面向高铁转向架装配的智能物料小车研究

鄂明成，文红权，蒋增强，欧阳震

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

面向高铁转向架装配的智能物料小车研究

鄂明成，文红权，蒋增强，欧阳震

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

在深入分析转向架车间物料配送、装配流程与模式的基础上，研究一种基于物联网技术的智能物料小车及管理系统。首先分析转向架生产过程对智能物料的功能需求，接着设计基于物联网技术的物料小车的硬件配置、功能流程及管理系统。该智能物料小车不仅能够简化作业人员的工作量，提高工作效率，而且具有较高的数据处理和容错能力，能够符合转向架生产车间的实际需求，可为转向架装配的工艺防错和物料管控问题提供解决方案。

高铁转向架生产；物联网；智能物料小车

随着我国高铁技术的飞速发展，高铁已成为我国的“国家战略”和“国家名片”。同时，严格的质量标准和激烈的竞争市场也对我国高铁研发和生产提出了更高的要求。车间物料配送作为生产物流的重要组成部分，是生产活动顺利进行的保障[1-3]。传统的企业车间物流的信息共享程度低，伴随生产的信息流和物料流处于相对分离的状态，使得相关部门获取制造资源信息后置或丢失，防错能力弱[4]，导致难以制定实时有效的控制策略。

近年来，随着物联网技术的迅速发展[5]，以及物联网技术在制造领域的结合为车间物料管理提供了技术支撑[6-7]，基于物联网技术的车间物料动态管控成为当前的研究热点[8-10]。鉴于此，笔者将研究一种基于工业物联网技术的智能料箱系统，并通过采用物联网相关技术，结合现有生产模式和物料需求特点，构建工业物联网环境下面向高铁转向架生产的智能物料小车，为转向架装配的工艺防错和黑箱问题提供解决方案。

1 功能需求

根据企业实际应用需求，为了实现转向架生产过程的工艺防纠错和实时物料管控，该智能物料小车需要具备以下6项功能。

(1)安装提示：当新的待安装转向架到达工位后，小车控制器通过从制造执行系统(manufacturing execution system, MES)或条码扫描枪获取产品信息，结合产品物料清单(bill of material，BOM)[11]信息及物料-料箱映射关系计算每个料箱中物料的需求量，并通过网络发送到对应的料箱，料箱安装提醒(指示灯)打开，同时小车显示屏显示需安装物料的数量；如有异常，则进行报警。

(2)安装确认：当物料从料箱取走并安装后，操作人员按下安装确认，如果安装数量达到该工位要求，则安装指示灯熄灭，否则安装指示灯仍点亮，安装数量根据实际情况进行改变。如果安装数量超过工位要求，则进行异常报警。

(3)异常报警：在异常情况下触发，包括剩余物料数量小于待安装物料数量、安装确认数量大于许安装数量及物料重量异常等情况。

(4)要料通知：当物料库存小于一定数量时，系统可以触发自动要货或者有操作员触发要货通知。要货数量可以手动输入，也可按照默认数量输入。

(5)补料指导：物料配送人员将智能物料小车配送到生产线装配工位，工位作业人员使用智能物料小车控制器上的扫描枪和扫描物料条码，控制器根据综合扫描信息自动解析出物料所对应的物料盒位置，并通过指示灯在料位上进行显示；物料配送人员根据指示灯进行正确补料。

(6)到料确认：物料到达，并根据提示正确补给后，工位操作人员通过到料确认按钮进行补料确认。

通过以上智能物料小车的功能需求分析，可以感知装配过程中的实时状况，有助于提高物料需求信息获取的效率，实现转向架装配过程中的信息流与物料流的实时对应。提示、防错功能的实现，有效提高了作业人员的工作效率，从而实现实时有效的物料管控。

2 系统设计

2.1 硬件规划

智能物料小车主要针对于转向架装配过程中的标准件、小件的线边物料管理和控制的需求而设计的，该智能物料小车不仅采用了最新的物联网技术，简化了传统的集中式控制模式，实现了传感器、指示灯等硬件资源与分布式终端的直接互联和操作，还基于一定的容错机制，能够较好地实现物料装配提醒、装配确认、缺料通知及到料确认等操作，简化工人的操作流程和作业内容，智能物料小车组成如图1所示。

