陳卓 劉菁茹 李永全 杜儉狀 李靖

（1.一汽模具制造有限公司，長春 130013；2.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

1 前言

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》針對汽車產(chǎn)業(yè)的升級強鏈以及轉(zhuǎn)型升級已經(jīng)有明確的規(guī)劃，從制造到智造，科技賦能、智能制造是汽車制造業(yè)核心關(guān)鍵。廣義而言，智能制造是一個大概念，是先進制造技術(shù)與新信息技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)[1]。本研究中焊裝車間數(shù)字化建設(shè)便是實現(xiàn)汽車生產(chǎn)制造過程的全數(shù)字化方案，旨在引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，推動貫穿產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造、售前售后服務(wù)的全生命周期數(shù)字化建設(shè)，最終達成智能制造的目標(biāo)。

數(shù)字化工廠（DF）以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式[2]。

制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程包含七大關(guān)鍵內(nèi)容，產(chǎn)品方面包含產(chǎn)品數(shù)字的準(zhǔn)確性、生產(chǎn)的及時性、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品成本；過程關(guān)系方面包含了設(shè)備磨損及運行管理維護成本、環(huán)境問題法規(guī)的符合性及人員安全。制造業(yè)數(shù)字化過程涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品服務(wù)三個層面。在汽車制造業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計階段，前期的汽車同步工藝階段已賦予產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，后續(xù)的工藝規(guī)劃及仿真設(shè)計都繼承前續(xù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容開展工作，涵蓋了數(shù)字化過程產(chǎn)品方面的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、及時性和質(zhì)量成本控制。

針對焊裝工藝生產(chǎn)制造中的產(chǎn)品質(zhì)量和運行管理維護成本方面，通過生產(chǎn)信息管理、生產(chǎn)質(zhì)量跟蹤與追溯、設(shè)備狀態(tài)采集與管理等信息進行整合與聯(lián)通，形成生產(chǎn)質(zhì)量的閉環(huán)及設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測與預(yù)防，達成減少人員勞動強度、縮減停臺時間、節(jié)約實施成本的目的。數(shù)據(jù)貫通的同時，實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)和實際制造的并行，完成焊裝車間的數(shù)字化建設(shè)。

2 焊裝工廠數(shù)字化架構(gòu)

《中國制造2025》[3]將智能制造的發(fā)展趨勢歸納為三個階段。

a.第一階段：數(shù)字化制造階段是智能制造的基礎(chǔ)，在此階段中，數(shù)字化設(shè)計、建模仿真、信息化管理手段已經(jīng)成熟應(yīng)用在汽車裝備制造領(lǐng)域中；

b.第二階段：數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造階段，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能裝備的結(jié)合，以及大數(shù)據(jù)分析、5G互聯(lián)、視覺處理和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，幫助制造業(yè)融合發(fā)展，將人、流程、數(shù)據(jù)連接起來；

c.第三階段：新一代智能制造階段，是人工智能與先進制造技術(shù)的深度融合而形成新一代的智能制造技術(shù)，也代表著第四次工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。

通過規(guī)劃仿真設(shè)計、虛擬調(diào)試及生產(chǎn)管控手段，汽車焊裝制造已經(jīng)實現(xiàn)了智能制造的第一階段即數(shù)字化制造；而本研究中討論的數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)的理念即焊裝車間的智能設(shè)備依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)，搭配大數(shù)據(jù)分析和云計算技術(shù)，建立一套服務(wù)汽車焊裝制造流程的數(shù)字化系統(tǒng)，達成智能制造的第二階段；隨著制造技術(shù)和人工智能的發(fā)展，推進新一輪的工業(yè)革命，從而實現(xiàn)真正的智能制造。

要實現(xiàn)智能制造第二階段的目標(biāo)，則需要重新梳理數(shù)字化系統(tǒng)的架構(gòu)?；谝黄?大眾公司生產(chǎn)信息傳遞的架構(gòu)（圖1），建立技術(shù)先進、功能完備的自主焊裝車間數(shù)字化解決方案。

