智能透明汽車工廠的構建與實施

楊一昕 袁兆才 皮智波 夏 緯 姜 潮 郭孔輝

1.湖南大學機械與運載工程學院，長沙，4100822.北京汽車股份有限公司株洲分公司，株洲，4120073.西門子(中國)有限公司汽車事業(yè)部，北京，100102

0 引言

智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱[1]。近年來，云計算、工業(yè)云、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展，既為智能制造提供了發(fā)展的動力，也為智能制造的發(fā)展指明了方向。當前智能制造所推行的智能化，離人工智能還有一定距離，智能制造發(fā)展的后期，一定和人工智能深度關聯(lián)。

北京汽車股份有限公司株洲分公司二工廠(以下簡稱“株洲二工廠”)是在“中國制造2025”行動綱領提出后建設的全新工廠，工廠基于智能制造的理念進行規(guī)劃設計，因是建設全新工廠，故不需額外投資對舊設備進行升級換代。企業(yè)在工廠建設的同時，成立了智能化項目組，智能化項目推進和工廠建設得到了很好的融合。

1 智能透明工廠的構架

株洲二工廠智能工廠項目智能制造規(guī)劃的目標可以歸結為：①“優(yōu)質(zhì)”，即在生產(chǎn)規(guī)劃過程中應用智能檢測、在線測量、工藝參數(shù)監(jiān)控、關鍵過程追溯等技術或軟件，實現(xiàn)產(chǎn)品過程質(zhì)量的提升，確保產(chǎn)品精度、質(zhì)量和可靠性；②“高效”，即通過自動化設備與數(shù)字化、信息化技術的結合，實現(xiàn)“人、機、物”互聯(lián)和信息共享，快捷響應市場需求，實現(xiàn)制造效率、開發(fā)效率和管理效率的綜合提升；③“綠色”，即通過采用綠色節(jié)能設備和工藝，與先進的能源管理系統(tǒng)、智能節(jié)能技術手段相結合，降低污染排放，實現(xiàn)低耗節(jié)能的目標。相對北汽株洲一工廠，本項目質(zhì)量目標提升15%，生產(chǎn)效率目標提升20%，制造成本目標降低10%，污染排放達到國家一級排放標準。

株洲二工廠智能透明工廠的構架是基于“中國制造2025”智能制造構架體系，深度結合汽車制造的工藝、質(zhì)量、物流、IT等業(yè)務流程后提出，并逐步完善確立起來的。工廠規(guī)劃初期就成立了智能制造推進小組，小組的成員包括了規(guī)劃、工藝、設備、IT、物流、采購、質(zhì)量等各領域的專家。小組成員同時也是工廠建設的核心成員。這是智能制造能夠在新工廠建設中得以快速落地的基礎。

“中國制造2025”將智能制造構架體系分為三個維度：①生命周期維度，將設計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務等一系列相互聯(lián)系的價值創(chuàng)造活動組成鏈式集合；②系統(tǒng)層級維度，自下而上共五層(設備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層)，體現(xiàn)裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)化；③智能功能維度，包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)五層，反映了要素和資源的整合范圍和深度。這三個維度相互關聯(lián)又相互支撐，是本項目智能制造構架的基礎[2]。我們將這個構架與工廠的實際情況進行了融合，經(jīng)過多輪討論和論證，明晰了株洲二工廠建設智能工廠的目標，形成了智能透明綠色工廠的整體構架理念(圖1)。其中，智能，即自動化、信息化、柔性化，旨在降低制造成本，優(yōu)化制造質(zhì)量；透明，即數(shù)字化、信息化、定制化，旨在提高制造效率、管理效率、開發(fā)效率；綠色，即節(jié)能、環(huán)保，旨在降低成本，降低污染排放。

圖1 智能透明工廠的整體構架理念Fig.1 The overall architecture idea of intelligent transparent factory

可以說，智能透明工廠=@自動化+@信息化+@數(shù)字化。@這里代表的就是互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等手段。

