柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现精.docx
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柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现精
上海交通大学
硕士学位论文
柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现姓名:
包晔
申请学位级别:
硕士
专业:
工业工程
指导教师:
奚立峰;周宁
20050301
柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现摘要
汽车制造业柔性生产线的工位控制对提高生产效率,促进车间信息通畅,保障信息记录的完整性,提高防错能力和安全性能等方面起到了关键作用。
本文提出了一个基于现场总线的工位集成智能系统的设计构想,对现有的工位控制的各个功能系统进行了系统集成。
分析、总结、提出了当前系统存在的各类问题;介绍了系统的总体设计方案;就本系统的三个功能子系统智能QCOS系统、物料拉动子系统和质量追溯子系统分别进行了详细展开与讨论,提出了各子系统的设计方案和软硬件实现。
工位智能控制系统实现了QCOS控制、物料拉动、质量追溯、员工管理等多种功能的集成和融合,提高了工位控制的总体效率和信息交流畅通度,解决了系统硬件成本节省瓶颈。
CAN总线在QCOS设计中的引入、用刷卡系统实现PPS物料拉动及无线电子拉动系统（RF-EPS的设计等内容也颇具应用新意和价值。
关键词:
工位控制,CAN,QCOS,防错,生产拉动系统,电子拉动系统
THEDESIGNANDREALIZATIONOFINTEGRATEDINTELLIGENTCONTROLSYSTEMONFLEXIBLELINEWORKSTATION
ABSTRACT
TheworkstationcontrolsysteminAuto-Industryflexiblelineplaysakeyroletoincreasetheproductionefficiency,improvethecommunication,guaranteetheintegralityofshop’sinformationrecordandenhancetheerror-proof&informationsecurity.
ThepaperproposesadesigntosetupanIntegratedIntelligentControlSystem（IICSbasedonon-sitebuslinetoconsolidatethecurrentdifferentcontrolfunctionsystemsinworkstations.Theexitingproblemsofthecurrentsystemarepresented,analyzedandsummarized.Theintegratedsolutionaregivenandthedesignschemeandsoftwareofthreesub-systemsliketheQCOS,PPS（ProductionPullingSystemandQualityTrace-backSystemarediscussedandstudied.
Theintegrationofmultiplefunctions,suchasQCOS,materialpullingsystem,qualitytrace-backsystemandemployeemanagement,arerealizedbytheIICS.Theworkstationcontrolefficiencyandinformationcommunicationaregreatlyimproved,resultinginabrandnewideatosolvethehardwarecostsavingissue.Also,therearemanyothervaluable
innovations,likeCANapplicationinQCOSdesign,ElectricIDcardapplicationinPPSandthedesignofRF-EPS.
Keywords:
Controloftheworkstation,CAN,QCOS,Error-proofing,PPS,EPS