圖1 一汽-大眾有限公司焊裝車間生產(chǎn)信息傳導(dǎo)

當(dāng)然，數(shù)字化系統(tǒng)僅有生產(chǎn)信息的傳遞是遠遠不夠的，需要設(shè)備、人、系統(tǒng)之間的全方位互聯(lián)，保證數(shù)據(jù)貫通的前提下，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交互與過程監(jiān)控。以大眾公司的生產(chǎn)信息管理方案為基礎(chǔ)，參考工業(yè)4.0概念的數(shù)字化建設(shè)，結(jié)合自身的制造業(yè)經(jīng)驗，建立了自主的焊裝工廠數(shù)字化工廠架構(gòu)，實現(xiàn)各個維度的數(shù)據(jù)交互與統(tǒng)一處理。

圖2所示的數(shù)字化架構(gòu)中囊括了以下功能模塊。

圖2 焊裝工廠數(shù)字化架構(gòu)

a.生產(chǎn)管理模塊；

b.設(shè)備管理模塊；

c.質(zhì)量管理模塊；

d.預(yù)警模塊；

e.能源管控模塊；

f.人員管理模塊；

g.報表與統(tǒng)計分析模塊。

以上功能包含了工廠內(nèi)“單元級”設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和信息管理；“系統(tǒng)級”之間信息實時傳輸、柔性生產(chǎn)及質(zhì)量監(jiān)控；“工廠級”的生產(chǎn)制造流程數(shù)字化管控以及上下料、工藝處理、檢測、信息綁定與追溯功能。

3 焊裝工廠數(shù)據(jù)層級部署與數(shù)據(jù)采集

工廠的數(shù)字化建設(shè)離不開數(shù)據(jù)的支撐，數(shù)據(jù)的采集與相互傳遞尤為重要。不僅要統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集的方法與接口，更要有詳細的數(shù)據(jù)傳遞與處理方案。

3.1 數(shù)據(jù)層級部署

焊裝工廠數(shù)據(jù)層級部署架構(gòu)見圖3。

圖3 焊裝工廠數(shù)據(jù)層級

a.應(yīng)用層：根據(jù)功能需求開發(fā)的應(yīng)用程序，包括數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計、自動生成趨勢圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

b.存儲層：采用MySQL數(shù)據(jù)庫，將采集的生產(chǎn)信息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲起來，根據(jù)存儲和查詢壓力可進行數(shù)據(jù)庫讀寫分離。

c.數(shù)采層：搭建分布式OPC服務(wù)器用于與PLC的數(shù)據(jù)交互，其它系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集需要單獨建立以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，部署于獨立服務(wù)器中，可根據(jù)數(shù)據(jù)采集負載進行分布式橫向擴展。

d.控制層：使用定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能塊進行數(shù)據(jù)上傳。

e.設(shè)備層：確定需采集數(shù)據(jù)的設(shè)備種類和接口定義，包括機器人、焊接控制器、涂膠控制器、夾具臺、能源表。

3.2 數(shù)據(jù)采集方案

數(shù)據(jù)采集不僅包括生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)信息，還包括生產(chǎn)過程中的能源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝流向、物料信息、生產(chǎn)狀態(tài)；這些信息不僅數(shù)據(jù)格式多種多樣，接口信息也各不相同，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集對象將數(shù)據(jù)內(nèi)容做出以下規(guī)定。