“自動化”代表自動化柔性生產(chǎn)線、大批量機器人應用、CPS(信息物理系統(tǒng))等技術，旨在實現(xiàn)自動化、柔性化、少人化作業(yè)。

“數(shù)字化”涉及數(shù)字孿生[3]、數(shù)字化設計與模擬、同步工程、虛擬驗證、虛擬裝配、離線編程、離線調(diào)試等技術，需構建數(shù)字化制造工程體系(digital manufacture engineering system，DMES)。

“信息化”涉及各業(yè)務流程的信息化系統(tǒng)，包括產(chǎn)品生命周期管理(PLM)系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、物流執(zhí)行(WMS)、供應商管理(SRM)系統(tǒng)、客戶管理系統(tǒng)(CRM)、設備管理系統(tǒng)(DMS)、質(zhì)量管理系統(tǒng)(QMS)、能源管理系統(tǒng)(EMS)、自動辦公(OA)系統(tǒng)等，需實現(xiàn)信息化系統(tǒng)的構建與互聯(lián)，價值鏈的整合與優(yōu)化。

在“綠色化”方面，同樣運用了大量的智能制造技術手段，除了智能開關機、一鍵啟動、機器人休眠等節(jié)能技術的應用外，還采用了摩擦輸送線技術和電動擰緊工具等靜音技術來打造靜音工廠，同時在污水處理方面采用了先進的螯合樹脂吸附與滲透膜技術，使得污水處理結果可達到國家一級排放標準。

智能透明工廠的系統(tǒng)構架如圖2所示。在整體構架的基礎上，智能透明工廠還可細分成不同的系統(tǒng)構架，包括硬件系統(tǒng)構架、軟件系統(tǒng)構架、業(yè)務模塊構架、標準構架等。

圖2 智能透明工廠的系統(tǒng)構架Fig.2 The system architecture of intelligent transparent factory

硬件系統(tǒng)構架明確了管理層、設備層和執(zhí)行層的信息傳遞問題?；赑ROFINET的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構架可以實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)控、大數(shù)據(jù)采集、遠程診斷等，是建設智能工廠的基本支撐手段。硬件系統(tǒng)構架包括高檔機床、工業(yè)機器人、智能傳感、智能儀表、智能物流等智能裝備系統(tǒng)的應用。

軟件系統(tǒng)構架明確了信息系統(tǒng)的功能劃分和數(shù)據(jù)互聯(lián)問題，針對每個業(yè)務模塊的系統(tǒng)功能和分工進行統(tǒng)一策劃。其內(nèi)容包括數(shù)字化核心支撐軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)云計算、大數(shù)據(jù)平臺、人工智能、信息安全保障系統(tǒng)、面向行業(yè)的整體解決方案等。

業(yè)務模塊構架主要明確職責分工，分別設有沖壓、焊裝、涂裝、總裝、物流、質(zhì)量、IT等業(yè)務板塊，如圖3所示。每個板塊在遵循整體系統(tǒng)構架的前提下，分別定義了若干智能工廠元素。如焊裝的機器人休眠、涂裝的智能開關機、總裝的多媒體工藝系統(tǒng)。這些元素構筑了智能透明工廠的基石，隨著項目的推進，智能工廠的內(nèi)容也越來越豐富。

智能化標準體系明確設備接口規(guī)范、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施規(guī)范、電氣元件選用規(guī)范、PLC編程規(guī)范、數(shù)字化開發(fā)規(guī)范等。根據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃、多方互聯(lián)、自主開放的構建原則，為后續(xù)發(fā)展奠定基礎。

圖3 業(yè)務模塊構架——智能透明工廠的元素Fig.3 The business architecture—elements of intelligent transparent factory

2 工廠數(shù)字化基礎搭建

數(shù)字化是智能工廠的基礎，數(shù)字化程度越高，業(yè)務之間的關聯(lián)、優(yōu)化越容易實現(xiàn)。本項目以DMES為核心，實現(xiàn)設計與制造的關聯(lián)[4]。通過工廠與車間數(shù)字化模型建立、產(chǎn)線設備模型建立，實現(xiàn)工廠規(guī)劃、設備工藝布局數(shù)字化；通過離線編程、離線調(diào)試、機器人仿真技術縮短產(chǎn)線規(guī)劃調(diào)試周期；通過虛擬裝配、零件CAE分析、公差模擬等提高產(chǎn)品設計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期；通過建立產(chǎn)品庫、工藝庫、資源庫，實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)模、工藝設備的管理和設計，積累工藝數(shù)據(jù)，提升規(guī)劃能力。

