CN116736812A - 一种上位与下位解耦的拧紧系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上位与下位解耦的拧紧系统及其控制方法，上位系统以IOT系统为核心，还包括执行系统页面、Andon页面、MES；下位系统以IOT‑PLC为核心，还包括拧紧机PLC、机运PLC；拧紧的JOB+VIN提前下发；凭借提前下发的JOB与VIN的对应关系，以及实时从机运PLC获得的VIN队列，得到实时的VIN，然后从拧紧机PLC中缓存的提前下发的JOB+VIN的关系，得到当前车辆的JOB，从而继续进行拧紧操作。采用上述技术方案，提出稳定和开放的拧紧方案，克服上位与下位紧耦合造成的缺陷和问题，减少工人的劳动负荷，提高工厂的单位时间工作量，提高劳动生产率。

Description

一种上位与下位解耦的拧紧系统及其控制方法

技术领域

本发明属于工业生产运行的物联网控制技术领域。更具体地，本发明涉及一种上位与下位解耦的拧紧系统。本发明还涉及该拧紧系统的控制方法。

背景技术

在现有技术中，工业生产过程中的拧紧方案有复杂的上位和下位的耦合，由于上位系统一般都部署在中心机房，所有的资源都是共享的，一个点出现问题，会造成整个上位系统的崩溃，这种强耦合将会使与生产强相关的下位也出现向上位系统请求数据不通的问题，从而造成生产的停线，这将大大影响生产的节拍和效率。

采用“生产；拧紧；上位；下位”等关键词，对现有技术的文献进行检索，与本发明相关的检索结果如下

中国专利文献：“一种拧紧装配生产系统”，专利公开号为108510023A，其技术方案如下所述：

该系统“包括服务器和至少一工站，工站包括上位机、下位机和电动工具，还包括后台服务端程序和工站客户端程序；电动工具通过现场总线连接下位机，上位机通过下位机控制电动工具和获取反馈数据；后台服务端程序提供配置模块供用户配置形成工站任务信息或产品任务信息；工站客户端程序用于根据当前工件上的条码信息从后台服务端程序获得当前工件在当前工站的工站任务信息，然后根据工站任务信息通知该工站的下位机控制电动工具来执行任务”；

其记载的技术效果如下：

“可根据电动拧紧工具的品牌及型号的不同进行相应配置，通用性高，且产品变换时，生产线切换效率很高，若电动工具故障，替换实现容易”。

但是，通过对该文献的详细分析后，发现该技术方案并未能解决现有技术中存在的“强耦合将会使与生产强相关的下位也出现向上位系统请求数据不通的问题，从而造成生产的停线，这将大大影响生产的节拍和效率”的问题与缺陷。

发明内容

本发明提供一种上位与下位解耦的拧紧系统，其目的是降低工人的劳动负荷，提高生产效率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的上位与下位解耦的拧紧系统，包括上位系统和下位系统；所述的上位系统以IOT系统为核心，还包括执行系统页面、Andon页面、MES；所述的下位系统以IOT-PLC为核心，还包括拧紧机PLC、机运PLC；拧紧的JOB+VIN提前下发；凭借提前下发的JOB与VIN的对应关系，以及实时从机运PLC获得的VIN队列，得到实时的VIN，然后从拧紧机PLC中缓存的提前下发的JOB+VIN的关系，得到当前车辆的JOB，从而继续进行拧紧操作。

提前下发的VIN+JOB数量取决于涂装下线点到总装10上线点之间滑翘或吊具的个数。

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其过程为：

1)、IOT系统向IOT-PLC下发执行系统的启动位置及停止位置百分比；

2)、机运PLC给IOT-PLC滑翘进入工位的百分比以及VIN队列；

3)、当滑翘进入工位的百分比达到该工位设置的开始位时，IOT-PLC从机运PLC的VIN队列中取出当前工位的车辆VIN，并以此VIN向上位请求该工位对应的JOB号；