附件四
上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
包晔
日期:
2005年3月8日
附件五
上海交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□,在
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”
学位论文作者签名:
包晔指导教师签名:
奚立峰
日期:
2005年3月8日日期:
2005年3月8日
第一章绪论
1.1课题背景
本课题来自上海某知名汽车有限公司——T公司。
总投资15.2亿美元的T公司是迄今为止最大的中美合资企业,依靠世界最先进的生产制造技术、世界一流的工艺设备、精益生产及质量管理体系,以及以顾客为中心的理念和中外双方的精诚合作,T公司正努力开创中国汽车工业的新世纪。
今后五到十年,T公司将力争成为国内领先的全系列乘用车制造和销售企业。
要实现这个目标,公司不仅必须在已有的业务领域继续保持竞争优势,还必须在更为激烈和多变的竞争环境中开拓新的业务。
通过依托先进的计算机技术、实施柔性化生产系统、提升企业运作水平,将成为T公司保持领先的竞争能力的重要手段。
T公司生产线大量使用自动化、计算机控制的柔性化先进设备。
其中车身车间采用可编程的设计,可以生产两种不同车身;动力总成车间的柔性单轴高速计算机数字控制机械加工中心用于生产发动机和变速箱零部件。
总装车间的柔性制造控制系统包括FLEX柔性制造、AVI车体自动识别系统、ANDON质量和物料电子看板系统、PMC制造监测控制系统、TC目标控制系统等。
然而,在竞争日趋激烈的汽车制造业中,以不断降低成本和增加系统集成度来提高生产效率和经济效益仍是企业生存的不二法则。
这就要求已取得卓越业绩的T公司仍旧应抱着“生于忧患”的奋斗信念来不断完善和改造自己,以寻求更高层面的突破和成功。
本文对T公司工位控制系统进行了了较为详尽的讨论分析。
文章希望在该领域理论层面和实际应用层面所形成的成果,能直接成为T公司使之在激烈竞争中立于不败之地的众多企业“瑰宝”之一,当然也希望能够成为国内其他汽车制造企业的“他山之石”,为国产汽车将终究能立稳于全面开放的中国汽车市场而添一份自信与力量。
1.2研究意义
柔性生产在T公司的广泛使用极大地提高了生产线上的工时利用率和生产效率,弥补了单一车型生产时,由于缺件、倒线所造成的工时空耗和空线现象。
同时柔性化生产也是计算机辅助生产的一种方式。
在制造系统中的柔性可以表述为两个方面。
第一方面是系统适应外部环境变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量;第二方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰（如机器出现故障情况下,这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。
“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。
刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品,难以应付多品种中小批量的生产。
相对于过去手工的、机械的生产方式,柔性化生产更强调计算机软件的基础,灵活性、调整方便以及人性化的空间。
据T公司多年柔性生产的数据统计,柔性制造生产系统可提高生产设备的利用率约50%-100%,减少设备占用面积约40%-60%,节省操作人员约20%-40%。
大量柔性化数控先进设备的使用,可以在引入生产新款汽车时,方便而又经济地转产,而不需象传统生产线那样花费大量时间、人力去调试生产设备。
如今,大小、配置截然不同的中高档轿车、旅行车、紧凑型轿车实现共线生产,T公司的生产线的柔性程度在世界汽车制造业中也是屈指可数。
工位点的控制是整个柔性生产线优良与否的关键所在。
本文在T公司总装车间的装配过程中已经发现由于当前工位控制系统不够健全而带来的诸多问题（具体问题1.3.3有详细的分析。
如何完善当前工位点的控制系统,并借此来提高总装车间的装配效率、安全性,提高工位控制的防错性能,降低系统的成本是当前十分有意义的一项研究工作。
1.3研究现状
1.3.1工位控制说明
本文所研究的工位控制是指对总装车间柔性生产线上工位点的控制。
