儲(chǔ)招節(jié)，王標(biāo)，王露，張西巍，郭敏

（1.重型專(zhuān)用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000； 2.安徽華菱汽車(chē)有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)分公司，安徽 馬鞍山 243061）

引言

相比同行業(yè)中，特別是與現(xiàn)有的國(guó)外同類(lèi)型公司比較，發(fā)動(dòng)機(jī)工廠推進(jìn)智能制造領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)十分缺乏經(jīng)驗(yàn)，欠缺可以借鑒的成功案例，目前發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程呈現(xiàn)出如下的特點(diǎn)：

（1）孤島性：信息孤島、自動(dòng)化設(shè)備孤島，以及信息系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)之間的孤島；目前單機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化水平較高，但是系統(tǒng)層面的集成與鏈接還存在一定的問(wèn)題；雖然，射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)廠進(jìn)行了大量的應(yīng)用，但目前主要停留在解決的是產(chǎn)品的身份的識(shí)別功能，并且沒(méi)有在發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)加工、裝配、涂裝、熱試以及成品入庫(kù)的全流程應(yīng)用。

（2）工藝復(fù)雜性：發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)工藝過(guò)程繁雜，涉及到各種制造業(yè)的典型工藝，因此其生產(chǎn)過(guò)程的管控較為復(fù)雜；隨著產(chǎn)品類(lèi)型的多樣化，依靠傳統(tǒng)的人工管控已經(jīng)越來(lái)越難保證發(fā)動(dòng)機(jī)的制造品質(zhì)。

（3）影響因素多樣性：發(fā)動(dòng)機(jī)屬于汽車(chē)的核心零部件，具有加工工藝復(fù)雜和性能要求高的特點(diǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程受到“人機(jī)料法環(huán)測(cè)”的因素的影響，生產(chǎn)過(guò)程的管控需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和綜合的分析，以此來(lái)給出相應(yīng)的管控策略。

華菱汽車(chē)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程難以管控問(wèn)題，提出一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程管控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。首先，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了其生產(chǎn)制造過(guò)程管控系統(tǒng)集成架構(gòu)[1]；其次，研究了信息化接口統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)兩個(gè)問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決方案；然后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)車(chē)間設(shè)備層的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探索，分別從機(jī)加車(chē)間、總裝車(chē)間、涂裝車(chē)間和熱試車(chē)間的設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行闡述；最后，基于NET 平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了所提方法在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程管控系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 IIoT-IMS 體系架構(gòu)

華菱汽車(chē)針對(duì)自身發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中的特點(diǎn)進(jìn)行分析，構(gòu)建了IIoT-IMS 系統(tǒng)的體系架構(gòu)（如圖1 ），運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的集成，發(fā)布控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層物理設(shè)備“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”的閉環(huán)管理，工廠全流程管理的透明化。從源頭上有效的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最優(yōu)管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低不合格率從而有效的降低了生產(chǎn)損耗成本，降低設(shè)備投資，減少設(shè)備停機(jī)率故障率，對(duì)設(shè)備實(shí)施監(jiān)控、采集、管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)之間的集成，打通信息孤島，建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集企業(yè)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)[2]；為工廠進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和分析以及公司運(yùn)營(yíng)提供決策數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備[3]；在質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理等方面加強(qiáng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和服務(wù)水平[4]。

圖1 IIoT-IMS 系統(tǒng)的體系架構(gòu)

2 IIoT-IMS 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信息化接口和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程管控的特點(diǎn)和需求，為順利構(gòu)建工廠信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和管理，首先面對(duì)的是如何解決好不同廠家的不同設(shè)備控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口的開(kāi)發(fā)問(wèn)題，也是最關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)工廠設(shè)備規(guī)劃初期，發(fā)動(dòng)機(jī)公司創(chuàng)新的提出了設(shè)備信息化數(shù)據(jù)接口以及接口的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化，并要求設(shè)備廠家按照該接口標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)設(shè)備系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。具體包含內(nèi)容如下：設(shè)備狀態(tài)、ANDON 信息、零部件信息、質(zhì)量數(shù)據(jù)信息、機(jī)床刀具壽命信息等信息進(jìn)行準(zhǔn)確的信息描述、符號(hào)、數(shù)據(jù)功能描述、數(shù)據(jù)類(lèi)型以及地址進(jìn)行定義，并對(duì)通訊方式和通信地址進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和分配。同時(shí)對(duì)設(shè)備層的EPS（Error Proofing System：防錯(cuò)系統(tǒng)）系統(tǒng)控制策略進(jìn)行技術(shù)規(guī)范，從而搭建起設(shè)備層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的通用化標(biāo)準(zhǔn)，為工廠上層信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)集成做好準(zhǔn)備，如圖2 所示。