3.2.1 PLC端與數(shù)字化系統(tǒng)交互

a.電能表：通過MODBUS將電能信息傳至PLC；

b.水氣流量表：通過IO-link和模擬量模塊傳至PLC；

c.線體報警信息：PLC采集系統(tǒng)內(nèi)的報警信息，包括夾具類、機器人、變頻器；

d.設(shè)備運行狀態(tài)及運行時間：PLC采集設(shè)備狀態(tài)及開動時間的計算；

e.生產(chǎn)信息：產(chǎn)量、型號、節(jié)拍及過點信息；

f.車型及二維碼信息：用于車型管理及車身信息追溯；

g.機器人狀態(tài)信息與軸端數(shù)據(jù)。

PLC端采集以上信息后，通過OPC SERVER進行信息上傳。

3.2.2 設(shè)備與數(shù)字化系統(tǒng)交互

a.在線監(jiān)測：車身尺寸信息在線監(jiān)測過程和檢測結(jié)果數(shù)據(jù)；

b.焊點信息：焊接群控設(shè)備收集焊點信息進行質(zhì)量分析；

c.焊鉗信息：焊鉗設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；

d.預(yù)警模塊：包括生產(chǎn)展示看板、呼叫盒、視頻監(jiān)控及廣播系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

e.AGV調(diào)度：AGV的物料及夾具庫運送路線和規(guī)則數(shù)據(jù)；

f.物料及夾具倉儲系統(tǒng)：物料及夾具的入庫與出庫管理；

g.預(yù)測性維護：電機、機器人的健康度信息和維修建議數(shù)據(jù)。

h.其它工藝信息：涂膠信息、mig&mag、激光類及視覺系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息。

以上設(shè)備數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行上傳。

4 焊裝工廠數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)方案

信息傳輸?shù)膶崟r和有效性是數(shù)字化建設(shè)的必要條件之一，設(shè)備層以Profinet協(xié)議為基礎(chǔ)，按照傳輸距離合理選擇銅纜與光纖，管理層及以上使用以太網(wǎng)協(xié)議，以玻璃光纖為傳輸介質(zhì)進行構(gòu)建。

數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖4；設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)拓撲見圖5。

圖4 焊裝工廠管理層網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖5 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)方案

5 功能模塊開發(fā)及應(yīng)用展示

數(shù)字化架構(gòu)介紹中包含了7個功能模塊，根據(jù)場景不同，整理為以下3個維度，并對每個維度細化如下。

a.生產(chǎn)管理維度即生產(chǎn)必備的基礎(chǔ)功能：訂單管理、看板管理、人員管理。

b.數(shù)據(jù)采維度即數(shù)字化搭建的基礎(chǔ)：生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備信息采集、檢測信息采集、焊點信息采集、介質(zhì)信息采集。

c.數(shù)據(jù)處理維度即實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與追溯的必要條件：能源管理與智能照明、預(yù)測性維護、VIN信息綁定與追溯、數(shù)字孿生、報表管理。

未經(jīng)過驗證的功能模塊無法在生產(chǎn)車間內(nèi)實施，所以建立了數(shù)字化專項試驗陣地，針對生產(chǎn)管理、設(shè)備管理及預(yù)測性維護、能源管控、數(shù)字化仿真進行產(chǎn)品開發(fā)與功能測試；并搭建了數(shù)字孿生虛擬環(huán)境，實現(xiàn)試驗區(qū)域的虛實環(huán)境數(shù)據(jù)互傳。

5.1 生產(chǎn)管控功能

生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要包含訂單管理、看板信息兩部分內(nèi)容。

5.1.1 訂單管理方案

生產(chǎn)計劃的維護和處理包含以下3項內(nèi)容。

a.計劃接收：通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口接收ERP系統(tǒng)下發(fā)或人機界面手動錄入的生產(chǎn)計劃。

b.計劃導(dǎo)入：系統(tǒng)支持EXCEL模板導(dǎo)入。

c.計劃調(diào)整：針對已經(jīng)排序的計劃，進行序列的增加、刪除、補充，以適應(yīng)車間模數(shù)生產(chǎn)、破檢、返修需求。

通過以上的管控方案，設(shè)計出整體的排產(chǎn)流程。粗略排產(chǎn)流程見圖6，詳細排產(chǎn)流程見圖7。

圖6 訂單排產(chǎn)流程（粗排）

圖7 訂單排產(chǎn)流程（細排）

5.1.2 看板方案

將傳統(tǒng)的卡片式的通知單變換為電子看板，讓生產(chǎn)線的信息一目了然，直觀表達現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)、工作時間、故障信息（圖8）。

