孫廣合

（中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081）

在我國智能制造不斷深入推進的大背景下，制造業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平全面提升，隨著新技術、新裝備快速發(fā)展，催生出一大批新應用、新業(yè)態(tài)和新模式，驅(qū)動了制造業(yè)的優(yōu)化升級［1-2］。軌道交通裝備制造過程具有多品種、小批量、質(zhì)量要求高等特點，應用智能柔性裝備提升生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量成為一種可行的解決方案，行業(yè)內(nèi)的相關企業(yè)也進行了一定程度的探索和應用，如株洲時代的IGBT無人化產(chǎn)線，中車浦鎮(zhèn)的自動化物流系統(tǒng)等［3］都取得了良好的應用效果。智能柔性裝備在軌道交通行業(yè)的生產(chǎn)制造過程中已經(jīng)取得了一定的應用成果。

因此，為提高復興號動車組制動控制裝置氣控模塊生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，文中結合我國先進智能柔性裝備的設計應用經(jīng)驗，對復興號動車組制動控制裝置氣控模塊智能柔性生產(chǎn)線進行研究與應用，旨在提升系統(tǒng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 智能柔性生產(chǎn)線方案研究

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

由于復興號中國標準動車組制動控制裝置氣控模塊多品種、小批量的生產(chǎn)特性，目前其生產(chǎn)過程具有以下特性：作業(yè)人員無固定作業(yè)位置；作業(yè)人員無固定作業(yè)內(nèi)容；組裝作業(yè)無統(tǒng)一作業(yè)節(jié)拍。

這樣的生產(chǎn)模式存在以下問題：

（1）各作業(yè)人員工作負荷不均衡，生產(chǎn)節(jié)拍模糊，生產(chǎn)無節(jié)奏感，呈現(xiàn)松懈和散漫，OPE低下，造成了大量的工時浪費，生產(chǎn)效率低。

（2）各模塊生產(chǎn)工作臺、工作人員不固定，現(xiàn)場無法進行“三定5S”管理。

（3）各作業(yè)環(huán)節(jié)標準化程度低，產(chǎn)品制程質(zhì)量監(jiān)控較為困難，無有效防錯手段，存在出現(xiàn)質(zhì)量問題大規(guī)模爆發(fā)的風險，產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。

1.2 生產(chǎn)模式研究

針對以上生產(chǎn)問題，需要改變目前的生產(chǎn)模式，對生產(chǎn)流程、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)組織方式進行優(yōu)化，進而改善生產(chǎn)系統(tǒng)的效能。根據(jù)精益生產(chǎn)線流程導向、拉動系統(tǒng)、零缺陷、靈活性、消除浪費的生產(chǎn)原則，并結合制動控制裝置氣路模塊的產(chǎn)品特性，選擇多品種單件流混線生產(chǎn)模式［4］進行生產(chǎn)，該模式的具體優(yōu)勢如下：

（1）生產(chǎn)周期短：單件流生產(chǎn)采取分工原則，根據(jù)節(jié)拍和生產(chǎn)工時得知完成產(chǎn)量所需總周期，根據(jù)目標差異靈活應對，保障及時交貨。

（2）在制品少：單件流生產(chǎn)是連續(xù)流動生產(chǎn)，突出特點是在制品得以極大壓縮。

（3）場地占用少：單件流生產(chǎn)極大的削減了在制品，工廠空間得以釋放。

（4）靈活性大，柔性高：單件流生產(chǎn)方式，企業(yè)在制品總量極少，原材料的投入短周期內(nèi)就轉化為成品，對于客戶需求變化的應對能力明顯提高，對于不同產(chǎn)品品種轉換的時間大幅削減。

（5）避免批量質(zhì)量缺陷：由于是單件產(chǎn)品流轉，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題可及時叫停生產(chǎn)。

1.3 基于模特排時法的產(chǎn)線節(jié)拍及工位劃分研究

1.3.1 標準工時計算

標準工時是產(chǎn)線節(jié)拍計算及工位劃分的基礎。對于產(chǎn)線生產(chǎn)的7個類型產(chǎn)品，利用國際通用模特排時法結合秒表法進行標準工時計算。

（1）現(xiàn)場實測工時統(tǒng)計：通過對現(xiàn)場作業(yè)過程的實時記錄，根據(jù)標準工時作業(yè)范疇的定義，將其中非作業(yè)工時的部分除去，得到現(xiàn)場實測工時

OT。

（2）現(xiàn)場人員作業(yè)水平的評定：選取現(xiàn)場作業(yè)過程中幾個標準化程度較高的動作，實測其作業(yè)時間為T11、T12、T13……；利用模特工時計算方法，計算這幾個作業(yè)動作的模特工時為MOD11、MOD12、MOD13……，通過模特工時與實測工時比，確定評比系數(shù)η計算公式為式（1）：