DMES系統(tǒng)(圖4)的搭建，可以實現(xiàn)BOM管理、裝配仿真、人機仿真、自動化調(diào)試、物流供應鏈優(yōu)化、工藝規(guī)劃、工藝文件管理、布局優(yōu)化等功能，實現(xiàn)了設計和生產(chǎn)制造的互聯(lián)互通，使原來的PLM、MES、ERP、SRM等系統(tǒng)更加緊密地聯(lián)系在一起。使得信息化網(wǎng)絡更加緊密，設計、規(guī)劃、生產(chǎn)與現(xiàn)場的執(zhí)行設備獲得關聯(lián)。

圖4 DMES功能模塊Fig.4 The functional module of DMES

整個工廠數(shù)字化的建設以西門子的TEAMCENTER系統(tǒng)為基礎，形成了企業(yè)自己的DMES系統(tǒng),實現(xiàn)了所研發(fā)的設計系統(tǒng)(PLM和BOM)和工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的有效數(shù)字化連接，可以實現(xiàn)從設計到制造的端到端(end to end)數(shù)字化模式。全域的工廠數(shù)字化模型采用了西門子的PDPS(process designer and process simulate)模塊進行搭建。PDPS模塊可以將前期利用CATIA軟件搭建的廠房模塊以及ROBCAD建立的三維仿真數(shù)據(jù)，通過轉化進行集成。

工藝仿真可以在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線進行仿真分析，驗證可達性、合理性，可實現(xiàn)離線編程，在虛擬環(huán)境下調(diào)試機器人軌跡并導入現(xiàn)場使用。工廠仿真可以通過搭建現(xiàn)場工藝流程和三維模型，對廠區(qū)、車間進行物流仿真和物流能力分析。

新工廠焊裝線采用虛擬設計、虛擬仿真和離線編程技術(KUKA OLP&RCS)，在虛擬的環(huán)境下進行焊裝線的生產(chǎn)驗證。虛擬生產(chǎn)線的建立能夠提前識別問題，縮短項目周期，為后期新車型的增加和生產(chǎn)線的改造提供了數(shù)據(jù)基礎。這遵循了“數(shù)字孿生”的理念。數(shù)字孿生是指以數(shù)字化方式拷貝一個物理對象，模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，對產(chǎn)品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率[5]。

數(shù)字孿生不僅僅是建立一個三維的工廠模型，更重要的價值在于：它可實現(xiàn)實際設備運行模擬、控制邏輯，以及運行數(shù)據(jù)和虛擬模型的相互連通。比如PLC的程序，可以在虛擬環(huán)境中完整模擬，通過與設備三維仿真聯(lián)動，發(fā)現(xiàn)控制邏輯中的漏洞，從而排除運行隱患。它可以支持企業(yè)進行涵蓋其整個價值鏈的整合及數(shù)字化轉型，為從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施直至服務的各個環(huán)節(jié)打造一致的、無縫的數(shù)據(jù)平臺，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現(xiàn)實企業(yè)鏡像。

企業(yè)圍繞“數(shù)字孿生”的理念建立了包含廠房、產(chǎn)線、設備的全域數(shù)字化模型。在此基礎上開展了通過性虛擬驗證，物流運行模擬，機器人離線編程、離線調(diào)試等，大大縮短了現(xiàn)場調(diào)試的時間。目前，企業(yè)的數(shù)字孿生技術的應用也僅僅是剛起步，其中需要打通的環(huán)節(jié)以及技術的深度應用還需要不斷探索。

3 基于功能模塊的智能化系統(tǒng)

前述的不同系統(tǒng)構架就是智能化系統(tǒng)的各個功能模塊，下面就各主要功能模塊的內(nèi)容構成及具體實施從技術和業(yè)務兩個維度進行介紹。

3.1 智能化系統(tǒng)的支撐技術

3.1.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——“一網(wǎng)到底”系統(tǒng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工廠的神經(jīng)系統(tǒng)，“一網(wǎng)到底”這個概念是指以太網(wǎng)從上到下的一致的網(wǎng)絡接口，可以實現(xiàn)從底層的設備、到中間控制PLC、到上層的應用管理系統(tǒng)的連接。通過對比分析，選擇PROFINET作為株洲二工廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎。

