汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

（南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100）

1 智能制造場景分割

德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025的核心都包含智能制造。智能制造的場景分割[1]大致包括兩類連接、四大場景、八項需求，如圖1所示。

2 汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)的互聯(lián)互通

汽車總成零件的智能焊接與制造需要構(gòu)建基于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”包括SDN、NFV以及云網(wǎng)一體化的智能網(wǎng)絡(luò)[2]，實現(xiàn)平臺化運營，加強行業(yè)深度融合集成，如圖2所示。智能制造首先要解決互聯(lián)互通問題，針對汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)，對企業(yè)內(nèi)部采用基于SOA架構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)和智能設(shè)備的互通互聯(lián)，對企業(yè)外部則選擇基于API或SDK服務(wù)，構(gòu)建開放的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

在企業(yè)內(nèi)部基于SOA服務(wù)，遵循SOA規(guī)范，通過IT/DT系統(tǒng)實現(xiàn)“應(yīng)用系統(tǒng)”與智能設(shè)備的互聯(lián)互通；中間通過“先進制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)深度融合的供應(yīng)鏈互聯(lián)平臺”及“智能焊接互聯(lián)協(xié)同平臺”，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通；企業(yè)外部通過API或SDK服務(wù)，利用“產(chǎn)業(yè)云平臺”實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)。真正實現(xiàn)上連應(yīng)用，下連設(shè)備，橫連供應(yīng)商，外聯(lián)社會。

圖1 智能制造場景分割Fig.1 Segmentation of intelligent manufacturing scene

圖2 汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Intelligent welding system architecture of automobile assembly parts

對于企業(yè)新建內(nèi)網(wǎng)，將以IPv6、工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）[3]、工業(yè)無線為主，重構(gòu)企業(yè)外網(wǎng)時，重點考慮IPv6、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）以及新型蜂窩移動通信技術(shù)的應(yīng)用。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推進，充分發(fā)揮其低時延、高帶寬、高穩(wěn)定性、多連接的優(yōu)勢，使互聯(lián)網(wǎng)在汽車總成零件智能化焊接生產(chǎn)的過程控制和自動控制過程中得到更多、更好的應(yīng)用。

工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）建設(shè)可以優(yōu)先采用如圖3所示的新模式。

汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）包括安裝于中心控制室的光線路終端（OLT0、OLT1），一用一備，以及一批滿足不同需求、配套安裝于各應(yīng)用場景的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONUs），在OLT與ONU之間的光配線網(wǎng)（ODN）包含光纖以及無源分光器或耦合器，ONU通過各種方式及網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）與不同的應(yīng)用場景及用戶端設(shè)備互聯(lián)互通。

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）：相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級；純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，徹底避免電磁干擾和雷電影響；局端資源占用少，系統(tǒng)初期投入低，擴展容易，投資回報率高；能提供2.5 Gb/s高帶寬，甚至可以升級到10 Gb/s；服務(wù)范圍大，一點到多點網(wǎng)絡(luò)能服務(wù)大量用戶；用戶共享局端設(shè)備和光纖能節(jié)省投資；帶寬分配靈活，服務(wù)質(zhì)量得到保證。

3 汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)的CPS物理信息系統(tǒng)

汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)中的CPS（Cyber Physical System）物理和信息融合系統(tǒng)如圖4所示，共有八層：第一層是現(xiàn)場層（包括焊接設(shè)備、焊接機器人），第二層是控制層（包括PLC控制、HMI人機界面），第三層是操作層（包括DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)），第四層是制造管理層（主要有MES系統(tǒng)），第五層為企業(yè)管理層（主要包括ERP、PLM系統(tǒng)），第六層是產(chǎn)品開發(fā)層（包括 PDM、CAD、CAPP、CAE），第七層是客戶關(guān)系層（主要有CRM系統(tǒng)），第八層為用戶層（包括B2B、B2C）。其中第一層和第二層是物理層，第三層至第八層為信息層或虛擬層。

圖3 工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)PON內(nèi)網(wǎng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of the industrial passive optical network PON network

圖4 汽車總成零件智能焊接信息物理系統(tǒng)Fig.4 Automobile assembly parts intelligent welding information physical system

汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)中的CPS是集成計算、通信與控制于一體的智能系統(tǒng)，通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作的方式操控物理實體。將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等功能，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實物理世界的融合。

4 汽車總成零件智能焊接互聯(lián)協(xié)同平臺

汽車總成零件智能焊接互聯(lián)協(xié)同平臺如圖5所示，采用一站式門戶，提供統(tǒng)一用戶、任務(wù)、安全管理和移動管理，具有流程管理（BPM）、主數(shù)據(jù)管理（MDM）、大數(shù)據(jù)（BIGDATA）分析和應(yīng)用功能。與傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括企業(yè)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、高級計劃與排程(APS)、客戶關(guān)系管理（CRM）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等互聯(lián)互通。同時也與生產(chǎn)線智能設(shè)備，包括PLC控制系統(tǒng)、HMI人機界面、DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等實時交互。