我们把一辆车的装配分解成许多个工作要素（步骤,把这些要素按装配的部位（工位分成组,每一组叫做一个工位的工作要素组,我们把对一个工位的工作要
素组的控制称之为工位（点控制。
每个工位控制和每个工位要素组一样,都是根据“标准化作业单”来执行的,各个工位控制在内容上相互之间没有重复,也没有遗漏,它们构成一个连贯的整体,共同完成对车辆的装配。
工位暗灯板
A:
操作工
B:
工位枪
C:
QCOS复位按钮（BYPASSD:
QCOS扭矩控制器
E:
EPS物料需求按钮
F:
线旁EPS物料
G:
PPS物料看板卡
H:
线旁PPS物料
I:
工位板
图1-1工位布局图
Fig.1-1theLayoutofWorker‘sLocation
图1-1简单示意了T公司工位号为“023”工位的物理布局。
流水线载着待加工车从右向左以恒定的线速度（流水线速度移动。
固定在该工位上工作的操作员工对每一辆进入该工位的待加工车进行该工位的工作要素组操作,并且必须在该车随着流水线移出该工位前完成工作。
“023”工位的工作要素组可简单概括为:
操作工根据不同车型选取不同的线旁物料,用工位枪对待加工车进行相应的物料加工。
但是,操作工除了完成该工位的工位要素组外,还要负责协同工位控制各系统完成对该工位的工位控制。
由图1-1可以看出,每个工位在硬件上主要包括QCOS控制系统、物料架、工位板等部分,由几个工位构成的一个工段拥有一个暗灯板。
其中,QCOS控制系统用于对QCOS点的控制,它是工位控制的核心部分,这部分当前面临的一个重要问题就是如何对QCOS点进行防错控制;物料架用于放置所需的零配件,其背后涉及到物料拉动的问题;工位板用于显示现场的控制信息,它包括标准作业单、工作指令单、物料数据单、质量检查单、1/50布局图、制造问题等多项内容,对工位控制起到指导和质量保障的作
用;操作用工暗灯板向班组长等寻求支持。
另外,每四个工段设置一个质量检查点,进行质量在线控制。
图1-2从逻辑的角度对工位控制进行了说明。
如图所示,工位控制根据功能可以分为独立的三大块:
QCOS防错控制、物料拉动控制和质量追溯,其中物料拉动控制又分为EPS物料拉动和PPS物料拉动。
我们仍以“023”工位为例,该工位中的QCOS防错控制由QCOS扭矩控制器、BYPASS按钮及工位枪组成,操作工需要协同完成该防错控制系统的工作,预防及检验是否存在工位枪误打、漏打、多打等操作失误情况。
线旁物料快消耗完时,操作工需要及时用PPS用看板卡启动PPS物料拉动系统或按EPS物料按钮来启动EPS物料拉动系统。
而工位板、暗灯线和暗灯板帮助操作工实现现场求助和质量追溯。
图1-2工位控制系统逻辑图
Fig.1-2thelogicalschemeofWorker‘sLocationcontrolsystem
下面就对工位控制涉及到的QCOS点的防错控制、对物料拉动的控制和对质量的控制这几个方面的技术和相关知识加以说明。
1.3.2相关技术研究
1防错技术
在介绍防错技术之前,先介绍一下与之密切相关的目标“零缺陷”。
在现代企业的激烈的竞争中,企业对质量的要求越来越高,零缺陷的质量是设计、制造、服务所追求的目标。
被誉为全球质量管理大师、“零缺陷”之父和伟大的管理思想家克劳士比,从60年代初提出“零缺陷”思想,并在美国推行零缺陷运动。
后传至日本,在
日本制造业中全面推广,使日本的制造业产品质量迅速提高,并且达到了世界级水平,继而扩大到工商业所有领域[1]。
“零缺陷”又称无缺点ZD,零缺陷管理的思想主张企业发挥人的主观能动性来进行经营管理,生产者、工作者要努力使自己的产品、业务没有缺点,并向着高质量标准目标而奋斗。
它要求生产工作者从一开始就本着严肃认真的态度把工作做得准确无误,在生产中从产品的质量、成本与消耗、交货期等方面的要求来合理安排,而不是依靠事后的检验来纠正。
零缺陷强调预防系统控制和过程控制。
开展零缺陷运动可以提高全员对产品质量和业务质量的责任感,从而保证产品质量和工作质量。
防错技术是实现“零缺陷”强有力的手段。
防错（poka-yoke是日本工程师ShigeoShingo在20世纪60年代提出的。
Poka-yoke是日本语,本义就是“防止错误”的意思。
POKA-YOKE的基本理念主要有如下三个:
⑴决不允许哪怕一点点缺陷产品出现,要想成为世界的企业,不仅在观念上,而且必须在实际上达到零缺陷。
⑵生产现场是一个复杂的环境,每一天的每一件事都可能出现,差错导致缺陷,缺陷导致顾客不满和资源浪费。
