商用車生產(chǎn)線分布式胎壓匹配方案設(shè)計(jì)

黃 帥， 周 旋， 王 凱， 李頎楠， 郭聰聰

（徐州徐工汽車制造有限公司， 江蘇 徐州 221000）

1 引言

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS），主要作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)汽車輪胎處于亞充氣狀態(tài)時(shí)，TPMS系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出警告，避免汽車在輪胎充氣壓力不足情況下負(fù)重行駛而導(dǎo)致交通事故，從而確保汽車行駛安全。一般在汽車下線前，整車廠都會對汽車進(jìn)行胎壓匹

配［1-3］。

商用車的輪胎數(shù)目較多，輪胎數(shù)目從6個(gè)到14個(gè)不等，不同車型的車橋配置不同，車橋安裝的輪胎數(shù)目也不相同。傳統(tǒng)的胎壓匹配方案一般將胎壓匹配功能放在輪胎裝配工位進(jìn)行，需要操作人員按照一定順序，逐一激活輪胎傳感器，再將傳感器ID通過OBD口寫入TPMS控制器，最后將車輛識別碼與傳感器ID綁定上傳MES系統(tǒng)，繁瑣的操作和工位占用，既影響了生產(chǎn)節(jié)拍，也存在因?yàn)檩喬ゲ⑴虐惭b導(dǎo)致的錯(cuò)位激活的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重不符合整車廠對車輛品質(zhì)的管控要求。相比之下，本文提出的分布式胎壓匹配系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS）作為汽車三大安全系統(tǒng)之一，與防抱死制動系統(tǒng) （ABS）、安全氣囊 （ABM）系統(tǒng)一樣，越來越受到整車廠重視。目前，針對胎壓匹配系統(tǒng)的研究主要集中于TPMS控制器和CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)，對于商用車生產(chǎn)線如何進(jìn)行胎壓匹配的研究并不多。在文獻(xiàn)4中，張暢提出了一種基于ABS自適應(yīng)定位算法的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的方案，通過多次數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)胎壓定位與檢測。文獻(xiàn)5中，李安和張莉提出了一種基于Power Architecture處理器的便攜式TPMS輪胎定位匹配儀設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了手動胎壓匹配。文獻(xiàn)6中，喬曉華和華楚霞提出了一種基于各輪加速度信息及信號強(qiáng)度的自動胎壓匹配方案，實(shí)現(xiàn)了汽車在行駛過程中進(jìn)行自動胎壓匹配，該方案不適用于整車廠進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)的胎壓匹配。

本文基于生產(chǎn)線MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分布式胎壓匹配系統(tǒng)，該系統(tǒng)從MES獲取生產(chǎn)計(jì)劃和車型配置，計(jì)算裝有胎壓傳感器輪胎的次序，結(jié)合位置傳感器觸發(fā)的信號，自動調(diào)用傳感器激活程序獲取每個(gè)輪胎預(yù)裝傳感器的ID，并將傳感器ID和車輛識別碼 （VIN）綁定上傳MES系統(tǒng)。在生產(chǎn)線末端進(jìn)行汽車下線配置和功能檢測時(shí)，根據(jù)VIN下載對應(yīng)的傳感器ID，再通過統(tǒng)一診斷協(xié)議寫入到TPMS控制器內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)了自動化的匹配過程。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

胎壓匹配實(shí)現(xiàn)的是將輪胎內(nèi)置傳感器的ID與輪胎位置綁定的過程。汽車輪胎的氣門芯處會安裝內(nèi)置傳感器，傳感器不斷采集氣壓信號和溫度信號，并將采集的信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過無線發(fā)射器將信號發(fā)射出去。

胎壓匹配就是利用這一原理，通過特定的頻率去激活傳感器，再將傳感器發(fā)射出來的信號接收回來，分析其中信息，將傳感器ID、溫度、壓力剝離出來，按照一定順序組合，通過統(tǒng)一診斷協(xié)議寫入到TPMS控制器中，實(shí)現(xiàn)輪胎位置和傳感器的綁定［7-8］。

本方案將輪胎傳感器激活和采集傳感器ID的功能放置在輪胎輸送線進(jìn)行。在左右輪胎輸送線末端1m空間內(nèi)各設(shè)置一套無人值守的胎壓激活設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)由工控機(jī)、上位機(jī)軟件、傳感器激活設(shè)備、光電開關(guān)、通信線束、護(hù)欄等組成，其中傳感器激活設(shè)備選用的是法國ATEQ生產(chǎn)的VT520及配套天線。系統(tǒng)方案原理示意圖如圖1所示。