η=（MOD11+MOD12+MOD13+……）/（T11+T12+T13+……） （1）

（3）確定寬放系數(shù)：考慮操作者個人需要和各種不可避免的延遲因素所耽誤的時間，正常工時需要考慮一定的寬放系數(shù)，標準工時計算公式為式（2）：

1.3.2 生產(chǎn)線節(jié)拍計算及工位劃分

在計算產(chǎn)線節(jié)拍之前需要確定客戶節(jié)拍時間Customer Takt（簡 稱：TT），計 算 公 式 為 式（3）～式（5）：

規(guī)定每月有效生產(chǎn)時間為26天×8小時，根據(jù)式（3）～式（5）計算OEE為85%，則得出，

客戶節(jié)拍TT=499.2（min）

以目標節(jié)拍計算操作人員數(shù)為式（6）：

根據(jù)標準工時計算出的總操作時間OT，再根據(jù)式（6）得出操作人員數(shù)為3人。

故生產(chǎn)線需要最少設計3個工位。

1.4 數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)研究

由于生產(chǎn)線為多品種單件流混線生產(chǎn)，需結合工藝可視化、工具監(jiān)控系統(tǒng)、物料防錯系統(tǒng)、智能擰緊系統(tǒng)、RFID射頻識別系統(tǒng)等智能裝備和系統(tǒng)，來確保生產(chǎn)過程中的智能化及柔性化。

建立的數(shù)字化精益管控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化精益管控系統(tǒng)

（1）虛擬化資源和可重構配置：對產(chǎn)線運行所需的人、機、料、法、環(huán)等資源進行虛擬化。資源可根據(jù)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程管控要求，建立面向主工藝路線（工序集）的資源可重構配置模型，實現(xiàn)多種類產(chǎn)品智能柔性化生產(chǎn)。

（2）匹配式推送和目視化管理：加載與實時工況相匹配的基礎數(shù)據(jù)及知識規(guī)則并推送到數(shù)字化作業(yè)終端；通過文字、圖片、顏色等方式，實現(xiàn)目視化管理和在線作業(yè)指導，提高作業(yè)標準化。

（3）自動化防錯和透明化跟蹤：通過數(shù)字化精益工作臺上所部署的物理防錯裝置及管控系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品作業(yè)過程中的生產(chǎn)防錯和異常報警；基于實時采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支撐生產(chǎn)過程的透明化跟蹤，對產(chǎn)品進行有效的制程控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 智能柔性生產(chǎn)線設計

2.1 生產(chǎn)線機械結構設計

（1）線體工位及關鍵尺寸設計

根據(jù)前文1.2及1.3所述，產(chǎn)線設計3個操作工位，線體整體結構如圖2所示，根據(jù)最大的模塊A的尺寸大小及其所需物料盒的尺寸大小，確定工件組裝托盤尺寸為400 mm×640 mm，物料托盤尺寸為400 mm×320 mm，則組裝線及物料線的線體輸送寬度為400 mm，各線體總寬度≤450 mm。

圖2 線體整體結構示意圖

生產(chǎn)模式采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，考慮到人機工程學中關于操作人員雙手活動范圍的定義，單工位長度設計為1 900 mm。

由于組合托盤的特殊結構，結合人機工程學中最適宜操作人員作業(yè)的高度，設計線體高度為1 140 mm（地面到托盤下表面），且地腳采用高度可調(diào)方式，調(diào)節(jié)高度為±30 mm［5］。

（2）線體運輸方向設計

由于采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，以利右手作業(yè)人員的作業(yè)習慣為基準將物料托盤放置于組裝托盤的右側，則工位間的運轉方向為從右向左運行。

（3）線體組成結構設計

生產(chǎn)線由物料線及組裝線2條雙層自動輸送線并列構成，線體兩端各設置雙通道提升機，使物料托盤及組裝托盤能夠?qū)崿F(xiàn)各自封閉循環(huán)，同時，物料托盤通過橫架在組裝線與物料線上的橫移機構實現(xiàn)物料流轉。

2.2 生產(chǎn)線物流布局設計

物流配送應遵循以下原則：

（1）物流路線應避免交叉、反復等狀況。

（2）物流路線應盡量設計為一個流，從而減少搬運距離，達到提高生產(chǎn)效率、降低物流成本的目的。

（3）配送位置應該明確清晰。

（4）配送位置物流狀況可視化。

遵循以上原則，生產(chǎn)線物流路線設計如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線物流路線示意圖

該設計整體物流路線清晰，搬運距離較短，且?guī)旆咳藛T在送料的過程中，可以同時從成品緩存區(qū)向庫房運送成品，去程回程均為增值運送過程。

2.3 數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)設計

2.3.1 基于PLC系統(tǒng)的硬件架構

以“一個中央單元、分散控制”的概念［6］構建PLC系統(tǒng)控制架構。在線體中設置一個PLC作為中央控制單元，負責系統(tǒng)的總體控制，采取分散控制的方式，利用上位機和控制器等對產(chǎn)線內(nèi)各個工位和關鍵設備進行控制。根據(jù)生產(chǎn)線功能設計，將PLC控制系統(tǒng)劃分為3個層級：執(zhí)行層級、中央控制層級、上位控制層級，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線硬件架構圖