⑶我们不可能消除差错,但是必须及时发现和立即纠正,防止差错形成缺陷。
防错的目的是在产品的设计和生产过程中尽可能早地发现和改正错误,杜绝产品缺陷的产生[2]。
防错装置的应用在全行业进行推广,消除人为失误所造成的产品缺陷。
它是零缺陷防错理念和技术的物化体现。
绝大部分的缺陷故障都是由人的疏忽失误造成的,控制消除人为的差错可以大大降低缺陷率甚至消除缺陷。
而零缺陷是当今激烈竞争下各企业所追求的质量目标。
因而防错装置的开发应用具有十分重要的现实意义。
一般来说,防错装置在生产过程中可以起到以下作用:
（1遇到异常（缺陷时停止;
（2控制过程,使缺陷件不能流到下道工序;
（3将要发生或遇到异常（缺陷时发出警告。
由此,防错装置能够有效地防止各种人为的失误,保证了“不接受缺陷、不制造缺陷、不传递缺陷”的精益生产原则。
一般来说好的防错装置,无论实施的情况怎样,都应有一些共同的特征[3]:
（1防错装置应该是简单而廉价的,如果太过复杂或昂贵,那么这些装置就不具有成本效益;
（2防错装置应该是具体而富有针对性的,不能是华而不实的东西;
（3防错装置应该放置在靠近错误发生的地方,可以向工人提供快速的反馈,使错误可以得到尽快的修正。
质量预防体现在设计、制造、服务过程中,都可以称之为防错设计或防错技术。
当前,国内外已有许多企业在各个领域开展了对防错技术的研究。
比如汇众公司是开展“零缺陷”活动最早的企业,近10年来开发零缺陷装置600多例,创造了巨大的价值,取得了宝贵的经验,以“防错装置”开发为中心的零缺陷实践是该公司深化“零缺陷”管理、培育质量文化的物质和精神财富。
延锋伟世通建立了公司的全员设备维修系统TEM,并利用MAXIMO工具软件开展预防性维修,以预防为首要手段,达到“零”的计划外停机,降低维修成本和备件库存。
上汽安吉物流公司根据本企业的特点,将“零缺陷”实施重点放在汽车整车运输过程中的“零质损”上,不断对整车贮运过程中引起“质损”的各个关键点进行改善和加强,并加强过程的控制。
2物料拉动
在所谓现代意义的“降低成本”为基本目标的指引下,现代企业更多采用“精益生产”来替代以前的“规模生产”。
精益生产适用于多品种小批量生产,这使之更适应于商业竞争愈演愈烈的当代社会。
与此同时,精益生产所要求的“彻底消除浪费”和“降低库存”越来越受到制造业界的重视。
同样实施精益生产的T公司采用的物料拉动是一种通过控制物流来补充消耗掉的资源的一种方法。
[4]为实现精益生产所要求的生产准时制,国内外许多企业往往采用拉动式作业方法,即由下游生产工位对物料需求的实况（生产作业流,实时地拉动上游车间暂存仓库或采购仓库至生产工位的准时送货（配送作业流。
T公司的拉动式物流方式在厂内现场物流模式主要分为两类:
根据实际的零件消耗来补充物料的生产拉动系统PPS（ProductionPullSystem和电子拉动系统EPS（ElectronicPullSystem。
当前生产线上,PPS使用的是看板拉动系统。
操作人员开始用料时,把开
始使用的零件的看板卡片放在一个盒子里,然后暗灯系统会在固定的时间间隔（比如两小时来通知收集卡片的人员,把卡片收集上交给物料部门,顺便带走空箱子,物料部门再把卡片扫描进电脑,根据卡片运送物料到相应工位,并在所补充的零件里面放上卡片。
当前采用的EPS系统为暗灯拉动系统。
现场操作人员在零件使用到规定的较少数量时,就通过按钮发出拉动信号,然后物料附近的暗灯板上对应工位的灯就会闪烁,叉车司机就会取走该工位的卡片,然后按对应的按钮给以确认,并向该工位送卡片上所对应的物料。
由于每个工位至多有一个需要使用EPS的关键零件,因而叉车司机就可以根据所取卡片的工位号来运送相应的零件到工位上。
另外卡片的右上角有不同颜色的标记来表示该零件的紧急程度,叉车司机就拣最紧急的零件运送。
3质量追溯
生产制造企业的质量管理中,质量跟踪和质量追溯是至关重要的环节,这同时也是ISO9000质量管理体系的基本要求之一。
质量跟踪和质量追溯也是厂家查找质量问题的重要手段和质量持续改进的必要手段[5]。
在现实中,这也是追回问题产品的必要途径。
质量追溯贯穿了从产品采购到售后服务的全过程。
要实现质量追溯就要求对采购、生产、库房管理、装配、售后服务等各阶段的产品信息给予全面的记录,然后根据记录的信息实现对原材料和产品的追溯。
质量追溯可以分为正向追溯和反向追溯。
（1正向追溯:
正向追溯要求从指定物资（外构物资、铸件、零件追溯到加工过程各个环节及所在成品的信息。