4)、IOT-PLC取得VIN+JOB号后，将此信息传递给拧紧机PLC，拧紧机开始工作；

5)、拧紧机PLC基于此JOB进行工作，并向IOT-PLC上传拧紧结果；

6)、当滑翘进入工位百分比未达到停止位置时，已经得到了拧紧OK的结果，则IOT-PLC向机运PLC发送方向信号，否则不进行任何交互。

在所述的1)中，启动位置及停止位置百分比存储在IOT-PLC的DB块中；作为永久存储，一次下发完成后，如果不做调整，则不需要再次下发。

在所述的2)中，工位的百分比是从1％～100％；每增加1％，都要给到IOT-PLC一次；其反映了滑翘进入工位的百分比；其中，50％代表滑翘中心与工位中心重合；

在所述的2)中，VIN队列是通过RFID得到的；在进出总装位置、每条线的上下线位置，都安装有RFID；通过RFID识别VIN，从而实时更新机运PLC的VIN队列。

在所述的5)中，将拧紧工作是否OK传递给IOT-PCL。

当该工位所有拧紧都OK时，拧紧机PLC才会向IOT-PLC传递拧紧结果为OK，否则不进行任何信息传递。

当上位系统出现问题崩溃后，过程中的3)将不能实现，即不能拿到当前JOB号；此时IOT-PLC检测到上位系统ping不通或者信息挤压严重，则给拧紧机PLC发送标志位，直接利用机运PLC给到的VIN，从拧紧机PLC里缓存的VIN+JOB的关系，得到该车的JOB，然后进行后续的4)、5)、6)的过程，不影响生产。

缓存数据为修复上位争取到2-3小时以上的时间；如果此时上位仍然没有恢复，则现场通过刷卡拧紧机进入手动模式，此时没有JOB的下发，工人需要凭借经验进行拧紧操作，拧紧机PLC将记录每辆车的拧紧工艺数据，并最终提供给质量部门进行审核，最终在总装的质量门确认对此车确认是否达到可放行进入后续流程的判断。

本发明采用上述技术方案，提出稳定和开放的拧紧方案，克服上位与下位紧耦合造成的缺陷和问题，减少工人的劳动负荷，提高工厂的单位时间工作量，提高劳动生产率。

附图说明

附图所示内容简要说明如下：

图1是本发明的上下位系统的构成和基本的数据流示意图；

图2为本发明的传输协议及接口示意图；

图3为本发明的缓存数据的基本原理图(车间的位置的概念)；

图4是涂装下线的拧紧控制图；

图5为一个正常状态下的拧紧工作过程示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明涉及的技术词语包括：

VIN：Vehicle Identification Number(车辆识别码)的缩写；

JPH：单位时间工作量；

PLC：是可编程序控制器；

IOT系统：Internet Of Things，物联网操作系统；

Andon：也称“暗灯”，Andon系统是声光多媒体多重自动化控制系统；

RESTFUL：是一种网络应用程序的设计风格和开发方式；

MES：面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统；

OTT：“Over The Top(过顶)”的缩写，是指互联网公司越过运营商，发展基于开放互联网的各种视频及数据服务业务；

RFID：Radio Frequency Identification的缩写，为无线射频识别技术；

Ping：网络诊断工具。

如图1、图2所示本发明的结构，为一种上位与下位解耦的稳定和开放的拧紧系统，包括上位系统和下位系统。

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现降低工人的劳动负荷，提高生产效率的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图1、图2所示，本发明的上位与下位解耦的拧紧系统，所述的上位系统以IOT系统为核心，还包括执行系统页面、Andon页面、MES；所述的下位系统以IOT-PLC为核心，还包括拧紧机PLC、机运PLC；拧紧的JOB+VIN提前下发；凭借提前下发的JOB与VIN的对应关系，以及实时从机运PLC获得的VIN队列，得到实时的VIN，然后从拧紧机PLC中缓存的提前下发的JOB+VIN的关系，得到当前车辆的JOB，从而继续进行拧紧操作。