PROFINET是由PROFIBUS國際組織(PROFIBUS International，PI)推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準[5]，其網(wǎng)絡架構如圖5所示。它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時自動化體系，能夠滿足從現(xiàn)場層到管理層的所有應用需求，真正地實現(xiàn)“一網(wǎng)到底”。其功能包括8個主要模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。

圖5 PROFINET網(wǎng)絡構架Fig.5 The network architecture of PROFINET

在自動化軟件方面，我們選用的是西門子的TIA Portal(totally integrated automation)博途系統(tǒng)。該系統(tǒng)是注重用戶體驗的工業(yè)工程工具，其體系和功能也在不斷完善與擴充中，未來會在一個平臺上集成從過程控制到離散控制，從驅動到自動化，以及HMI、SCADA等與工業(yè)控制相關的所有工具[6]。

“一網(wǎng)到底”的主要優(yōu)勢在于它能夠降低總體成本，可以實現(xiàn)設備、線間、上下系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制。“一網(wǎng)到底”的概念遠不止從網(wǎng)絡基礎設施和診斷的角度將各個工廠甚至生產(chǎn)線網(wǎng)絡化，而是包含全部的生產(chǎn)地點或完整的價值創(chuàng)造鏈。在一網(wǎng)到底系統(tǒng)基礎上，我們開發(fā)了以下應用:

(1)遠程診斷技術。基于PROFINET協(xié)議，可以非常容易而且安全地實現(xiàn)故障遠程診斷。只需要通過互聯(lián)網(wǎng)，在許可的情況下，專家就可以不需要從遙遠的地方趕到現(xiàn)場，甚至在家里就能夠非常容易地解決現(xiàn)場問題。實現(xiàn)這個功能后，企業(yè)已有過多次成功實施的案例。

(2)機器人休眠技術。機器人休眠技術是PROFINET標準和PROFIenergy標準的應用結合。PROFIenergy是國際組織PROFIBUS & PROFINET International(PI)發(fā)布的工業(yè)控制能源管理規(guī)范，是PROFINET工業(yè)總線的一個配置文件。PROFIenergy 配置文件能夠使控制設備在停工時期(如午休、節(jié)假日、隨機停線事件)或依據(jù)能耗峰值負荷等情況，將命令發(fā)送到能耗單位,以便發(fā)出暫?；蛘咝菝叩刃盘?，實現(xiàn)節(jié)能控制。PROFIenergy與自動化線的三個必要因素相關：PROFINET網(wǎng)絡中的PROFIenergy控制設備(通常使用PLC，但也可以是更高層的監(jiān)控系統(tǒng)甚至是專用的能效管理控制器)；PROFINET現(xiàn)場總線；一個或多個PROFIenergy能耗單元ECU(energy consumption unit)，它可以是單個設備，也可以是控制設備所在PROFINET現(xiàn)場總線組態(tài)中的批量單元。在滿足以上三個因素條件下，無需增加硬件，PROFINET設備可直接解譯PROFIenergy指令，實現(xiàn)PROFIenergy智能控制器統(tǒng)一協(xié)同關斷相應設備。當長時間停機或處于非生產(chǎn)時間，可以通過網(wǎng)絡給機器人控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使機器人進入休眠狀態(tài)；當生產(chǎn)開始時，又可以自動喚醒機器人，使機器人快速投入運行狀態(tài)。這項技術可以實現(xiàn)現(xiàn)場所有聯(lián)網(wǎng)機器人的智能控制，解決了因為擔心機器人丟失程序和失去原點而不能關機導致的能耗問題，更是機器人實現(xiàn)自我控制的一項典型應用案例。