（1）執(zhí)行層級主要是各類功能部件根據(jù)PLC控制單元指令進行動作，并實時進行數(shù)據(jù)交互。按照通訊協(xié)議的不同，主要分為3類：PROFIBUS連接（主要包括RFID系統(tǒng)）、PROFINET連接（主要包括智能擰緊系統(tǒng)）、ETHERNET連接（主要包括掃碼系統(tǒng)及各工位可視化系統(tǒng)）。

（2）中央控制層級主要由以太網(wǎng)交換機、PLC控制單元構成。以太網(wǎng)交換機接收各個通訊協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉化，傳輸給PLC進行數(shù)據(jù)處理、控制等工作；PLC指令及下發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器轉化下發(fā)至各執(zhí)行層級部件；PLC控制單元主要實現(xiàn)線體控制、數(shù)據(jù)處理等功能。

（3）上位控制層級主要由上位機服務器構成。上位機服務器接收由路由器發(fā)送來的各類數(shù)據(jù)，然后進行匯總，并通過路由器向中央控制層級下達指令及下發(fā)相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)。同時，上位控制層級與公司級網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)生產(chǎn)訂單下發(fā)、配置管理、報工、生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)控等功能。

2.3.2 PC上位系統(tǒng)架構

生產(chǎn)線PC上位系統(tǒng)分為主服務器控制軟件和工作站顯示軟件2部分。軟件通過OPC SERVER軟件讀寫PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，獲取PLC控制設備的工作狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、條碼，并保存在數(shù)據(jù)庫中。上位系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 上位系統(tǒng)工作流程圖

（1）工作站顯示軟件

工作站顯示軟件主要為操作人員提供以下幾方面可視化信息：①操作人員信息（包括操作人員工號、照片等）；②當前工件信息（當前工件的名稱、序列號、組裝托盤號等基本內(nèi)容）；③當前工件所屬的訂單信息（包括訂單號、訂單數(shù)量、已完成數(shù)量等內(nèi)容）；④可視化工藝顯示（系統(tǒng)根據(jù)工件讀取到的工件信息，自動將對應的工藝步驟及組裝示意圖下發(fā)至對應工位）；⑤裝配過程關鍵信息顯示（組裝過程中通過掃碼獲取的關鍵部件二維碼信息及通過電動擰緊槍獲取的部件擰緊信息會顯示在“條碼扭矩追溯”信息欄，以便操作人員查看）。

（2）主服務器控制軟件

主服務器上的控制軟件主要包括以下幾個功能：各工位信息監(jiān)控、工藝設置、生產(chǎn)計劃設置、生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)查詢、生產(chǎn)統(tǒng)計信息查詢、生產(chǎn)日志信息查詢、系統(tǒng)報表查詢等，操作者可以通過該界面監(jiān)控各個工站的加工狀態(tài)。

3 產(chǎn)線運營效果分析

結合生產(chǎn)模式設計和生產(chǎn)線設計方案對復興號動車組制動控制裝置模塊分裝生產(chǎn)線進行實施和應用，其實時運行場景如圖6所示。

圖6 復興號動車組制動控制裝置模塊分裝生產(chǎn)線

（1）生產(chǎn)效率提升

由于生產(chǎn)過程中存在各類損失，導致每日實際產(chǎn)能與理論產(chǎn)能存在差別，隨機選取產(chǎn)能爬坡階段的實際產(chǎn)能進行分析，產(chǎn)能爬坡過程如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡示意圖

從產(chǎn)能提升的過程來看，實際產(chǎn)能比計劃產(chǎn)能提升慢，但理論產(chǎn)能比計劃產(chǎn)能提升快，說明生產(chǎn)過程中的各種損失影響了產(chǎn)能的提升，就單位時間產(chǎn)能而言，能夠達到理想效果。產(chǎn)線產(chǎn)能提升效果見表1。

表1 產(chǎn)線產(chǎn)能提升效果表

（2）產(chǎn)品質(zhì)量提升

通過工裝自動化改造和作業(yè)標準化設計，尤其是配備了數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)，使得生產(chǎn)過程具備了完善的防呆防錯手段，實現(xiàn)產(chǎn)品制程信息實時監(jiān)控，大大減少了人工出錯的概率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 結論

文中針對復興號中國標準動車組制動控制裝置氣控模塊生產(chǎn)存在問題及產(chǎn)品特性，結合當前我國智能柔性生產(chǎn)線的應用經(jīng)驗，進行了適用于復興號中國標準動車組制動控制裝置各類型氣控模塊生產(chǎn)的智能柔性生產(chǎn)線的方案研究及設計，并進行了生產(chǎn)應用驗證。

通過上述智能柔性生產(chǎn)線的應用，復興號動車組制動控制裝置氣控模塊生產(chǎn)過程發(fā)生以下改變：

（1）生產(chǎn)效率有了顯著的提升，實現(xiàn)了以流程為導向的單件流生產(chǎn)，作業(yè)人員可減少2人，人均生產(chǎn)效率提高104%以上；同時，緊湊的工位設計，使得生產(chǎn)面積節(jié)省50%以上。

（2）作業(yè)標準化程度大大提高，防呆防錯功能進一步完善；產(chǎn)品制程可實時監(jiān)控，生產(chǎn)制程數(shù)據(jù)采集率高，追溯性強，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提升。