車間；在此緩沖區(qū)的車體排序不考慮車型、內(nèi)飾選項等車身數(shù)據(jù)。
由PBS緩沖區(qū)取車送往總裝車間的操作應(yīng)符合如下規(guī)則：確保送往總裝車間的車體所需安裝的部件不能處于缺料狀態(tài)；根據(jù)不同的車型所需的勞動強度，將不同車型的車體交叉排序送往總裝車間，使得總裝車間的工人的勞動負(fù)荷處于均衡狀態(tài)；在此緩沖區(qū)的車體排序不考慮車身顏色。
這兩個緩沖區(qū)的控制難點在于：需要建立緩沖區(qū)的車體跟蹤的數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型應(yīng)該記錄緩沖區(qū)內(nèi)和離開緩沖區(qū)的車身隊列中每個車身標(biāo)簽數(shù)?？刂瞥绦驊?yīng)該從數(shù)據(jù)模型中讀取數(shù)據(jù)，獲知車體在緩沖區(qū)內(nèi)和緩沖區(qū)出口處的分布，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法從緩沖區(qū)選出合適的車體。
如果采用傳統(tǒng)的PLC控制，緩沖區(qū)的跟蹤數(shù)據(jù)模型勢必要建立在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，這將占用大量的PLC數(shù)據(jù)寄存器。設(shè)想一下，緩沖區(qū)內(nèi)有100個存儲單元，每個存儲單元所存放的車體的標(biāo)簽數(shù)據(jù)需占用30個字，那么建立該數(shù)據(jù)模型需要占用3000個數(shù)據(jù)寄存器。然后，PLC中的控制程序需要使用查詢、比較等指令完成車體的選擇。車體排序的算法由PLC中的梯形圖程序來實現(xiàn)（圖6），這對擅長處理邏輯運算的PLC來說，并不是一件簡單的任務(wù)。
這種控制方案的缺點在于：PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)容量有限，所建立的跟蹤數(shù)據(jù)模型規(guī)模有限；利用PLC程序比較難于實現(xiàn)按車身屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計車體分布情況；車體排序算法完全由PLC梯形圖程序來實現(xiàn)，修改算法和增加算法都比較困難。
CIMPLICITY Tracker軟件的設(shè)計思路
CIMPLICITY Tracker是一個專門用于汽車生產(chǎn)跟蹤的軟件包，它是實現(xiàn)汽車生產(chǎn)過程跟蹤的眾多解決方案中的一種。CIMPLICITY Tracker通過讀取安裝在生產(chǎn)線上的條碼掃描器、RF Tag讀寫器的數(shù)據(jù)，在計算機中為每個通過生產(chǎn)區(qū)域的車身對象建立數(shù)據(jù)記錄，從而跟蹤每個車體的當(dāng)前位置及其車身屬性數(shù)據(jù)。一個典型的CIMPLICITY Tracker系統(tǒng)構(gòu)成如圖7。
由圖7可見，安裝在各生產(chǎn)區(qū)域的入口和出口處的傳感器探測進(jìn)入和離開生產(chǎn)區(qū)域的車身數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被PLC收集并匯報給CIMPLICITYTracker服務(wù)器。CIMPLICITYTracker軟件包為每個進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域的車身對象創(chuàng)立一個數(shù)據(jù)記錄，每個數(shù)據(jù)記錄包含多個字段，這些字段分別記錄了被跟蹤對象當(dāng)前所處的生產(chǎn)區(qū)域、跟蹤對象在區(qū)域內(nèi)的位置、跟蹤對象的類型（如：車身、側(cè)圍）和其他屬性數(shù)據(jù)（如：車身顏色、車型、內(nèi)飾）。這些對應(yīng)于每個車身的數(shù)據(jù)記錄被CIMPLICITY Tracker內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫保存，并隨著緩沖區(qū)入口和出口處傳感器數(shù)據(jù)的變化和緩沖區(qū)的跟蹤類型而不斷更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容。例如，如果用戶將生產(chǎn)區(qū)域1的跟蹤類型設(shè)定為“遞推(Shift)”型（圖8），一旦生產(chǎn)區(qū)域1的入口處的傳感器探測到車體C（車身的標(biāo)簽數(shù)據(jù)）進(jìn)入跟蹤區(qū)域，CIMPLICITY Tracker數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)于車體A和車體B的數(shù)據(jù)記錄的位置字段的數(shù)值會加一（即：向前移動一個位置），車體C的數(shù)據(jù)記錄的生產(chǎn)區(qū)域字段會更新為“生產(chǎn)區(qū)域1”，這表明車體C已經(jīng)進(jìn)入了生產(chǎn)區(qū)域1。
CIMPLICITY Tracker的路由選擇控制功能
除了對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的車身對象進(jìn)行跟蹤之外，CIMPLICITY Tracker還能根據(jù)當(dāng)前跟蹤模型內(nèi)的車體分布狀況和外部條件，按照用戶預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對跟蹤模型內(nèi)的車體的下一個加工路徑進(jìn)行自動優(yōu)化選擇（圖9）。