(3)一鍵啟動技術和智能開關機技術。一鍵啟動技術和智能開關機技術亦是基于PROFINET標準的應用案例。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場設備及控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的一鍵啟動和智能開關機。如在沖壓生產(chǎn)線的換模過程中，通過互聯(lián)網(wǎng)和控制器，將原來需要逐步人工操作的內(nèi)容，編寫成一系列的控制程序，再通過PROFINET實現(xiàn)對換模過程的動作連續(xù)控制，從而可以實現(xiàn)壓機參數(shù)自動調(diào)整、模具更換、端拾器更換自動檢測等，整個過程的自動執(zhí)行，不但節(jié)省了時間，更實現(xiàn)了防錯功能。又如涂裝車間是汽車制造的能耗大戶，設備的開啟往往需要提前預熱，設備開啟的順序又需要相互關聯(lián)，智能開關機系統(tǒng)通過中央控制系統(tǒng)和PROFINET與現(xiàn)場的PLC按照一定的控制邏輯實現(xiàn)控制關聯(lián)，可以實現(xiàn)設備的定時順序開啟和完工后的設備順序關停，這樣既能節(jié)省人力，保證工藝參數(shù)，還能節(jié)約能耗。

3.1.2基于“一碼到底”理念的信息識別系統(tǒng)

“一網(wǎng)到底”解決了設備的信息互聯(lián)問題，產(chǎn)品的信息傳遞如何解決呢？射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術和“一碼到底”系統(tǒng)提供了產(chǎn)品設計中的參數(shù)到過程制造環(huán)節(jié)產(chǎn)品和零部件的信息傳遞，使得物流管理、生產(chǎn)安排、設備轉換能夠實現(xiàn)自動化控制、信息互聯(lián)和智能調(diào)度等，如圖6所示?！耙淮a到底”即產(chǎn)品或零件從制造的第一個工序到最后一個工序，其唯一對應的RFID標簽可以攜帶和記錄產(chǎn)品的設計、制造信息，并可以與設備控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、質(zhì)量系統(tǒng)等進行互聯(lián)，實現(xiàn)產(chǎn)品、制造相關信息的傳遞、存儲和管理[7]。

圖6 RFID系統(tǒng)模型Fig.6 Model of RFID system

在整個工廠中，對于信息識別來說，僅有RFID系統(tǒng)是不夠的，我們還需要將二維碼系統(tǒng)和條碼系統(tǒng)與RFID系統(tǒng)有效結合，形成完整的信息識別系統(tǒng)，這里既有成本的考慮，也有實際應用的限制。整個工廠的信息識別需要系統(tǒng)地規(guī)劃和選擇，要做到一物一碼，這樣就可以把所有的生產(chǎn)要素(包括模具、滑撬、吊具、車身、零部件和工位器具等)方便地管理起來。信息識別系統(tǒng)的選擇方式如表1所示。

表1 信息識別系統(tǒng)方式選擇表

RFID不但可以簡單有效地把工廠的產(chǎn)品、設備、質(zhì)量等信息進行數(shù)字化，更為各種信息的交互提供了方便，也就帶來了更多的應用。

3.2 智能化系統(tǒng)的業(yè)務運行

3.2.1制造執(zhí)行維度

從制造執(zhí)行維度而言，智能化系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)計劃排程模塊、制造信息模塊、設備管理模塊、人員績效模塊和質(zhì)量控制模塊。這部分以MES制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心，建立制造業(yè)務流程信息的管理模塊。

(1)計劃排程模塊。計劃排程模塊包括生產(chǎn)計劃管理，制造資源計劃、先進排產(chǎn)系統(tǒng)、定制支持(選配定制和設計定制)、流水線制造排序、滾動排程，動態(tài)排程等，此外還包括用于生產(chǎn)規(guī)劃、管理改進和制造執(zhí)行的模擬分析。

(2)制造信息模塊。通過基于RFID的一碼到底系統(tǒng)，可以掌握每臺車的具體配置、物理位置、制造狀態(tài)等。RFID系統(tǒng)可以將這些信息實時地記錄到RFID芯片中，同時通過線邊的讀寫器，同步傳遞到MES系統(tǒng)，這樣就可以實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活調(diào)度。離線車輛信息和下線車輛的管理，也都能很容易地實現(xiàn)。

