面向智能制造的柴油機數(shù)字化車間構建與實施

時運來，付少蕾，春 輝，徐洪波

（1.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京210016；2.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，江蘇 揚州225000）

1 引言

自“工業(yè)4.0”概念提出以來，世界各國在智能制造領域的投入不斷增長，也相繼制定和推出了相關的發(fā)展戰(zhàn)略。2013年，德國正式推出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，主要圍繞三個主題“智能工廠，智能物流，智能生產(chǎn)”進行實施，把信息技術、網(wǎng)絡技術與工業(yè)生產(chǎn)相結合，最終達到制造業(yè)向智能化的轉變。2017年，英國也結合自身產(chǎn)業(yè)基礎提出了“現(xiàn)代工業(yè)戰(zhàn)略”，注重以政府為主導，以加大對科研創(chuàng)新、基礎設施升級、勞動力技能培訓進行投資為主線，推動制造業(yè)的復蘇。我國于2015年也適時推出了“中國制造2025”戰(zhàn)略［1］，以“智能制造”為重點發(fā)展區(qū)域，把技術創(chuàng)新作為戰(zhàn)略實施的驅動力，努力實現(xiàn)產(chǎn)品質量與工業(yè)生產(chǎn)效率的雙向提升，從而不斷增強我國制造業(yè)的國際競爭力。

“工業(yè)4.0”的提出，明確了制造業(yè)的數(shù)字化和智能化發(fā)展之路。目前，隨著我國工業(yè)化在制造業(yè)中的不斷深入，以信息化的方式輔助車間的加工制造及管理的模式也漸漸出現(xiàn)一些亟待解決的問題，其中，最明顯的問題體現(xiàn)在信息化與工業(yè)現(xiàn)場實際結合上，當前國內制造業(yè)的工業(yè)技術發(fā)展與信息化發(fā)展出現(xiàn)兩條路線單一發(fā)展的現(xiàn)狀，兩者只是單向性帶動或者說是低效率的相互帶動關系，并沒有實現(xiàn)兩者相互融合與促進的特殊效應。國內部分制造業(yè)企業(yè)僅僅照搬歐美國家的數(shù)字化模式僅僅是為了信息化而信息化，主要表現(xiàn)在兩方面：（1）我國工業(yè)技術的發(fā)展未能更好的指導與支持信息化的發(fā)展；（2）信息化技術發(fā)展未能很好的結合工業(yè)化現(xiàn)狀與整合企業(yè)資源。多年來，我國柴油發(fā)動機制造企業(yè)將數(shù)字化生產(chǎn)線建設作為企業(yè)信息化發(fā)展的重點方向，通過改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式重構柴油發(fā)動機制造業(yè)，在努力實現(xiàn)從“制造”走向“智造”的轉變。然而與歐美國家相比，我國柴油機制造行業(yè)在“智能制造”發(fā)展方面起步較晚，基礎較弱。通過對柴油機制造行業(yè)企業(yè)老式車間調研、參與智能制造專項車間搭建工作及對國內其他智能制造車間建設經(jīng)驗的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)車間柔性化程度低，不適應于多品種、小批量、定制化、批產(chǎn)混線生產(chǎn)等需求，建設具有“數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”特征的智能制造車間勢在必行。為此，針對上述問題，開展柴油發(fā)動機數(shù)字化車間的研究對于柴油發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)的智能化轉型與升級具有重要的現(xiàn)實意義。

2 柴油機數(shù)字化車間構建需求分析

2.1 國內柴油發(fā)動機制造主要工藝流程現(xiàn)狀分析

柴油發(fā)動機車間的生產(chǎn)線主要由缸蓋加工線、缸體加工線、發(fā)動機總裝配線、發(fā)動機預裝線、試車線、涂裝線、后整理線、包裝線等生產(chǎn)線組成，如圖1所示。（1）缸體、缸蓋制造工藝分析：目前而言，國內多數(shù)內燃機企業(yè)在發(fā)動機的生產(chǎn)過程中僅需要對缸體和缸蓋進行機械加工（缸體和缸蓋的鑄造成型一般依賴于外協(xié)企業(yè)），其余的零部件大部分外委采購。近十年來，國內柴油發(fā)動機得到了快速發(fā)展，國內也逐漸對缸體和缸蓋生產(chǎn)線進行了升級，少數(shù)企業(yè)開始采用高速臥式加工中心來組建柔性生產(chǎn)線，利用機械手進行上下料操作，并逐步加入了自動在線檢測等設備。但多數(shù)柴油機生產(chǎn)企業(yè)在單缸和多缸小缸徑柴油機的缸體、缸蓋的粗加工和精加工中，還是以主要以組專機床和少量臥式加工中心加專用夾具組成的流水線為主，部分采用了機動輥道來實現(xiàn)工序間的工件傳遞，上料和下料主要以電動單梁懸掛起重機為主，整個生產(chǎn)線的剛性生產(chǎn)能力強，但柔性生產(chǎn)能力較差。（2）裝配生產(chǎn)線工藝分析：與汽油機制造相比，我國在柴油機整機制造方面的發(fā)展相對比較落后，整機裝配流水線按工位進行劃分，依賴人工進行裝配的工序占比重較高。裝配線的輸送方式一般采用積放鏈或者板鏈，部分企業(yè)開始使用輥道線，并開始采用一些手段來實現(xiàn)產(chǎn)品信息的自動采集。一些關鍵部件的裝配開始采用電動裝置，如采用電動擰緊機來擰緊固定螺栓。

