0汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统

第 35卷第 9期 2007年 9月

同济大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF 1DNGJI UNIVERSI1Y(NATURAL SCIENα)

Vol.35 No.9 Sep. 2007

汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统谢楠 1, 2,李爱平 1,尤建新2,崔艳伟 1(1.同济大学现代制造技术研究所，上海

200092; 2同济大学经济与管理学院，上海

2∞092)

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.系统利用组态原理进行设计规划，主要包括组态软件模块和车间作业任务调度模块.其中，组态软件模块可根据生产对象的不同而适时改变自身物理或逻辑构型，构建特定产品的专用控制系统;车间作

业任务调度模块采用了基于 Petri网和遗传算法 (Petri-GA)相结合的算法，目标函数为系统重组费用与 E厅(Earli­ ness/f缸diness)惩罚相结合的加权单目标优化.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结果，运行结果表明，提出的控制系统能有效地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:可重组生产线;汽车电机;过程监控;控制系统;组态;调度中固分类号: TH 166文献标识码:A文章编号: 0253 - 374X(2007)09 -1244 - 05

Auto Motor Reconfigurable Production Li ne Process Monitoring and Opimal Control SystemXIE Nan 1 2, LI Aiρing 1, YOU Jianxin 2, CUI Yanwei 1(1. Institute of Advanced Manufacturing Technolc町. Tongji University .Shanghai 2∞092.China; 2. Sch∞,1 of E∞旧ni臼缸XI Management. To昭ji University. Shanghai 200092. China)

Abstract: This paper pr白白ts a novel auto motor reconfigurable production line∞ntrol system for re∞nfiguration production to meet the r同uirement of multi-productions and lots variations. The whole

system is designed on the basis of∞nfiguration system and includes configuration software subsystem and workshop scheduling subsystem. The∞nfiguration software can be confjgured easily for the process monitoring of a given auto motor specification by both physical re∞nfiguration and logical reconfiguration since re∞nfjgurable components are modular structures. A genetic algorithm (GA) embedded with Petri nets for scheduling is implemented, and the new weighted single-objective optimization based on re∞nfjguration∞st and E/T is used. The principle and framework of the system are explained in detail, and furthennore, the system is applied to SAAE Co., Ltd. to test its effectiveness.

Key words: re∞nfigurable production line; auto motor; proc臼s monitoring;∞ntrol system;∞nfigu­ration principle; scheduling

2005 -12一 26基金项曰:上海市"十五"重点科技攻关资助项目 (031111002);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (2∞40247033 ); ..t海市基础

研究重点资助项目 (05JC14060)

收稿日期:

作者简介:谢楠(1975 - ).女，江苏常州人，博士后. E-mail:xienan115@hotmail.∞m

第 9期

谢楠，等:汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统

1245

造业的竞争和用户需求的快速变化使得汽车

由用户自己定制特定的控制状态，调整组态和升级

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可重组性要求.可重组性

组元，极大地提高了系统的可重组性.

1. 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，

意味着制造系统的组元可升级，组态可调整[14,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.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

其基本组成框图如图 1所示.

数据分析、监控报告、

转子校直跳动轨曲线及故障分析、系统组态构建z系统设备选择、工装选择、加工参数选择、采集数据选择等设置

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的竞争.针对汽车电机生产线的现状，笔者提出并研究

车间作业计划调度

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，并网络

通用计算机

噩回国

fi

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.

图 1

汽牢电机可重组生产线控制系统基本组成框图日"3IIlework

Fig.l

of auto motor reconfigurable

production line control system

1系统设计原理1. 1组态原理组态原理(臼nfiguration Principle)是一种可根

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.

1. 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

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.基于组态原理的控制方式是当前控制系统

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:

软件发展的主要方向之一，如国外的Labview, IFix

(1)加工设备选择.汽车电机生产线的瓶颈工

和 WinCC,国内的 MGES和组态王等[7],都是典型的组态控制软件.

位为绕线工作，配置一台可移动绕线机(可共用) .可根据当前生产线生产节拍的要求，依照调度方案选

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

择瓶颈工位加工设备的不同配置实现生产能力的改变.

(2)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.(3)加工参数选择.针对不同型号的汽车电机

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

传送不同的加工参数，如压力参数、绕线参数、检测

1246

同济大学学报(自然科学版)

第 35卷

参数、尺寸公差参数等. (4)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，为系刁丐.