(3)設備管理模塊。引入設備管理系統(tǒng)，包括設備的臺賬管理、設備設施維護管理、設備狀態(tài)管理、備件管理、設備預防性維護等，可實現(xiàn)設備的全生命周期管理。系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)控機床(CNC)、機器人、儀表/傳感器和工控機/IT等系統(tǒng)；可實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控、報警、預警、調(diào)度等功能，在CCR(中央控制室)可實時采集監(jiān)控并形成設備運行狀態(tài)報表，以改善設備運行效率。

(4)人員績效模塊。人員績效模塊包含工時分析模塊和工時平衡、線平衡模塊、人機工程模塊?？砷_展作業(yè)成本分析，實現(xiàn)KPI、BI、可視化、決策支持等功能。

(5)質(zhì)量控制模塊。質(zhì)量控制模塊包括質(zhì)量追溯與監(jiān)控系統(tǒng)進貨檢、自制檢、計量檢測管理、在線檢測、SPC、關鍵件采集、QRQC、APQP等。實施中為總裝上線的每臺車都捆綁了一個可循環(huán)使用的RFID卡，里面寫入了該臺車的相關產(chǎn)品信息，可以和線邊的設備及MES系統(tǒng)互聯(lián)，能夠實現(xiàn)擰緊力矩、加注信息、檢測信息的收集存儲、精確追溯和統(tǒng)計分析，達到監(jiān)控的目的。通過質(zhì)量檢驗門的信息，可以獲取每臺車的質(zhì)量問題和返修信息，并快速地推送至相關人員，幫助大家快速掌握現(xiàn)場情況，采取措施。

3.2.2工藝規(guī)劃維度

第2節(jié)中已對DMES數(shù)字化工藝系統(tǒng)作了詳細描述，這里主要從應用層面進一步對工廠和工藝規(guī)劃部分進行闡述。

(1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。采用CAD、CAPP、CAE和CAM技術，以PLM為平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)設計EBOM、生產(chǎn)PBOM、制造MBOM和配件SBOM的統(tǒng)一管理。

(2)設計變更管理。統(tǒng)一的變更管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本管理、設計變更的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)設計的同步工程和變更的無縫對接。

(3)工藝設計管理。廠房、設備、工裝設計、管理，都可以通過DMES系統(tǒng)和PLM系統(tǒng)對接，在系統(tǒng)中實現(xiàn)工藝規(guī)劃和仿真模擬分析，大大縮短開發(fā)周期。

(4)工藝管理。通過將RFID系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)相關聯(lián)，可以實現(xiàn)工藝文件信息的自動調(diào)取，從而形成無紙化的多媒體工藝系統(tǒng)。實際應用中將工藝信息和產(chǎn)品信息相關聯(lián)，通過線邊的讀寫器，讀取到相應崗位的產(chǎn)品信息，從而自動地將產(chǎn)品的相關工藝信息顯示到線邊的顯示屏上，如該臺車在該工位的選裝配置、零件號、力矩等操作要求。工人可以非常方便地按要求操作，即不需要考慮配置，也能夠根據(jù)系統(tǒng)信息提示掌握相關的工藝質(zhì)量要求。

3.2.3供應鏈的維度

從供應鏈維度而言，智能化系統(tǒng)包括供應商管理、內(nèi)部物流管理、庫存管理、成品物流管理等模塊。

(1)供應商管理模塊SRM。可實現(xiàn)采購配額(比例)，協(xié)同采購，供應商發(fā)展、考核，供應商庫存管理，在制品成本管理；對供應商發(fā)布要貨預告和要貨計劃，實現(xiàn)從供應商到外購庫的精益配送。

(2)內(nèi)部物流管理模塊。建立了物流執(zhí)行系統(tǒng)(LES系統(tǒng))，實現(xiàn)系統(tǒng)外購庫投料、供應商直送、自制件投料、轉序、批量、單件管理，在線庫房管理。物流自動化、智能化方面實現(xiàn)自動立體庫、AGV、智能料架、電子標簽揀料系統(tǒng)，叉車呼叫、調(diào)度等，以及條碼、RFID、GPS、室內(nèi)定位等物流跟蹤技術應用。物流路線規(guī)劃實現(xiàn)物流班車，循環(huán)取貨，物流調(diào)度和監(jiān)控。供應鏈協(xié)同實現(xiàn)缺料預警和動態(tài)協(xié)同，供應商生產(chǎn)、采購、工藝和質(zhì)量協(xié)同。