圖1 傳統(tǒng)車間生產(chǎn)線工藝流程Fig.1 Production Line Process of Traditional Workshop

總體而言，從目前大多數(shù)柴油機生產(chǎn)企業(yè)的制造工藝流程來看，雖然在流水線作業(yè)的基礎上，部分實現(xiàn)了加工信息的采集和信息的追溯，但車間整體數(shù)字化水平仍然較低，沒有實現(xiàn)加工裝備、加工工件、裝配、質檢等信息的自動化采集，信息流動大部分還是采用手工操作記錄的方式和傳遞的方式。

2.2 數(shù)字化車間構建需求分析

（1）制造工藝的數(shù)字化升級需求：將傳統(tǒng)的面向工序的工藝模式通過先進的智能制造技術升級為面向過程的智能化工藝管理模式。傳統(tǒng)工藝重點在于工序化管理，依靠工藝流程卡來管控產(chǎn)品的制造過程，效率比較低。開展智能制造，需要改變工藝管理模式，構建產(chǎn)品、工藝和制造緊密關聯(lián)的工藝模型，建立工藝管理系統(tǒng)，形成對MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）的有力數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)面向過程的工藝管理，提高對關鍵工藝工程要素的可監(jiān)測性、可控制性及其可優(yōu)化性。

（2）智能化設備的配備或老舊車間設備數(shù)據(jù)采集問題的改造需求：為實現(xiàn)產(chǎn)品的質量控制，必須對設備的刀具磨損情況、工件加工過程中的機床運行狀態(tài)等進行有效監(jiān)控。如果不能夠對加工環(huán)節(jié)的信息進行有效的采集和存儲，將無法實現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性，達不到對產(chǎn)品生命全周期的有效管理。為此，必須將以傳統(tǒng)的工藝流水配置的生產(chǎn)裝備升級為智能化、數(shù)字化裝備。依托國內領先系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)商、核心智能制造裝備供應商，緊扣發(fā)動機關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制和供應鏈優(yōu)化需求，構建面向智能制造的柴油發(fā)動機智能化裝備集群。

（3）生產(chǎn)線的柔性化需求：形成柔性生產(chǎn)能力是生產(chǎn)線數(shù)字化構建的重要內容，就目前柴油發(fā)動機市場需求而言，常常需要技術開發(fā)與批產(chǎn)混線，多品種小批量混線生產(chǎn)。由此必須結合柴油發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀，對企業(yè)現(xiàn)有的多品種產(chǎn)品的工藝流程進行提前規(guī)劃，并對加工設備進行提前布局，運用數(shù)字化工廠軟件對各個環(huán)節(jié)進行模擬仿真和優(yōu)化，由此對生產(chǎn)線的數(shù)字化構建提供參考，滿足生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)需求，提高DF生產(chǎn)線的工作效率，降低生產(chǎn)成本。

3 數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構

為了能實現(xiàn)車間內部虛擬平臺與物理對象的相互映射及無縫融合，促使數(shù)字化車間走向智能化，并對車間內時間和空間信息進行聯(lián)合處理，從而提高生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實時性，以滿足車間平臺任務安排與信息反饋的實時性要求，結合國內外柴油發(fā)動機建設的先進經(jīng)驗、存在的問題及考慮智能工廠的發(fā)展前景，參照國際標準ISA-95［2］設計了柴油發(fā)動機數(shù)字化車間的信息物理系統(tǒng)架構［3］，如圖2所示。主要包含五個層次，由下而上為：設備層，控制層，網(wǎng)絡層，系統(tǒng)層和管理層。