圖8 生產(chǎn)信息展示

5.2 設(shè)備管理方案

5.2.1 節(jié)拍分析

根據(jù)現(xiàn)場采集的設(shè)備數(shù)據(jù)，與規(guī)劃設(shè)計的節(jié)拍時序圖進行比對，分析工位節(jié)拍達成情況；顯示工位時序中動作時間超過規(guī)定時序動作時間的步驟，分析流程見圖9。

圖9 節(jié)拍數(shù)據(jù)分析

5.2.2 可動率統(tǒng)計

統(tǒng)計現(xiàn)場發(fā)生、未消除、未復(fù)位以及所有引起工位停止的故障，并按照日/班/周/月時長進行降序排列；統(tǒng)計單次故障時長，并按照降序排列。以上兩類統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照工位統(tǒng)計可以被下載或?qū)С?。?shù)據(jù)分析見圖10。

圖10 可動率數(shù)據(jù)分析

5.2.3 產(chǎn)量顯示

顯示單班/單日的小時產(chǎn)量和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量，數(shù)據(jù)分析見圖11。

圖11 產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析

5.3 預(yù)測性維護系統(tǒng)方案

通過對電機和機器人類設(shè)備的信息采集，結(jié)合維修維護的經(jīng)驗與設(shè)備原理，建立電機和機器人設(shè)備的虛擬模型，根據(jù)設(shè)備運行過程中的數(shù)據(jù)反饋，完善數(shù)據(jù)模型和推演算法，趨近于設(shè)備實際狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備反饋數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，分析并預(yù)測設(shè)備健康狀況，給出相應(yīng)的維修和更換建議，保證設(shè)備穩(wěn)定運行。

a.通過設(shè)備的物理特性，建立設(shè)備的機理模型。

b.通過設(shè)備實際運行的數(shù)據(jù)反饋和故障原因推導(dǎo)，增加變量完善機理模型。

c.結(jié)合設(shè)備環(huán)境外圍因素的導(dǎo)入，豐富模型內(nèi)容。

電機預(yù)測性維護使用振動傳感器+遠程模塊的方式收集電機運行參數(shù)。機器人預(yù)測性維護使用OPC UA SERVER方式讀取機器人控制器信號。

通過預(yù)測性維護，及時發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的變異情況，實現(xiàn)實時偏差分析進行診斷和預(yù)測，現(xiàn)場維修人員通過關(guān)鍵設(shè)備的健康診斷分析報告，提前研判并合理安排對相關(guān)設(shè)備的維護和檢修工作，顯著延長了關(guān)鍵設(shè)備的使用壽命，同時極大減少了由于關(guān)鍵設(shè)備突發(fā)故障造成的生產(chǎn)線長時間的停臺概率。未來還會引入AR、MR各類智能設(shè)備，實現(xiàn)遠程維修操作的指導(dǎo)和教學(xué)，從而快速提高生產(chǎn)維修效率。

5.4 能源管理系統(tǒng)方案

5.4.1 能源采集

以降低能源消耗、提高能源利用效率為目標(biāo)，實現(xiàn)水電氣介質(zhì)的實時監(jiān)控

通過網(wǎng)絡(luò)的傳輸將每輛份車的水循環(huán)量和耗氣量顯示在大屏幕上。

能源管控分為數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能源報表、綜合查詢4個步驟。

5.4.2 智能照明

采用智能物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，將大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到智能照明系統(tǒng)管理中，實現(xiàn)按時控制、多情景模式控制、照度控制、遠程登錄聯(lián)控，全面提升能源的利用效率和智能化水平。