本发明针对汽车制造中最复杂的总装核心业务：拧紧，提出了一种稳定和开放的方案，可以减少工人负荷，提高工厂JPH。

本发明采用的是上下位解耦的方案，由于拧紧的JOB+VIN是提前下发的，所以，在上位出现问题时，尽管实时的请求JOB的接口是失败的，但是可以凭借提前下发的JOB与VIN的对应关系，以及实时从机运PLC拿到的VIN队列，得到实时的VIN，然后从拧紧机PLC中缓存的提前下发的JOB+VIN的关系，得到当前车辆的JOB，从而继续进行拧紧操作。

提前下发的VIN+JOB数量，取决于涂装下线点到总装10上线点之间滑翘(也作“滑撬”，生产线输送设备)或吊具的个数。

一般来说，生产线上会有几十个甚至上百个滑翘或吊具，如果按照JPH＝40计算，这部分缓存数据可用的时间为2-3小时，这段时间拧紧仍然是高效自动模式运行的，这就为修复上位系统提供了足够的时间。

这段时间过后，如果上位仍没有修复，则采用切换手动的方案进行拧紧操作。

上位系统是以IOT系统为核心，包括IOT系统、Andon页面、MES(面向制造企业车间执行层的生产信息化管理)系统、执行系统页面等；下位系统是以IOT-PLC为核心，包括IOT-PLC、拧紧机PLC、机运PLC等。

上位系统主要是提供数据源以及控制，下位系统主要是执行。

Andon也称“暗灯”，Andon系统仅是灯光，一个声光多媒体多重自动化控制系统，是一套专门为汽车生产、装配线设计信息管理和控制系统，已经成为汽车完整生产线中不可缺少一部分。Andon系统能够收集生产线上有关设备和质量管理信息，加以处理后，控制分布于车间各处灯光和声音报警系统。

执行系统主要是对整个系统进行配置，如基本信息的配置，指令下发等，这里比较重要的是重要参数的配置和下发，可以在执行系统中配置每个工位的启停位，并下发到IOT-PLC中；

MES系统主要是为IOT提供数据源，如JOB+VIN信息，物料信息等，IOT系统向其提供车辆在总装的过点信息，便于MES进行持续监控和留档；Andon画面主要是接受来自IOT系统的报警和停线信息，实时显示在车间大屏上，供现场的领导和工艺人员协调资源，及时解决现场问题。

IOT-PLC是下位的执行核心，所有的来自上位缓存信息、控制信息都被汇聚到IOT-PLC中，对现场至关重要的控线是在此逻辑判断出来的；

机运PLC主要是实时计算节拍数据(通过电机的转动圈数以及滑翘的长度关系获得数据)提供给IOT-PLC，得到控线或者放行的信号，控制是否停线；

拧紧机PLC是拧紧枪的核心组件，其主要是缓存JOB+VIN信息，实时获取JOB信息，并将JOB传递给拧紧枪进行工作，然后向IOT-PLC反馈拧紧枪的拧紧结果。

如图2所示；

上位系统都是通过Restful接口形式进行数据传输，上下位之间是OPCUA协议传输，下位之间由于都是西门子PLC，所以采用S7协议(如图所示)。

RESTFUL是一种网络应用程序的设计风格和开发方式，基于HTTP，可以使用XML格式定义或JSON格式定义。

OTT，是“Over The Top(过顶)”的缩写，是指互联网公司越过运营商，发展基于开放互联网的各种视频及数据服务业务。

RESTFUL适用于移动互联网厂商作为业务接口的场景，实现第三方OTT调用移动网络资源的功能，动作类型为新增、变更、删除所调用资源。

如图3所示，主要用于说明缓存数据的基本原理，是车间的一个位置的概念图。

涂装车间和总装车间是通过涂装下线点划分的，然后经过一段路程进入总装车间，当进入总装车间的10点时，进行报工，后面开始各个工位的总装相关操作。

如图4所示：

当某辆车在滑翘或者吊具上从涂装下线时，通过涂装MES系统的VIN队列，得到此时的车辆VIN，此时IOT系统将以此VIN为基础，向MES系统请求后续所有拧紧机的工作的JOB，并将VIN+JOB分别下发到10点上线后所有拧紧机PLC的点位中，从而达到缓存的目的。