圖2 參考ISA-95標準的車間總體框架Fig.2 Overall Structure of the Digital Workshop

設備層主要包括智能制造設備、智能工裝設備、智能物流設備（如上料機器人、AGV小車、傳送裝置）、智能傳感器、智能測試設備。主要功能是實現(xiàn)柴油發(fā)動機產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢測、工位信息采集、零部件自動化運輸、成品運輸過程，同時，也是柴油機生產(chǎn)數(shù)字化信息的源頭與控制層執(zhí)行生產(chǎn)計劃的工具，比如：RFID（無線射頻識別）［4］屬于智能傳感器中的一種，通過在柴油機各加工、裝配工位安裝RFID傳感器，實現(xiàn)車間人員、設備、物料、工裝等的編碼信息、位置信息、狀態(tài)信息的非接觸式實時采集，再存入MES數(shù)據(jù)庫以數(shù)字化升級制造工藝，替代傳統(tǒng)車間工藝流程卡來管控柴油機生產(chǎn)。

控制層主要包括PLC（可編程邏輯控制器）、單片機等自動化控制器與驅動裝置及HMI（人機交互界面）。主要功能是接收來自網(wǎng)絡層的加工、裝配、采集柴油機生產(chǎn)過程信息等操作指令，再通過控制層的各種硬件進行驅動及控制設備層的各種智能化設備進行柴油機零件制造加工、加工裝配數(shù)據(jù)采集、零部件自動化物流運送等操作。

網(wǎng)絡層主要包括工業(yè)PON（無源光纖網(wǎng)絡）［5］、DNC（分布式數(shù)控）網(wǎng)絡、各種通訊及控制總線、SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、DCS系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）和FCS系統(tǒng)（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）等內容。功能是實現(xiàn)車間智能化加工設備、智能儀表、加工工藝和測試儀器等之間的數(shù)據(jù)傳遞及采集，且將系統(tǒng)層中MES系統(tǒng)的柴油發(fā)動機計劃排產(chǎn)人工或者自動化分解成加工指令，并發(fā)布生產(chǎn)指令至控制層。在這一層級，通過工業(yè)PON、DNC網(wǎng)絡及工業(yè)現(xiàn)場總線等通訊網(wǎng)絡在整個車間內部把數(shù)控機床、缸體試漏設備、零件壓裝設備、大量的工控機等形成互聯(lián)互通的工業(yè)通訊網(wǎng)絡，以實現(xiàn)生產(chǎn)各個工位之間數(shù)據(jù)的傳遞；柴油發(fā)動機車間需要配置SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)及FCS系統(tǒng)，以實現(xiàn)車間每條數(shù)字化生產(chǎn)線或者每個工位生產(chǎn)的數(shù)據(jù)實時采集、實時監(jiān)測、集中管理與分散控制等指令的生成與發(fā)布。例如，：缸體加工線每臺機床數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、管理與控制的高效實現(xiàn)即是依賴于這一網(wǎng)絡層的合理設計。

系統(tǒng)層由MES系統(tǒng)及WMS（倉庫管理系統(tǒng)）組成，MES系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)柴油機生產(chǎn)車間的管理與生產(chǎn)監(jiān)控。首先，承接來自管理層中ERP（企業(yè)資源計劃）的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括柴油機生產(chǎn)日計劃，物料庫存、調配數(shù)據(jù)，生產(chǎn)變更數(shù)據(jù)）與PLM的工藝數(shù)據(jù)（零部件原材料的種類、相關屬性，各條產(chǎn)線的工藝路線，每個工位的工藝信息，數(shù)據(jù)變更信息）；其次，為操作人員在生產(chǎn)過程中提供圖紙工藝和技術文檔等內容的無紙化查詢及指導操作人員進行生產(chǎn)；再者，接收來自于網(wǎng)絡層所上傳的柴油機加工、裝配的工藝數(shù)據(jù)和所有資源（人、設備、物料、客戶需求）的當前狀態(tài)信息，實現(xiàn)車間級的協(xié)調、跟蹤、決策和調度。WMS系統(tǒng)與MES系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)層以Web方式進行數(shù)據(jù)的交互，其接收來自于MES系統(tǒng)的當日生產(chǎn)計劃、零部件的物流調配信息與成品完工信息，用于柴油機生產(chǎn)車間物料的調度和配送及成品的入庫管理和統(tǒng)計。