(3)庫存管理模塊。包括物料庫存管理、線邊物料管理、成品庫存管理、備件庫存管理等。主要實現(xiàn)分供應商管理、分批次管理、預/實庫存管理；外購庫、自制件庫、在線庫、線旁庫、半成品、緩沖區(qū)、產(chǎn)品庫管理。

(4)成品物流模塊。包括市場、產(chǎn)品銷售、備件銷售、售后服務、增值服務、產(chǎn)品物流和備件物流。把物流追溯信息歸并到產(chǎn)品檔案。

在供應鏈規(guī)劃中，也大量應用了RFID技術，SPS小車、部分料架、AGV小車等都采用了RFID卡，RFID、二維碼和條碼共同構成LES系統(tǒng)的識別系統(tǒng)，能夠非常方便地統(tǒng)計物料狀態(tài)、出入庫記錄、庫存記錄等。通過RFID技術和LES系統(tǒng)的結合，可以容易地實現(xiàn)供應鏈系統(tǒng)的數(shù)字化、透明化、智能化管理。

上述的這些功能模塊，無論從哪個維度分析，都不是完全獨立的，它們之間相互關聯(lián)，相互協(xié)作。隨著智能制造技術應用的推進，它們之間的關聯(lián)和協(xié)同將更加緊密，使得信息和數(shù)據(jù)可以在各系統(tǒng)間更有效地流動。

4 數(shù)據(jù)分析與大數(shù)據(jù)應用

大數(shù)據(jù)分析和應用是智能制造和機器學習的關鍵技術，它利用數(shù)據(jù)探勘技術，發(fā)現(xiàn)業(yè)務改進的機會，將是智能化時代為企業(yè)提供持續(xù)改進的最主要手段。

企業(yè)云的構建是大數(shù)據(jù)應用的基礎，它是為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)收集和分析的平臺。通過大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)和工業(yè)以太網(wǎng)等技術，對系統(tǒng)和信息進行優(yōu)化、整合與互聯(lián)，構建一個自動化和信息化的集成管理和交互平臺，以實現(xiàn)信息和流程透明、智能控制、智能決策的目的[8]。株洲二工廠的企業(yè)云平臺構架如圖7所示，以現(xiàn)場終端為數(shù)據(jù)輸入，中央存儲數(shù)據(jù)庫為信息存儲整理中心，以IT系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理單元，以云桌面為應用窗口。

圖7 企業(yè)云平臺構架Fig.7 The enterprise cloud platform architecture

基于數(shù)據(jù)空間的云桌面，通過虛擬化應用，將云端資源傳遞給操作終端，終端操作者只需一個操作顯示器，即可實現(xiàn)便捷、高效辦公。有了這個平臺構架，就可以方便地把各種數(shù)據(jù)歸集起來，做到隨時隨地的調(diào)用。下面介紹幾個基于該平臺構架的大數(shù)據(jù)應用案例。

4.1 車身精度大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

車身精度大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將機器人在線測量報告、三坐標測量報告、藍光掃描設備報告、便攜式三坐標報告、人工測量數(shù)據(jù)(如總成檢具)、工裝夾具測量數(shù)據(jù)、SRM系統(tǒng)供應商測量報告等數(shù)據(jù)根據(jù)統(tǒng)一的規(guī)則存儲到數(shù)據(jù)中心，相應的測點信息遵循統(tǒng)一的編號規(guī)則。車身精度數(shù)據(jù)分析軟件可以從數(shù)據(jù)中心調(diào)取數(shù)據(jù)，進行車身尺寸的狀態(tài)分析、趨勢分析、相關性分析等。

4.2 焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)將全廠焊接機器人分成若干區(qū)域，每個區(qū)域的機器人焊接控制器與該區(qū)域的交換機通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相連，交換機通過網(wǎng)線和服務器相連，同時接入到公司的私有云存儲平臺。數(shù)據(jù)分析監(jiān)控在服務器和與服務器相連的電腦中進行。由于服務器接入到公司的云平臺，故可以在任何一個地方登錄云平臺進行訪問控制。