智能照明管理自動調(diào)節(jié)策略如下。

a.通過廠內(nèi)的調(diào)度傳感器，對自動區(qū)內(nèi)的亮度進行無級調(diào)節(jié)，保證工作區(qū)內(nèi)的亮度；

b.人員進入安全區(qū)時，提高亮度保證維修工作正常進行；

c.當(dāng)日產(chǎn)量達標(biāo)后，降低或關(guān)閉設(shè)備照明，節(jié)約能源。

手動調(diào)節(jié)則根據(jù)實際工作狀況，生產(chǎn)人員可手動調(diào)節(jié)照明強度和燈具開閉。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖12所示。

圖12 智能照明系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、策略優(yōu)化、策略下發(fā)和能源預(yù)測功能，通過節(jié)能策略的執(zhí)行和控制，大數(shù)據(jù)挖掘建模，實現(xiàn)能源控制、管理。通過使用能源管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能源管理的可視化、電能分析的圖形化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與成本的詳盡分析，有效降低能源消耗、降低制造成本的同時，極大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。

5.5 信息綁定及追溯系統(tǒng)方案

在多種車型的混線生產(chǎn)中，不同車輛頻繁地交叉，不同車型的物料也對應(yīng)地依次上線，并且需要及時、精準(zhǔn)送料到位。車型識別系統(tǒng)通過射頻識別技術(shù)（RFID）讀取車型信息，并將信息傳遞到線體機器人，然后調(diào)整機器人的動作軌跡，實現(xiàn)對不同車型的對應(yīng)工作。通過對線體內(nèi)工藝的實時監(jiān)控，拉動物料倉儲進行實時的優(yōu)化配送，最大程度上減少設(shè)備循環(huán)中的等待時間。

通過識別設(shè)備，將生產(chǎn)過程中工件的二維碼信息、焊點信息、檢測信息、VIN信息、扭矩扳手信息進行綁定；通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將大量零散、孤立的數(shù)據(jù)信息進行整合起來，把生產(chǎn)信息和質(zhì)量信息有機結(jié)合，為整個工廠數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和全生產(chǎn)周期的信息追溯和數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

5.6 某工廠應(yīng)用實例展示

工廠縮略圖、設(shè)備狀態(tài)生產(chǎn)信息實時查詢和報警記錄以及統(tǒng)計信息見圖13。

圖13 某工廠焊裝車間生產(chǎn)信息

將電機的預(yù)測性維護功能分為兩類預(yù)警，一類是警告類預(yù)警，會導(dǎo)致設(shè)備運轉(zhuǎn)不暢，需進行排查；第二類是危險預(yù)警，會導(dǎo)致設(shè)備損壞和停臺，需要立即進行停機維護，見圖14；還可通過圖表查看當(dāng)前電機的健康狀態(tài)，實時了解設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，見圖15。

圖14 某工廠焊裝車間電機預(yù)警展示

圖15 某工廠焊裝車間電機健康度展示

6 結(jié)束語

焊裝車間數(shù)字化系統(tǒng)是銜接人和物理系統(tǒng)之間的橋梁，是實現(xiàn)互聯(lián)互通、人機共融的重要條件。工廠的數(shù)字化系統(tǒng)是打造智能工廠、實現(xiàn)智能智造的基礎(chǔ)。通過實時的數(shù)據(jù)交互，已實現(xiàn)了虛擬環(huán)境和實際生產(chǎn)之間的互聯(lián)，后續(xù)借助人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并以虛擬環(huán)境中自學(xué)習(xí)的方式反向優(yōu)化現(xiàn)實供應(yīng)鏈，達成虛擬與現(xiàn)實的真正的雙向互通，并通過具有學(xué)習(xí)能力的智能系統(tǒng)協(xié)助人員進行管理和決策，推進新一輪的工業(yè)革命。