圖2 信息化接口和標(biāo)準(zhǔn)定義

2.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)

由于設(shè)備種類(lèi)較多，設(shè)備采用的信息交互方式和協(xié)議各不相同，這就給智能化工廠信息的交互帶來(lái)了很大的難度，需要考慮信息交互方式的通用性和擴(kuò)展性。發(fā)動(dòng)機(jī)工廠配有整體工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備層的Profibus 網(wǎng)絡(luò)、ASI 總線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等相連。從系統(tǒng)硬件角度將其分為四個(gè)層次：設(shè)備拓?fù)洹⒐δ苤巍eb 應(yīng)用、系統(tǒng)安全，如圖3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)工廠信息化系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

設(shè)備拓?fù)鋵樱菏紫韧ㄟ^(guò)profibus、ASI 等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將區(qū)域PLC、智能傳感器、專(zhuān)機(jī)設(shè)備等進(jìn)行組態(tài)，區(qū)域與區(qū)域、主控PLC 與區(qū)域PLC、工控機(jī)與區(qū)域PLC 則通過(guò)以太網(wǎng)通訊，區(qū)域PLC 配置有RFID、報(bào)警燈、音樂(lè)響等元器件，可用于獲取產(chǎn)品信息，同時(shí)可以對(duì)測(cè)試過(guò)程異常進(jìn)行及時(shí)提醒及處理；工控機(jī)通過(guò)RS232 串口連接條形碼、二維碼掃描儀，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及零部件二維碼識(shí)別和采集等功能；臺(tái)架管理系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或者無(wú)線路由與底層監(jiān)控PLC 程序?qū)崟r(shí)交互，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)信息，采集測(cè)試工藝參數(shù)，指示測(cè)試過(guò)程。

功能支撐層：針對(duì)智能管理系統(tǒng)功能配置的相應(yīng)的執(zhí)行硬件，主要包括服務(wù)器群、信息發(fā)布平臺(tái)、可視化管理、質(zhì)量管理與控制、信息發(fā)布平臺(tái)、信息推送，手機(jī)APP 等，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)以及萬(wàn)兆交互機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

Web 應(yīng)用層：將工廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程實(shí)時(shí)信息發(fā)布，是工廠智能管理信息系統(tǒng)的信息窗口，同時(shí)可通過(guò)PC 終端、手機(jī)等硬件查詢(xún)工廠運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)情況，并整理和顯示各類(lèi)報(bào)表。

系統(tǒng)安全層：在公司網(wǎng)絡(luò)的入口，配置硬件防火墻，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全防護(hù)，并配置相關(guān)殺毒軟件，數(shù)據(jù)保護(hù)軟件等，保證系統(tǒng)交互信息的安全性，保障各設(shè)備系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

3 IIoT-IMS 系統(tǒng)車(chē)間設(shè)備層物聯(lián)

發(fā)動(dòng)機(jī)工廠由進(jìn)口加工中心，生產(chǎn)線配備設(shè)備、在線SPC控制臺(tái)、量檢具、全自動(dòng)在線測(cè)量機(jī)、二維碼讀碼機(jī)、試漏機(jī)、壓裝機(jī)、擰緊設(shè)備、激光打碼機(jī)、機(jī)器人、AGV、測(cè)試臺(tái)架等先進(jìn)設(shè)備。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，整個(gè)車(chē)間設(shè)備層與工廠信息化系統(tǒng)的無(wú)縫連接，所有設(shè)備通過(guò)對(duì)工件二維碼的識(shí)別，自動(dòng)調(diào)用生產(chǎn)訂單BOM 及加工裝配程序進(jìn)行加工和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化柔性生產(chǎn)線。