图1 智能物料小车组成

(1)分布式终端：具备移动式的数据采集、处理(计算、判断、存储等)、人机交互和一些基本的控制(主要通过控制器、物联网模块控制物料小车上的状态指示灯和LCD显示屏)等功能。①控制器：控制器是整个物料小车的总控系统，包括触摸屏和软件系统，负责从MES系统接收工位到达转向架类型信息(如果无法从MES系统获取信息，也可采用扫描枪手动获取转向架信息)，并结合自身存储的“转向架-物料-料位”映射关系，向各个智能料位发送装配数量信息，同时控制器也负责接收料位要料请求，并将该信息与MES系统进行交互；②数据采集：主要的采集数据包括来自MES系统采集的工位装配转向架的信息(或从扫描枪手动获取)、料箱传感器数据及控制按钮信息等；③人机交互：为工位物料装配人员提供在线作业指导，如提示当前工位需要装配当前料箱所对应物料的数量和已经安装数量等，并可通过物料上的控制面板进行安装确认、缺料通知及到料确认等操作；④数据处理与控制：当转向架到达工位时，智能小车控制器从MES系统获取当前转向架类型(或通过控制器扫描枪手动获取)，并结合产品BOM信息以及物料-料箱映射关系计算每个料箱中物料的需求量，之后通过网络发送到对应的料箱，料箱安装提醒(指示灯)打开，并在LCD显示屏显示需安装物料的数量。

(2)工业物联网模块：能够连接传感器、指示灯、按钮等硬件资源，并通过以太网(如Modbus-TCP/IP、Sockets)和总线(如RS232、RS485)等常用的工业现场数据交换协议与分布式终端实现数据交互。系统采用ARDUINO单片机作为智能料箱逻辑控制和网络通讯模块。

(3)扫描枪：获取物料信息和转向架信息，并传递给分布式终端进行信息处理。

(4)传感器：部署在物料位的底部，用于物料数量的实时计算，为智能料箱的容错功能提供基础。该智能料箱采用重量传感器。

(5)指示灯：部署在物料位的旁边，用于提示装配人员当前应该领取的物料库位，同时还可以起到其他警示作用。

(6)物料位：用于容纳台套件中的不同类型物料，与传感器和指示灯配合使用。

(7)物料箱：用于存放物料的容器，可根据物料形状进行订制。

2.2 功能流程设计

按照物料小车的功能需求，主要将智能物料小车的工作流程分为物理信息映射环节(配置环节)、物料领料和装配环节。

(1)物理信息映射环节。①物料清单-物料位映射(动态的)(如图2所示)：通过动态的配置完成物料位和物料清单的映射，使得每种类型的物料能够分配到一种物料位，即采用一料一位的配置。②物料位-传感器和指示灯映射(如图3所示)：在实现库位和物料配置的基础上，通过物理地址映射实现传感器和指示灯与物料位的映射，从而建立物料-物料位-传感器和指示灯的三层映射关系模型，为后续领料装配等功能的实现提供物理信息映射模型。

图2 物料清单-物料位映射示意图

图3 物料位-传感器和指示灯映射示意图

(2)物料领料和装配环节。智能小车物料领取和装配环节的工作流程如图4所示，具体包括以下3个步骤：①物料配送人员将智能物料小车配送到生产线装配工位，工位作业人员使用智能物料小车控制器上的扫描枪扫描物料条码，控制器根据综合扫描信息自动解析出物料所对应的物料盒位置，之后通过指示灯在料位上进行显示，物料配送人员根据指示灯进行正确补料，工位操作人员通过到料确认按钮进行补料确认；②当新的待安装转向架到达工位后，工位控制器通过MES系统获取待装配转向架类型(或通过条码扫描枪手动获取)，并结合产品BOM信息以及物料-料箱映射关系计算每个料箱中物料的需求量，之后通过网络发送到对应的料箱，料箱安装提醒(指示灯)打开，并在LCD显示屏显示需安装物料的数量，如有异常则进行报警；③作业人员按照指示灯拿取智能物料小车物料盒中的物料后，按下装配确认按钮，物料盒底部的传感器数据通过物联网模块实时传递给智能物料小车分布式终端，用于判断物料是否被工位作业人员按照正确数量拿走或工位作业人员是否从正确的物料盒中领取了正确的物料(容错处理)，如果不符合操作规范，则系统进行报警处理，并记录报警信息，如符合操作规范，则当前装配提醒指示灯熄灭。