车间作业计划调度模块算法流程图如图 2所

统快速故障诊断提供依据.

开始

1. 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建立相应的 Petri网模型

种构形生产何种产品，而控制系统是根据不同的生

N

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.本系统的车间作业中的重组费用计算约束惩罚函数值计算每个个体的适应度函数值给出作业调度甘特图结束

调度采用基于 Petri网和遗传算法 (Petri-GA)相结合的调度算法.根据系统重组方式的不同，重组费用计算分成

两部分，一部分为可移动加工设备的使用造成的重组费用，另一部分为对于不同的加工工件，需要对可

进行轮盘选择，个体交叉

变结构机床进行构件替换造成的重组费用.

设可移动加工资源的使用是在加工工序 i发生，构件重组替换是在加工工序 j发生.定义 S为加工工序 i的状态集， s=ls o, sll,其中: 50表示加工工序 i没有进行重组， SI表示工序 i进行了重组，使

用可移动加工资源同时加工.则工序 i的重组费用函数定义为 g:SX S→R,其中:R为非负实数集，表示重组费用值，相同状态间的转换费用为零.

固 z

车间作业计划调度算法流程固ofwo由hop

Fig .2 F10w chart of时leduling aI伊ithm

22. 1

系统结构设计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，通过转子加工设备自身变化以及加工设备间联系变

类似地，定义加工工序 j的状态集 Q= 1ql'的，..., qJ.可变结构机床进行重组替换后加工不同的工件定义为其处在不同的加工状态.定义重组费用函数为 h:QX Q→R,相同状态

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.

间转换费用为零， h (i,j)表示从 qi状态到%状态的转换费用. Petri网模型中重组相关变迁的发生将可能改

2.2

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.

变加工工序的加工状态，根据染色体的变迁序列和

现场设备层:主要功能是连接现场设备，如现场

生产线的初始状态，可以计算出生产线的重组费用，

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

fl

=

~i十~hi, i, hi表示两个可重组工序某一Eíf约束惩罚函数必须满足两个条件:①工件

次的重组费用.

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

必须按期完成，即 VeiεE,

V d iε D,满足 ez豆豆

矶，其中:E为工件完工期集;D为工件交货期集.②

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

提前约束惩罚计算，即 minf2

=~罢， T i

-

di

- ei.

采用多目标优化定义适应度函数，定义 13=

wlfl+ w2h,其中:/1表示整个加工工程中的重组费用;12表示 Eíf约束惩罚画数;即 1和 W2为两个目标函数的权重.

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.

第 9期

谢

楠，等:汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统

1247

且塑|车间服务器←斗

甲曰以太网交换机卡

连接方式:总线型连接网络 z以太网

协议:传输TCPIIP协议

(EEE-1::1:了二三

工工工自一平;二:;二;Jl

l

压轴|液压机← -1PLC矗迅幢换

堕型.·-··-··-··EE---亟JJ经212巴巴-!压轴液压机PLC理地模块

1-1

压整流子|液压机←!开关情号辑拽.

压整流子

液压机

开提情号转换器

-卡-…

绕线|绕线机←开盖帽号曾换嚣

绕线

绕线机

开提俯号辑秧"

点焊|电焊机←开关俯号转铁黯

点焊

电焊机

连接方式:总线型连接网络 z工业以太网协议.传输TCP/IP协议

开关情号转换器

检验、复检|检验机←阜口信号篝口辑钱"

检验、复检

检验机

1-卡--

审口情号瞿口辑换揭

校直|校直机←PLC矗坦檀挽工业回京罔

校直校直机PLC理思檀块

现场设备层

工业目太网

生产线 l

生产线n

固 3

生产线控制系统的硬件结构

Fig.3

Hardw31、e s衍uctw宅。.f

pnxluction line

ωntrol

system

2.3

生产线控制系统的软件结构组态控制软件模块是生产线控制系统的核心，

产订单，充分利用压轴、绕线、校直等不同工位的可重组元素，以准时生产和重组费用最小为目标，进行车间作业计划调度.三种产品的加工时间及交货期见表 1所示，其调度结果甘特图如图 4所示.通过组态控制软件模块的动态数据交换接口将作业计划传送到控制系统，组态控制软件模块可根据不同产品

它需要完成系统组态构建、数据库管理、硬件驱动、

组态信息下达、生产过程分析等多种任务，并且以模块化设计思想进行计算机监控界面设计.组态控制软件的功能模块包括接口及驱动、系统组态、数据分析、监控报告以及其他功能.