如图5所示：

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其过程为：

1)、IOT系统向IOT-PLC下发执行系统的启动位置及停止位置百分比；

2)、机运PLC给IOT-PLC滑翘进入工位的百分比以及VIN队列；

3)、当滑翘进入工位的百分比达到该工位设置的开始位时，IOT-PLC从机运PLC的VIN队列中取出当前工位的车辆VIN，并以此VIN向上位请求该工位对应的JOB号是多少；

4)、IOT-PLC取得VIN+JOB号后，将此信息传递给拧紧机PLC，拧紧机开始工作；

5)、拧紧机PLC基于此JOB进行工作，并向IOT-PLC上传拧紧结果；

6)、当滑翘进入工位百分比未达到停止位置时，已经得到了拧紧OK的结果，则IOT-PLC向机运PLC发送方向信号，否则不进行任何交互。

在所述的1)中，启动位置及停止位置百分比存储在IOT-PLC的DB块(数据块)中；作为永久存储，一次下发完成后，如果不做调整，则不需要再次下发。

在所述的2)中，工位的百分比是从1％～100％；每增加1％，都要给到IOT-PLC一次；其反映了滑翘(上面是车)进入工位的百分比；其中，50％代表滑翘中心与工位中心重合；

在所述的2)中，VIN队列是通过RFID得到的；在进出总装位置、每条线的上下线位置，都安装有RFID；通过RFID识别VIN，从而实时更新机运PLC的VIN队列。

需要说明的是，部署这么多RFID是因为在换线的时候，车辆可能有拉入拉出的操作。(RFID为无线射频识别技术，是Radio Frequency Identification的缩写。)

在所述的5)中，将拧紧工作是否OK传递给IOT-PCL。

这里需要说明的是：拧紧机PLC的厂家需要提前缓存各个JOB对应的：拧紧点数、扭矩的上下限、角度的上下限；工人每次拧紧是否成功会在拧紧屏幕显示，且拧紧枪也会有亮灯的显示。

当绿灯亮时，代表此次拧紧的角度和力矩都达到要求，此次拧紧OK，可根据工艺要求进行下一个位置的拧紧；

当拧紧NOK时，则要立即返工，重新拧紧，直到拧紧OK才能进行后续任务。

当该工位所有拧紧都OK时，拧紧机PLC才会向IOT-PLC传递拧紧结果为OK，否则不进行任何传递。

需要强调的是：机运PLC默认是控线的，如果得不到任何放行信号，则机运PLC进行控线，并将相关控线原因、工位信息等在andon屏显示，以备相关人员快速解决。

当上位系统出现问题崩溃后，过程中的3)将不能实现，即不能拿到当前JOB号；此时IOT-PLC检测到上位系统ping不通或者信息挤压严重，则给拧紧机PLC发送标志位，直接利用机运PLC给到的VIN，从拧紧机PLC里缓存的VIN+JOB的关系，得到该车的JOB，然后进行后续的4)、5)、6)的过程，不影响生产。

缓存数据可以为修复上位争取到2-3小时以上的时间；如果此时上位仍然没有恢复，则现场通过刷卡拧紧机进入手动模式，此时没有JOB的下发，工人需要凭借经验进行拧紧操作，拧紧机PLC将记录每辆车的拧紧工艺数据，并最终提供给质量部门进行审核，最终在总装的质量门确认对此车确认是否达到可放行进入后续流程的判断。