內(nèi)嵌汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)包括焊接工藝技術(shù)模塊、汽車總成零件產(chǎn)品技術(shù)模塊、質(zhì)量檢測與分析模塊、智能推理及應(yīng)用模塊、實時監(jiān)控模塊、云平臺功能拓展模塊。焊接工藝技術(shù)模塊根據(jù)汽車總成零件要求，配置焊接工藝及相應(yīng)資源，如電極、焊裝、輔料、檢具等，確定焊接參數(shù)，按流程進行生產(chǎn)操作；汽車總成零件產(chǎn)品技術(shù)模塊集成零件、材料、性能、表面處理、熱處理等各種信息，為智能焊接系統(tǒng)及智能推理提供數(shù)據(jù)源；質(zhì)量檢測與分析模塊包括金相試驗、尺寸檢驗、檢具檢驗、缺陷控制、質(zhì)量分析，并結(jié)合實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制焊接質(zhì)量；智能推理及應(yīng)用模塊通過智能算法技術(shù)自動推導(dǎo)出滿足汽車總成零件焊接要求焊接參數(shù)和操作指導(dǎo)書，用于生產(chǎn)和新產(chǎn)品開發(fā)；實時監(jiān)控模塊，系統(tǒng)能實時監(jiān)控到每臺設(shè)備、每個零件、每個焊點的焊接情況，對出現(xiàn)異常情況進行報警，并進行有效處置。

圖5 汽車總成零件智能焊接互聯(lián)協(xié)同平臺Fig.5 Intelligent welding interconnection platform of automobile assembly parts

云平臺功能拓展模塊充分應(yīng)用SaaS服務(wù)、PaaS平臺、IaaS網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)功能，拓展汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

5 汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 企業(yè)資源計劃（ERP）

ERP（Enterprise Resource Planning），集信息技術(shù)與先進管理思想于一身，將企業(yè)的人力資源管理（人流）、財務(wù)資源管理（財流）、物資資源管理（物流）、信息資源管理（信息流）、生產(chǎn)管理、采購管理、庫存管理、銷售管理和其他業(yè)務(wù)功能整合到一個信息管理平臺上，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)運行集成化、業(yè)務(wù)流程合理化、績效監(jiān)控動態(tài)化、管理改善持續(xù)化，以達到最優(yōu)資源組合，取得最佳效益。有效使用ERP能降低庫存、減少延期交貨、縮短采購提前期、減少停工待料、降低制造成本、提高管理水平、提升生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

5.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）

企業(yè) MES[4]系統(tǒng)是從“人、機、料、法、環(huán)”的角度考慮建立的，具有多個功能模塊?！叭恕蹦K包括人員考評管理、知識文檔管理、交接班管理；“機”模塊包括設(shè)備狀態(tài)管理、設(shè)備保養(yǎng)管理、設(shè)備程序管理、設(shè)備自動化；“料”模塊包括原物料管理、設(shè)備配件管理、材料自動搬運、在制品管理、成品出貨；“法”模塊包括工藝流程管理、生產(chǎn)計劃管理、排程派工管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理；“環(huán)”模塊要考慮對生產(chǎn)造成的環(huán)境污染監(jiān)控以及勞防用品或智能穿戴的配備。通過MES的運行，使得決策智能化、設(shè)備自動化、生產(chǎn)信息化、過程可視化、質(zhì)量能追溯、效率有提升。

5.3 高級計劃與排程（APS）

APS（Advanced Planning and Scheduling）[5]系統(tǒng)是計劃系統(tǒng)，也是決策支持系統(tǒng)，主要是為ERP系統(tǒng)增值，其特點是將優(yōu)化的邏輯嵌入APS系統(tǒng)中，改善供應(yīng)鏈計劃源的決策，產(chǎn)生一個可行計劃，該計劃能滿足所有需求和供應(yīng)的約束，根據(jù)共同的目標(biāo)優(yōu)化計劃，計劃應(yīng)考慮整個供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)所有約束，包括：（1）資源約束，包括人力資源、設(shè)備及工具；（2）庫存約束，包括原材料、在制品、成品庫存水平；（3）物流約束，包括倉儲、運輸、物流；（4）商業(yè)規(guī)則約束，包括客戶服務(wù)水平、環(huán)境保護、供應(yīng)商關(guān)系；（5）財務(wù)約束，包括現(xiàn)金流量、現(xiàn)金流動比例、產(chǎn)品邊際效益、投資回報率等。