圖1 胎壓匹配系統(tǒng)方案原理示意圖

上位機(jī)軟件與MES系統(tǒng)通信，自動抓取當(dāng)日排產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)每臺車的配置信息，計(jì)算總輪胎數(shù)目和安裝TPMS車的數(shù)量及次序。在輪胎輸送過程中，上位機(jī)循環(huán)采集光電開關(guān)信號，當(dāng)安裝了TPMS的車進(jìn)入輪胎安裝工位后，上位機(jī)軟件判斷出安裝有傳感器的輪胎進(jìn)入激活工位后，控制VT520驅(qū)動天線激活輪胎傳感器。當(dāng)該車所有輪胎全部激活完畢后，上位機(jī)軟件自動將輪胎傳感器ID按照一定順序與VIN綁定上傳MES系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的胎壓匹配方案基本工作步驟如圖2所示。

圖2 胎壓匹配方案基本工作步驟

2.2 MES接口設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件與MES系統(tǒng)之間的通信通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式以xml形式定義。xml文件主要包含VIN碼、驅(qū)動形式、輪胎總數(shù)量、安裝胎壓傳感器的輪胎數(shù)量、排產(chǎn)日期等節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)軟件啟動后，通過調(diào)用一次通信接口，下載當(dāng)日所有排產(chǎn)車的胎壓配置信息。輪胎輸送線上位機(jī)軟件下載接口的xml數(shù)據(jù)格式定義如圖3所示。

圖3 輪胎輸送線上位機(jī)軟件下載接口數(shù)據(jù)格式

上傳接口主要包含VIN碼、驅(qū)動形式、輪胎總數(shù)量、安裝胎壓傳感器的輪胎數(shù)量、傳感器ID、激活時(shí)間等節(jié)點(diǎn)。上傳接口的xml數(shù)據(jù)格式定義如圖4所示。

圖4 上傳接口數(shù)據(jù)格式

當(dāng)待檢車進(jìn)入生產(chǎn)線末端時(shí)，生產(chǎn)線末端檢測工位上位機(jī)軟件根據(jù)待檢車VIN碼，從服務(wù)器下載該VIN碼對應(yīng)的胎壓傳感器ID數(shù)據(jù)。xml文件主要包含VIN碼、驅(qū)動形式、輪胎總數(shù)量、傳感器ID等節(jié)點(diǎn)。下載接口的xml數(shù)據(jù)格式定義如圖5所示。

圖5 下載接口數(shù)據(jù)格式

2.3 輪胎排序方法設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)?個(gè)輪胎觸發(fā)光電開關(guān)后，上位機(jī)軟件啟動循環(huán)例程。假設(shè)第n臺車駛離工位，那么在此之前，已經(jīng)有T+2個(gè)輪胎經(jīng)過左右兩邊的激活工位，T的計(jì)算方法如公式 （1）所示。

其中，a1，a2，a3……an代表每臺車需要安裝的輪胎數(shù)量。

當(dāng)?shù)趎+1臺車駛?cè)牍の唬衔粰C(jī)軟件從列表中查詢第n+1臺車配置信息，獲取該車VIN碼、總輪胎數(shù)量、驅(qū)動形式等信息，并根據(jù)驅(qū)動形式解析出該車輪胎布局和安裝帶有胎壓傳感器的輪胎位置。假設(shè)該車安裝了10個(gè)輪胎，其中6個(gè)輪胎安裝了胎壓傳感器，輪胎布局形式如圖6所示。

圖6中，前橋和中橋安裝了帶有傳感器的輪胎，后橋4個(gè)輪胎未安裝傳感器。在輪胎輸送線上，左右兩邊各輸送5個(gè)輪胎，那么上位機(jī)軟件根據(jù)左右激活工位的光電開關(guān)觸發(fā)的信號，分別激活3個(gè)輪胎。此時(shí)，第n+1臺車所有帶有胎壓傳感器的輪胎全部激活完畢，上位機(jī)再次收到光電開關(guān)信號后，只計(jì)算總輪胎數(shù)目，不再觸發(fā)激活例程。當(dāng)輪胎數(shù)目達(dá)到10個(gè)輪胎后，上位機(jī)將傳感器ID按照特定順序排列并綁定VIN碼回傳MES系統(tǒng)。

圖6 輪胎布局圖

2.4 生產(chǎn)線末端胎壓匹配UDS編程設(shè)計(jì)

統(tǒng)一診斷服務(wù) （Unified Diagnostic Services）簡稱UDS，基于UDS協(xié)議的胎壓匹配過程是按照UDS規(guī)定的相關(guān)服務(wù)命令實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與TPMS控制器的通信。本文參考市場上大多數(shù)商用車的診斷流程，設(shè)計(jì)了UDS 編程步驟，如圖7所示。