本发明试验实例：

本发明应用在多个汽车制造企业的总装车间，并将JPH由不到30，提高到了60以上。工人在此套自动化系统的应用下，工作量大大下降，可省人工成本约20％。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上位与下位解耦的拧紧系统，包括上位系统和下位系统，其特征在于：所述的上位系统以IOT系统为核心，还包括执行系统页面、Andon页面、MES；所述的下位系统以IOT-PLC为核心，还包括拧紧机PLC、机运PLC；拧紧的JOB+VIN提前下发；凭借提前下发的JOB与VIN的对应关系，以及实时从机运PLC获得的VIN队列，得到实时的VIN，然后从拧紧机PLC中缓存的提前下发的JOB+VIN的关系，得到当前车辆的JOB，从而继续进行拧紧操作。

2.按照权利要求1所述的上位与下位解耦的拧紧系统，其特征在于：提前下发的VIN+JOB数量取决于涂装下线点到总装线各点之间滑翘或吊具的数量。

3.按照权利要求1或2所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法的过程为：

1)、IOT系统向IOT-PLC下发执行系统的启动位置及停止位置百分比；

2)、机运PLC给IOT-PLC滑翘进入工位的百分比以及VIN队列；

3)、当滑翘进入工位的百分比达到该工位设置的开始位时，IOT-PLC从机运PLC的VIN队列中取出当前工位的车辆VIN，并以此VIN向上位请求该工位对应的JOB号；

4)、IOT-PLC取得VIN+JOB号后，将此信息传递给拧紧机PLC，拧紧机开始工作；

5)、拧紧机PLC基于此JOB进行工作，并向IOT-PLC上传拧紧结果；

6)、当滑翘进入工位百分比未达到停止位置时，已经得到了拧紧OK的结果，则IOT-PLC向机运PLC发送方向信号，否则不进行任何交互。

4.按照权利要求3所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：在所述的1)中，启动位置及停止位置百分比存储在IOT-PLC的DB块中；作为永久存储，一次下发完成后，如果不做调整，则不需要再次下发。

5.按照权利要求3所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：在所述的2)中，工位的百分比是从1％～100％；每增加1％，都要给到IOT-PLC一次；其反映了滑翘进入工位的百分比；其中，50％代表滑翘中心与工位中心重合。

6.按照权利要求5所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：在所述的2)中，VIN队列是通过RFID得到的；在进出总装位置、每条线的上下线位置，都安装有RFID；通过RFID识别VIN，从而实时更新机运PLC的VIN队列。

7.按照权利要求3所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：在所述的5)中，将拧紧工作是否OK传递给IOT-PCL。

8.按照权利要求7所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：拧紧机PLC需要提前缓存各个JOB对应的：拧紧点数、扭矩的上下限、角度的上下限；工人每次拧紧是否成功会在拧紧屏幕显示，且拧紧枪也会有亮灯的显示。

9.按照权利要求3所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：当上位系统出现问题崩溃后，过程中的3)将不能实现，即不能拿到当前JOB号；此时IOT-PLC检测到上位系统ping不通或者信息挤压严重，则给拧紧机PLC发送标志位，直接利用机运PLC给到的VIN，从拧紧机PLC里缓存的VIN+JOB的关系，得到该车的JOB，然后进行后续的4)、5)、6)的过程，不影响生产。

10.按照权利要求9所述的上位与下位解耦的拧紧系统的控制方法，其特征在于：缓存数据为修复上位争取到2-3小时以上的时间；如果此时上位仍然没有恢复，则现场通过刷卡拧紧机进入手动模式，此时没有JOB的下发，工人需要凭借经验进行拧紧操作，拧紧机PLC将记录每辆车的拧紧工艺数据，并最终提供给质量部门进行审核，最终在总装的质量门确认对此车确认是否达到可放行进入后续流程的判断。