从整个装配过程的物料流和信息流看，智能料箱系统涉及物料仓储管理、人员信息管理、生产计划管理等模块，以及仓储部门、人力资源部门、生产计划部门等部门及人员。通过硬件规划和功能流程设计，使部门、人员之间的物料流与信息流紧密关联，并制定实时有效的控制策略，为转向架装配的工艺防错和黑箱问题提供解决方案。

3 系统实现

为了满足智能物料小车应用，采用C/S(Client/Server)网络结构，Visual Studio 2010作为开发环境，C#为开发语言，Sql-Server 2008为后台数据库，开发了智能物料小车的管理系统。该系统包括基础数据管理、物料管理、料箱管理、过程监控等功能模块，系统部分界面如图5所示。

上述智能物料小车和系统在转向架装配车间的使用过程中，通过装配工位、装配BOM、装配工艺顺序及物料小车料位之间建立的映射关系，结合有效的信息获取、传输和显示技术，有效提升装配物料信息共享、装配过程工艺防错和物料管控能力，具体表现在以下几个方面：①通过条码扫描枪、指示灯、LCD显示屏的协同作业，为装配工人的装配作业提供准确的取料指导，包括每个取料作业所需的物料种类、位置及数量，从源头解决错装、漏装等问题；②装配过程中，通过物料小车配备的传感设备，实时获取物料消耗情况，结合工艺顺序和工艺BOM，检查物料的正确性，并反馈给装配工艺，实现物料装配的实时把控；③通过网络将物料小车实时物料消耗信息传递至物料管理部门，实现装配物料信息的部门间共享，为装配物料的及时供给提供保障。

图4 智能小车物料领取和装配流程

图5 智能物料小车管理系统的界面示例

4 结论

笔者在深入分析转向架车间物料配送、装配流程与模式的基础上，基于先进的物联网技术和较为成熟的生产管理模式(物料的分拣、领料和装配管理模式)设计了针对转向架生产车间的智能物料小车，新设计的智能物料小车具有移动、物联、高效和容错特性，该智能物料小车不仅能够简化作业人员的工作量，提高工作效率，而且具有较高的数据处理和容错能力，能够满足转向架生产车间的实际需求。

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ResearchonIntelligentMaterialVehicleforHigh-speedRailBogieAssemblyE

Mingcheng,WENHongquan,JIANGZengqiang,OUYangzhen

By analyzing the material distribution, assembly process and pattern of bogie assembly workshop, a kind of intelligent material vehicle and its management system are studied. Firstly, the function demand of intelligent material vehicle is analyzed, then its hardware configuration, function, process and management system are designed respectively. The intelligent material vehicle can not only simplify the workload and improve work efficiency, but also have high data processing and fault tolerance, it will meet the actual demand of bogie assembly workshop and provide a solution for mistake proofing and material control problem of bogie assembly process.

high-speed rail bogie production; internet of things; intelligent material vehicle

2095-3852(2017)06-0754-05

A

2017-07-05.

鄂明成(1968-)，男，辽宁大连人，北京交通大学机械与电子控制工程学院副教授，主要研究方向为制造执行系统、制造系统运行优化理论与技术研究等.

国家科技支撑计划基金项目(2015BAF08B02)；中央高校基本科研业务费基金项目(2015JBM078).

TP29

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.021

EMingcheng:Assoc. Prof.; School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China.