将加工任务和加工组态信息同时下达到生产线加工设备上调度算法在 Windows XP环境下，采用 VC++和 SQL2000设计实现.目前，生产线可实现一

3

系统实现同济大学现代制造技术研究所开发的汽车电机

天生产五种不同汽车电机，系统组态控制软件采用开放式结构，汽车电机不同的组态参数由组态控制系统的配方功能导人.M,M, M

生产线控制系统已经在上海航天汽车机电股份有限公司的汽车电机生产线投入试运行.试运行生产的

三种电机工艺路线区别如下:①由于电机转子头数

一， -一…

C'

一一→,

不同，压轴、绕线和电枢检查三道工序的加工参数、检测参数以及机床部分可变构件不同;②其中的一

,← 4一一

种电机绝缘工艺采用浸漆，另外两种采用插槽绝缘.根据上述区别在系统组态控制时，选择模块主要集中在设备控制模块、加工参数模块、检测参数模块以及可变构件模块.以下是该系统对生产现场生产线优化控制及过程监控的主要部分[5].以某一时段的三种汽车电机生产为例，根据生

SM什

M!JEILtiZLEEEEEM~L→- --~..-,一~ι- ..困~--_.

…--.I

.产品 A~,产品 BEE产品 C

10个单位时间

图 4

表 1作业计划调度后甘特图

Fig.4

Gantt o.f scheduling

1248表 1

同济大学学报(自然科学版)

第 35卷

各产品在相应设备的加工时间及交货期pr制览&'>ing t恤te

系统有效地提高了生产线对多品种、变批量产品生产的适应能力，提高了可重组性.参考文献:Mehrabi M G, Ulsoy A G, Koren Y, et al. Trends and pers阳tlv田 in他ible and reconfigurable manufacturing systems[J J. Joumal3

Tab.l产品编号

of each machine and due date交货期/

加工时间/单位时间

M1

M2

M 3/(M 3+ SM3)10/5

~句

MsC J

单位时间A 00ZJZO丛T r O

ABC n yn yζ U

3ζ U f r 3句

43

12/6

句

[IJ句

814

3

of Intelligent Manufacturing, 2002,曰: 135.注:Ml为压轴机;M 2为插槽绝缘机;M3为绕线机;SM 3为共用

[2J[3J

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绕线机;M4为电焊机;Ms为电枢检查仪.

加工设备的控制器采用西门子 S7-200、凌华工控机、松下 PLC等.对某一时段的生产线进行实时监控和控制，结果如图 5系统监控主页面所示.控制软件是在 Windows XP环境下，采用基于组态王软件[8]设计实现的.刊翩A

大学学报:自然科学版， 2∞5, 33 (11):1513.

XIE

N皿，

LI Aiping, XU

Li如ID.

Reconfigurable

manuf缸tmng

systern皿d

their key techniques[J J . Journa\ of T 0咱 i University:

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R.臼咀rch

report: develop-

ment and application project of key technology of IX二 motor re∞n­ figurable assembly line and it's equipment[RJ. Shanghai: Institute of Advanced Manufacturing Technol鸣y, Tongji University, 2004.[6J图 5系统监控主页面in阳-fa倪。>f

Schofield S, Wright P.üpent∞ls, Part

architecture∞ntrollers

for machine

1: Design principl四[Jl. Jo山nal of Manufacturing Sci-

Fig.5

Main

control system[7J

四面& Engineerir毡， 1998, 120(2):417.

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2005.

4

结语为了实现对汽车电机生产线的可重组控制，笔[8J

∞NG Yunx皿Configuration

software and application~田h。同y

[MJ. Beijing: Tsinghua Univers町 Pr四s, 2

∞5.亚控科技.用户使用手册[四IOLJ.[2005一 10 -15J. http:矿

者提出并研究设计了基于组态原理的生产线控制系统 .i亥系统可以快速响应市场变化，根据不同型号电机的生产订单要求进行快速转产，方便地调整生产线的可重组构件，形成新的生产能力和生产功能.该系统已在工业现场实际运行，测试结果表明，该控制

www. kingview. cαn.K吨听ew Co.. User' s man叫[EB/OLJ.[2005一 10 - 15J. http://www.ki鸣刘ew.∞m.

(编辑:张弘)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s6f4.html