生產(chǎn)線設(shè)備層主要有各工序設(shè)備、二維碼、零部件、RFID、掃描裝置等，均采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。如圖4 所示：

圖4 物理實(shí)體硬件示意圖

通過(guò)二維碼為零部件信息的主體，以RFID 為信息傳遞載體，以二維碼掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，形成整個(gè)底層設(shè)備之間、設(shè)備與零部件之間、設(shè)備與操作者之間的信息聯(lián)網(wǎng)。如圖5 所示：

圖5 底層設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

IIoT-IMS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到生產(chǎn)線信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)與質(zhì)量信息、物料信息、訂單執(zhí)行情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)生產(chǎn)線裝配過(guò)程數(shù)據(jù)以及在線質(zhì)量信息進(jìn)行采集和存檔，在工廠信息化系統(tǒng)中形成完整的產(chǎn)品生產(chǎn)檔案以及生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)形成相關(guān)報(bào)表。便于質(zhì)量追溯，提升質(zhì)量管控能力以及為售后服務(wù)提供信息支持。

4 IIoT-IMS 系統(tǒng)的實(shí)例

基于工廠各車(chē)間底層設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)工廠工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息，打通各生產(chǎn)線間物理信息交互，建成了發(fā)動(dòng)機(jī)智能工廠信息化系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)智能工廠信息化系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)MES 系統(tǒng)邊界，有機(jī)的將傳統(tǒng)MES 功能融合了ERP 部分功能，使訂單、研發(fā)、制造、銷(xiāo)售到售后成為一個(gè)整體流程架構(gòu)，強(qiáng)化業(yè)務(wù)流程管理，實(shí)現(xiàn)全程信息跟蹤，利用信息的及時(shí)、準(zhǔn)確地收集和反饋，以及公司內(nèi)各項(xiàng)信息的有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理和決策的智能優(yōu)化，滿足面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)、銷(xiāo)售、運(yùn)維等全生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的協(xié)同化、可視化和智能化要求。如圖6 所示：

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)工廠信息化系統(tǒng)總看板

發(fā)動(dòng)機(jī)智能工廠信息化系統(tǒng)構(gòu)建工廠制造一體化全方位多維度的大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)工廠的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備管理指標(biāo)、生產(chǎn)狀態(tài)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量分析、物料拉動(dòng)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工廠的集約化透明化管理，極大提高工廠管理的運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

方案建成以智能設(shè)備為載體的工廠信息化系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠的產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、質(zhì)量管理控制等多種功能，工廠信息化系統(tǒng)通過(guò)與集團(tuán)公司ERP 系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接對(duì)接，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠管理智能運(yùn)營(yíng)、各部門(mén)的協(xié)同合作、生產(chǎn)線設(shè)備的智能制造。系統(tǒng)通過(guò)直接下達(dá)生產(chǎn)訂單及BOM 到各車(chē)間生產(chǎn)線進(jìn)行訂單生產(chǎn)，設(shè)備層各工位通過(guò)二維碼掃描技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行加工裝配的零部比對(duì)防錯(cuò)識(shí)別，同時(shí)工廠信息化系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集記錄生產(chǎn)中質(zhì)量信息及產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，并形成每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完整的電子產(chǎn)品檔案，建立起產(chǎn)品及設(shè)備的大數(shù)據(jù)庫(kù)，并依據(jù)生產(chǎn)線所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)形成各種報(bào)表，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品過(guò)程在線管控和質(zhì)量追溯；并通過(guò)對(duì)設(shè)備在線監(jiān)控，OEE 分析，MTTR 及MTBF 數(shù)據(jù)的在線統(tǒng)計(jì)和分析、優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍，降低設(shè)備投資，減少設(shè)備停機(jī)率故障率，提高設(shè)備開(kāi)動(dòng)率，提高生產(chǎn)效率。