焊接控制器提取焊接的電流、電壓、周波、壓力等信息，并對信息進行編號，通過交換機發(fā)送給服務器。服務器建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行管理和存儲，方便調(diào)取數(shù)據(jù)。通過專門的數(shù)據(jù)分析軟件，對焊接數(shù)據(jù)進行整理、篩選、分析，用于現(xiàn)場焊接參數(shù)的監(jiān)控和分析。對于常見的虛焊、漏焊、焊穿、飛濺等問題都可以通過建立相應的數(shù)據(jù)模型，對點焊質(zhì)量進行甄別，及時報警。甚至可以對焊接能量、電極耗材等進行優(yōu)化，從而降低成本。

4.3 涂裝智能管理中心

涂裝智能監(jiān)控中心是大數(shù)據(jù)集成的典型應用案例。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種設備傳感器、PLC數(shù)據(jù)等傳遞到管理中心，可以監(jiān)控數(shù)百種工藝參數(shù)和質(zhì)量指標，也包括設備狀態(tài)和能耗情況以及生產(chǎn)信息等。通過數(shù)百個視頻監(jiān)控點可以清晰地監(jiān)控現(xiàn)場的實際狀態(tài)，特別是電泳槽、烘房、噴漆室等即使到了現(xiàn)場也不方便查看的區(qū)域。智能管理中心既可以監(jiān)控各種數(shù)據(jù)的狀態(tài)，又可以看到實際圖像，從而實現(xiàn)工藝過程、質(zhì)量控制的有效管理和生產(chǎn)管理及能耗等成本管理的優(yōu)化。

在大數(shù)據(jù)應用方面還有設備運行管理系統(tǒng)、過程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、螺栓擰緊大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)通過云桌面的形式，直接面向管理人員，可以實現(xiàn)隨時隨地的查看；也可以通過微信或短信的方式和專業(yè)人員實現(xiàn)交互。通過大數(shù)據(jù)技術應用，能夠提高工程技術人員效率20%以上，提高管理人員效率30%以上，使工廠的管理和運營更加高效敏捷。

后續(xù)的計劃是在企業(yè)云的平臺上建設企業(yè)運行的“大數(shù)據(jù)駕駛艙”，在駕駛艙可以調(diào)取和查看企業(yè)運行的所有數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)用戶的需求定制相應的數(shù)據(jù)報表和監(jiān)控畫面，但這將帶來對數(shù)據(jù)處理和分析的更高要求。

5 結語

北汽株洲二工廠通過運用數(shù)字化工廠、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)以太網(wǎng)等技術，將自動化、柔性化生產(chǎn)線及裝備與產(chǎn)品開發(fā)、資源管理、制造執(zhí)行、生產(chǎn)設備、物流、質(zhì)量、能源等相關系統(tǒng)整合與互聯(lián)。這一方面使得管理與控制更加智能化，提高了管理效率；另一方面，企業(yè)內(nèi)部以及和外界的信息互聯(lián)越來越緊密，信息交換也越來越方便，為企業(yè)管理經(jīng)營的效率提升打下了良好的基礎。

通過參與該智能制造項目，筆者有以下幾點體會：①必須先制定智能制造發(fā)展的總體框架和思路；②根據(jù)自己企業(yè)的情況，不能照搬照抄，也沒有可以抄的對象；③制定分階段實施的策略，不能也不可能一步到位；④從解決企業(yè)的實際問題為出發(fā)點，如提高質(zhì)量，提高效率，降低成本，不能僅考慮提高自動化和智能化水平，盲目投資。

應該指出的是，株洲二工廠已建設的智能透明工廠，在大數(shù)據(jù)分析方面還存在一些短板，需要在后續(xù)研究中彌補。可以預見，隨著各方面信息與控制關聯(lián)緊密度的提升，企業(yè)的各項效率指標必將進一步提升。

該智能制造項目雖然取得了一定的成效，但項目組也清醒地認識到，智能制造我們還在路上，需要創(chuàng)新和探索的課題還很多，如近年來人工智能技術的快速發(fā)展，必將為智能制造帶來更加嶄新的應用，促進智能制造的發(fā)展。