當(dāng)車體C到達(dá)加工點X時，車體C面臨三種加工路徑的選擇。車體C下一步該進(jìn)入哪個生產(chǎn)區(qū)取決于如下因素：三個生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的車體分布情況、車體C后續(xù)車輛的分布情況、某些影響生產(chǎn)的外部條件。
CIMPLICITY Tracker將上述加工路徑選擇點看作是一個RCO（RoutingControl Object）對象，跟蹤模型中的所有數(shù)據(jù)記錄（即：所有生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的車體分布狀況）可以參與選擇加工路徑的運算。此外，CIMPLICITYTracker內(nèi)置的多種功能塊可以方便地幫助用戶創(chuàng)建選擇加工路徑的算法。圖10是CIMPLICITY Tracker軟件提供的圖形化的RCO組態(tài)界面。
CIMPLICITY Tracker計算出車體的下一步加工路徑后，計算機會將控制數(shù)據(jù)下載給PLC，最終由PLC控制執(zhí)行機構(gòu)將車體送達(dá)指定區(qū)域。與傳統(tǒng)PLC的梯形圖程序相比，采用CIMPLICITY Tracker完成生產(chǎn)跟蹤和加工路徑控制有如下特點：
● CIMPLICITY Tracker使用圖形化的組態(tài)界面，面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案，組態(tài)靈活，易于理解和維護(hù)。
● CIMPLICITY Tracker利用PC的高速處理能力和大容量的存儲能力來跟蹤被加工的車體對象。PLC的內(nèi)存及其運算能力決定PLC不能完成復(fù)雜的跟蹤任務(wù)。
CIMPLICITY Tracker具有豐富的內(nèi)置功能塊和算法，可以對車體對象的各種屬性進(jìn)行統(tǒng)計，如對車體對象進(jìn)出某個加工區(qū)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計等。這些功能都通過可組態(tài)的方式提供給用戶，非常易于使用。如果使用PLC的梯形圖程序來實現(xiàn)這些功能，則會消耗大量的PLC內(nèi)部資源。
● CIMPLICITYTracker作為CIMPLICITY HMI軟件包中的一個組件，跟蹤數(shù)據(jù)可以方便地通過HMI中的數(shù)據(jù)點（虛擬點）集成到監(jiān)控畫面中。用戶通過監(jiān)控畫面即可以了解到生產(chǎn)跟蹤信息。
基于CIMPLICITYTracker的總拼工段控制方案
基于CIMPLICITYTracker的總拼工段控制方案將使得車身底盤與車身側(cè)圍的匹配跟蹤更具柔性化和可視化。首先，車身底盤在進(jìn)入總拼工段之前即被生產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的條碼掃描器讀出車身型號，并在跟蹤模型中為該車身建立數(shù)據(jù)記錄。跟蹤模型中的數(shù)據(jù)記錄反映了即將進(jìn)入總拼工段的車身底盤排序情況，這些數(shù)據(jù)可以由運行CIMPLICITYTracker的計算機通過網(wǎng)絡(luò)傳送到車身側(cè)圍的取料控制器和顯示工作站，用于控制和顯示車身側(cè)圍上料的次序，確保車身側(cè)圍的排序與車身底盤隊列匹配。具體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。
采用了CIMPLICITY Tracker的總拼工段控制方案具有如下特點：實現(xiàn)了車身底盤和車身側(cè)圍在總拼過程中的全程跟蹤；利用CIMPLICITYTracker的圖形顯示功能，車身底盤和車身側(cè)圍的排序分布情況可以動態(tài)地顯示在計算機屏幕上，方便生產(chǎn)管理人員查看和操作；使用一條車身側(cè)圍輸送鏈完成側(cè)圍隊列的輸送，取消了多條緩沖鏈的設(shè)置，簡化了車身側(cè)圍緩沖區(qū)的構(gòu)造。
基于CIMPLICITY Tracker的WBS和PBS控制方案
對WBS和PBS緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)量眾多的車體的跟蹤是 Tracker的又一典型應(yīng)用（圖12）。為了建立跟蹤模型，兩個RF Tag讀寫器需要被安裝在緩沖區(qū)的入口處和出口處。當(dāng)新車體進(jìn)入緩沖區(qū)時，RF Tag讀寫器將讀取車身上的標(biāo)簽信息，對應(yīng)該車體的數(shù)據(jù)記錄也隨即在跟蹤模型中被建立。CIMPLICITY Tracker通過接收緩沖區(qū)入口處和出口處的RF Tag讀寫器匯報的車身數(shù)據(jù)，來刷新跟蹤模型中的數(shù)據(jù)記錄，以保證跟蹤模型中的數(shù)據(jù)記錄實時反映緩沖區(qū)內(nèi)的車體分布。
利用CIMPLICITY Tracker的路徑選擇功能可以對緩沖區(qū)的取車排序?qū)嵭袃?yōu)化控制。由于緩沖區(qū)內(nèi)的所有車身數(shù)據(jù)都被保存在跟蹤模型中，用戶可以通過調(diào)用CIMPLICITY Tracker的內(nèi)置功能塊對跟蹤模型中的數(shù)據(jù)記錄作分析和判斷，決定取出合適的車體送往下一個生產(chǎn)車間。CIMPLICITY Tracker所作出的取車決定將通過數(shù)據(jù)命令下傳給PLC，并由PLC控制堆垛機完成取車操作。取車操作完成之后，PLC通過數(shù)據(jù)字通知CIMPLICITY Tracker可以開始下一個選車的運算。
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