正向追溯有四条线,分别是:
外购物资正向追溯;铸件正向追溯;关键件正向追溯;非关键件正向追溯。
外购物资正向追溯。
根据选定物资的交检单记录查出其交检单编号;用交检单编号查出库存记录;由库存记录中的库存标识（可以由时间、物资的图号和在库房中的位置组成查出零件检验记录和成品检验记录;如果零件是非关键零件,用零件的检验记录查出零件的库存记录,进而用库存标识在成品装配记录中查出零件所安装的成品;如果零件是关键零件,用件号在成品装配记录中查出零件所安装的成品;用成品编号查出成品的安装位置和维修情况。
铸件正向追溯。
根据铸件检验记录查出其交检单编号;用交检单编号查出库存记录;由库存记录中的库存标识查出对应的零件检验记录。
再由零件检验
记录查出对应成品信息。
关键件正向追溯。
用关键件件号查询成品装配记录,得到成品信息。
非关键件正向追溯。
用非关键件检验记录编号查出该批非关键件批号,用批号在成品产品配件表中查出其所在成品。
（2反向追溯:
反向追溯要求从成品质量问题（一般是客户使用过程中发现追溯出该成品所用物资（外购物资、零件的采购加工过程,找到责任点。
反向追溯的查找步骤是:
根据维修记录中的成品编号找到成品检验记录和对应产品配件表;根据产品配件表上每条记录中的关键件件号、零件库存标识或外构物资库存标识查出关键件加工和检验过程信息、非关键件加工和检验过程信息或外构物资检验信息。
再由零件检验记录编号查出所用外购物资或铸件检验信息。
1.3.3当前问题
通过研究现状,当前问题在系统集成和各控制系统的功能健全上都有所暴露。
下面简单列举了的几大问题,在本文三、四章节中将会详细展开与讨论。
1当前T公司总装车间柔性生产线在工位上的控制系统不是一个集成的系统,它的各个功能（包括QCOS控制、物料拉动、质量追溯、员工考评等都是通过各个独立的系统来实现的。
造成如下问题:
1硬件设备在使用上重复浪费,增加了成本;
2信息的流通被隔离开,严重阻碍了各个功能系统之间的信息交流,并且不利于各种信息全面、详实的记录;
3各个独立的系统不利于整个工位的统一控制,使对工位的控制管理复杂化,容易出错;
4不便于工位的重新安排调整;
5工位硬件系统过于复杂。
2当前QCOS防错系统存在问题:
1当前的QCOS控制盒,针对同一工位上不同车型之间存在QCOS的控制数量不同的情况,很难用一把拧紧工具完成这样的防错判断,存在质量风险;
2现场所采用的方法大多为人工控制（WitnessMark或加装PLC来控制不同车型之间的扭矩数量,而结果会造成一方面改装成本过高,另一方面也对以后的升级带来不必要的麻烦;
3易因操作工的人工选择和实际不匹配而导致不必要的停线,影响生产率。
3目前的使用的物料拉动PPS系统存在问题:
1容易造成操作人员由于疏忽而放错卡片;
2引起质量问题,影响装配效率;
3需要一个专门收集卡片的人,这样既浪费了人力资源,又增加了收集卡片上交的时间。
4当前的EPS系统存在问题:
1由于每个零件都对应一个按钮,因而会增加按钮数量,造成硬件资源上的浪费;
2叉车司机需要随时注意暗灯系统的电子看板,就会增加了叉车的行驶路线;
3因增加路线引起的安全问题增加的可能;
4增加叉车司机等待时间,等待浪费。
5当前的质量追溯存在的问题:
1生产现场的信息获取不全面,不可靠;
2员工的操作信息无法实时、同步、准确地记录到数据库里;
3当前员工的轮岗信息都记录在纸上,这有可能导致信息记录的疏漏和不实。
不利于找出操作的执行者来承担责任;
4不能追踪工作正常情况下操作者。
1.4研究目标及内容
1.4.1研究目标
本课题的研究目标:
为T公司开发一套基于现场总线的工位智能控制系统,
实现QCOS控制、物料拉动、质量追溯、员工管理等功能。
提高工位控制的总体效率,在成本上节约硬件资源,使信息交流畅通,使信息的记录详实、全面,同时便于操作人员控制和管理,防止错误的发生。
1.4.2研究内容
1开发一套控制系统来实现当前工位控制中由多个独立系统来实现的功能。
2让工人仅使用一套拧紧工具扭矩控制系统就能完成对不同数量相同扭矩QCOS点的操作,节约资源,避免工人的选择失误,成功实现生产线上的防错。
3改进当前的生产拉动系统（PPS和电子拉动系统（EPS。
使改进后的生产拉动系统无需操作人员来报告零件的使用情况,而是由物料部门决定物料的补充,只需操作人
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