圖7 輪胎布局圖

TPMS控制器收到上位機(jī)軟件診斷會話服務(wù)請求后，會話模式由默認(rèn)會話模式切換到擴(kuò)展會話模式。在進(jìn)行TPMS參數(shù)寫入之前，需要對TPMS控制器進(jìn)行安全解鎖，上位機(jī)向控制器發(fā)送請求Seed的診斷服務(wù)，控制器返回一組隨機(jī)生成的Seed。上位機(jī)通過特定的安全算法計(jì)算出密鑰，并按照一定順序發(fā)送給控制器，控制器收到密鑰后進(jìn)行內(nèi)部校驗(yàn)，如果密鑰正確則解鎖控制器，如果密鑰錯(cuò)誤則返回否定響應(yīng)碼。

TPMS 解鎖成功后，上位機(jī)通過寫入診斷服務(wù)向TPMS 寫入傳感器ID。寫入成功后，通過復(fù)位診斷服務(wù)進(jìn)行控制器復(fù)位。復(fù)位完畢，上位機(jī)軟件再從控制器讀取胎壓傳感器ID并與寫入的值進(jìn)行比對校驗(yàn)，兩者一致則胎壓匹配成功，兩者不一致則胎壓匹配失敗。

3 仿真測試

恒潤科技TESTBASE-VCI總線通信卡提供了一套完整的函數(shù)庫，包括himetal3api.lib、himetal3api.dll、himetal3api.h等文件，通過對函數(shù)庫進(jìn)行二次開發(fā)和調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)CAN卡通道連接與打開、診斷參數(shù)設(shè)置、診斷服務(wù)發(fā)送與接收等功能。ATEQ的VT520提供了豐富的設(shè)計(jì)文檔，上位機(jī)軟件可以通過串口通信的方式控制VT520驅(qū)動天線激活和關(guān)閉［9］。通過PLC采集光電開關(guān)信號可以實(shí)現(xiàn)輪胎位置感知和計(jì)數(shù)功能。本文選用的PLC型號是西門子S1200，光電開關(guān)型號是歐姆龍E3JK-TR12-C。胎壓傳感器、TPMS控制器分別是從報(bào)廢車輛上拆卸下來的實(shí)物，將傳感器安裝在紙箱側(cè)壁來模擬輪胎。TPMS控制器與CAN卡之間通過特制線束進(jìn)行連接。

MES系統(tǒng)軟件采用JAVA語言編程，在Eclipse平臺上開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)存儲、查詢、下發(fā)等功能，數(shù)據(jù)庫使用的是MySQL 5.7。MES系統(tǒng)軟件部署在阿里云服務(wù)器。

上位機(jī)軟件在VS2017平臺上開發(fā)，采用C#語言編程。上位機(jī)軟件與MES之間的通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信，微軟提供了一套完整的API，可以直接調(diào)用System.Net下的接口實(shí)現(xiàn)下載、上傳等功能。

本文使用VS自帶的Winform框架設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件GUI界面，如圖8和圖9所示。

圖8 輪胎輸送線上位機(jī)軟件界面

圖9 生產(chǎn)線末端上位機(jī)軟件界面

本文在測試中模擬生產(chǎn)線排產(chǎn)2臺車，其中第2臺安裝了TPMS控制器，驅(qū)動形式是6×4，安裝了2個(gè)帶有傳感器的輪胎。上位機(jī)軟件從MES下載的生產(chǎn)計(jì)劃xml文件如圖10所示。

圖10 生產(chǎn)計(jì)劃xml文件

當(dāng)輪胎輸送線上位機(jī)軟件循環(huán)讀取到光電開關(guān)信號，計(jì)算出輪胎總個(gè)數(shù)為11時(shí)，軟件界面顯示第2臺車VIN碼，同時(shí)啟動激活例程激活輪胎傳感器。軟件界面顯示如圖11所示。

圖11 軟件激活傳感器界面

第2臺車所有輪胎經(jīng)過光電傳感器之后，傳感器ID和VIN碼綁定上傳MES系統(tǒng)。在生產(chǎn)線末端上位機(jī)軟件輸入第2臺車VIN碼，軟件自動從MES系統(tǒng)下載該車對應(yīng)的包含傳感器ID的xml文件。軟件解析xml文件，并打開總線通信CAN卡向TPMS寫入傳感器ID。軟件界面如圖12所示。

圖12 向TPMS控制器寫入界面

軟件與TPMS通信時(shí)記錄的LOG如圖13所示。

圖13 CAN總線通信LOG

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的分布式胎壓匹配方案能夠自動、準(zhǔn)確地調(diào)用傳感器激活例程，達(dá)到了設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了商用車自動化的胎壓匹配過程。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的分布式胎壓匹配方案，可以有效解決當(dāng)前商用車生產(chǎn)線胎壓匹配存在的操作繁瑣、生產(chǎn)節(jié)拍緊張、錯(cuò)位激活等問題，既提高了胎壓匹配效率，又可以降低了錯(cuò)位匹配風(fēng)險(xiǎn)。該方案的提出，提高了整車廠生產(chǎn)線的自動化和智能化水平，具有良好的應(yīng)用前景。