APS排程就是把訂單的生產(chǎn)計劃排在一個最早可能開始時間（EPST）和最遲可能開始時間（LPST）之間。對于多個生產(chǎn)訂單，需要有一個優(yōu)先級的排序算法，按重要程度分為三級：第一級是交付時間；第二級是優(yōu)先等級，即企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)特點設(shè)計的訂單優(yōu)先級；第三級是訂單量，通常訂單量越大，其優(yōu)先級越低，如果訂單量小，其優(yōu)先級排高后就可能更多滿足一些訂單，訂單的重要性隨時間的延遲就會越來越高。

APS是計算機解決復(fù)雜問題的一套算法，可以利用簡單規(guī)則進行反復(fù)迭代，不斷優(yōu)化排程方案，獲得最佳效果。

5.4 智能推理及應(yīng)用

智能推理應(yīng)用系統(tǒng)包含現(xiàn)有數(shù)據(jù)推理和智能推理兩種方式和應(yīng)用場景。

（1）現(xiàn)有數(shù)據(jù)推理。輸入需要焊接加工的汽車零件信息，根據(jù)其材料、涂鍍層、板厚、焊接方式等信息，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（零件、材料、涂鍍層、設(shè)備、電極、工藝）中，通過大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用，直接推導(dǎo)出滿足汽車總成零件要求的操作指導(dǎo)書并可以保存，同時支持以可讀格式導(dǎo)出，如PDF格式等。

（2）智能推理。輸入需要焊接加工的汽車零件信息，根據(jù)其材料、涂鍍層、板厚（復(fù)合板厚）、焊接方式等信息，通過AI技術(shù)和智能算法，結(jié)合深度學(xué)習(xí)，優(yōu)化焊接過程參數(shù)，推導(dǎo)出滿足要求的操作指導(dǎo)書，并支持導(dǎo)出PDF格式，用于指導(dǎo)汽車新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)應(yīng)用。其縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了大量的人工和研發(fā)成本，經(jīng)濟效益和社會效益好，提高了汽車的制造質(zhì)量和水平，能夠覆蓋汽車所有車型，以及點焊、凸焊、CO2保護焊、螺柱焊等各種焊接方式。

5.5 實時監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控系統(tǒng)能實時讀取并監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場每臺智能設(shè)備對每個汽車零件的每個焊點實施焊接的每個過程數(shù)據(jù)，并運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對過程參數(shù)出現(xiàn)的異常進行報警，并輸出原因、結(jié)果、處置方法，及時加以處理；對每個汽車零件的每個焊點由于異?？赡軐?dǎo)致出現(xiàn)的質(zhì)量問題進行分析、監(jiān)控、和控制；對設(shè)備出現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)異常進行預(yù)防性維護，防止設(shè)備故障的發(fā)生，以免影響生產(chǎn)和效率。

6 結(jié)論

（1）汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)，通過“智能焊接互聯(lián)協(xié)同平臺”“供應(yīng)鏈互聯(lián)平臺”“產(chǎn)業(yè)云平臺”對內(nèi)連接應(yīng)用系統(tǒng)和智能設(shè)備，對外連接產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)整個業(yè)務(wù)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通。

（2）由于無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）具有帶寬選項多、穩(wěn)定性好、與應(yīng)用連接覆蓋面廣、實施簡單方便等諸多優(yōu)點，汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)優(yōu)先采用無源光網(wǎng)絡(luò)PON。

（3）汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)中的信息層或虛擬層與物理層深度融合，使得虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理世界之間的交互通暢無阻。

（4）ERP 從“人財物、產(chǎn)供銷”，MES從“人機料法環(huán)”、APS從自動排程等方面為實現(xiàn)汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)提供保障。

（5）汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)中的智能推理，利用大數(shù)據(jù)分析和AI技術(shù)，通過智能算法，直接推導(dǎo)出滿足生產(chǎn)要求的操作指導(dǎo)書，能產(chǎn)生很好的效益，應(yīng)用前景廣闊。

（6）汽車總成零件智能焊接系統(tǒng)中的實時監(jiān)控，能實時監(jiān)控每臺設(shè)備、每個汽車零件的每個焊點的焊接過程，為穩(wěn)定獲得滿足要求的產(chǎn)品質(zhì)量提供保障，同時也能為設(shè)備的預(yù)防維護提供依據(jù)。

[1]王延紅.中國聯(lián)通智能制造助力中國制造轉(zhuǎn)型升級.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：100-101.

[2]王延紅.中國聯(lián)通智能制造助力中國制造轉(zhuǎn)型升級.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：105-106.

[3]000014349/2017-00206.國務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見[S].

[4]肖長寶.流程型制造業(yè)MES“人機料法環(huán)的實現(xiàn)”.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：111-118.

[5]許永碩.智能運營的關(guān)鍵軟件-APS及實戰(zhàn)分享.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：45-50.