管理層包括PLM系統(tǒng)（Product Lifecycle Management，產(chǎn)品生命周期管理）和ERP系統(tǒng)。管理層通過PLM進行產(chǎn)品全生命周期的設計，并通過ERP獲取PLM內部工藝數(shù)據(jù)制定出車間的主生產(chǎn)計劃、物料主數(shù)據(jù)下放至MES系統(tǒng)分解為若干個MES車間生產(chǎn)子任務；同時，MES向ERP系統(tǒng)進行生產(chǎn)進程反饋與生產(chǎn)計劃報表。ERP系統(tǒng)主要功能是提升企業(yè)管理層的綜合管控能力，解決傳統(tǒng)車間的工藝、資金、采購、物流等業(yè)務之間的信息孤島效應，并在生產(chǎn)計劃管控、企業(yè)資產(chǎn)管理、企業(yè)財務管控等方面體現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢。

對于設備層、控制層和網(wǎng)絡層這三個層級，通過無線通訊技術與有線通訊技術（如EPON）在車間形成一體化工業(yè)網(wǎng)絡，解決了傳統(tǒng)老式車間信息無法全面采集的問題。

4 柴油機智能制造數(shù)字化車間構建策略

根據(jù)已規(guī)劃好的數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構及構建智能車間的實際需求，數(shù)字化車間可按以下五個階段進行構建：

第一階段，構建柴油發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)體系及研發(fā)適應市場的產(chǎn)品。在車間構建之前，通過集成有CAD/CAM/CAPP等產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)的PLM平臺設計幾類面向當前市場的柴油發(fā)動機新產(chǎn)品及其產(chǎn)品相關的所有信息（如產(chǎn)品工藝流程、材料、制造、裝配、圖紙等），以為后期車間設計奠定基礎；在車間構建完成之后，利用PLM平臺，對發(fā)動機結構拓撲、產(chǎn)品工藝進行持續(xù)的改進創(chuàng)新、建模仿真、驗證分析［6］，從而不斷優(yōu)化產(chǎn)品的工藝流程、研發(fā)水平和全生命周期，以升級企業(yè)產(chǎn)品制造水平及適應各階段市場的需求。

第二階段，數(shù)字化車間生產(chǎn)環(huán)境的建模及基本布局的規(guī)劃。分析第一階段設計出的幾種型號柴油發(fā)動機產(chǎn)品信息及工藝流程，采用三維模擬技術對發(fā)動機生產(chǎn)環(huán)境進行數(shù)字化建模，建立車間總體的數(shù)字化模型及詳細規(guī)劃各產(chǎn)線工藝流程及基本布局，設計出可生產(chǎn)多種類型柴油發(fā)動機的數(shù)字化生產(chǎn)線。整體規(guī)劃內容包括生產(chǎn)線數(shù)量、各生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程、工位數(shù)量及位置、工位加工裝配內容、數(shù)據(jù)采集類型及位置和智能化設備種類。利用三維仿真技術對生產(chǎn)系統(tǒng)進行仿真運行及持續(xù)性優(yōu)化。在車間真實生產(chǎn)之前，仿真生產(chǎn)系運行的各種細節(jié)（如：車間物流、產(chǎn)線設備和車間布局等）對各產(chǎn)線產(chǎn)能、成品率和生產(chǎn)成本的影響及發(fā)動機生產(chǎn)線生產(chǎn)多機型的柔性化能力，以驗證車間布局設計和各種調度計劃的合理性；設計多種運行方案，并分析、對比三維仿真系統(tǒng)中車間的運行數(shù)據(jù)，最終修正設計的問題及規(guī)劃出滿足數(shù)字化升級產(chǎn)線、合理配備智能設備、高度柔性化等條件的基本布局；在車間真實生產(chǎn)之后，數(shù)字化模擬技術為車間后續(xù)生產(chǎn)提供幾乎是無限的生產(chǎn)柔性，通過仿真的方式，測試不同生產(chǎn)調度策略對新、舊產(chǎn)品生產(chǎn)的影響。

第三階段，數(shù)字化車間的建設。首先，按照依托國內設備廠商、發(fā)動機關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代和生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制的原則，進行智能化設備、智能傳感器的選擇，并將智能化設備（如數(shù)控機床、上料機器人、氣門油封壓裝機、油道干試試漏機）、智能傳感器（如RFID、無線溫度傳感器、接近開關）安裝在第二階段所設計基本布局的對應位置，并根據(jù)數(shù)字化模型配備自動化傳輸線；其次，安裝PLC等自動化控制器與驅動器實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)線設備的自動化控制、智能傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理；再者，在數(shù)字化產(chǎn)線載入工業(yè)PON網(wǎng)絡（優(yōu)勢：高帶寬、高抗干擾性、傳輸距離遠）、各種工業(yè)通訊總線（如ProfiBUS）、DNC網(wǎng)絡等形成數(shù)字化車間實時通訊網(wǎng)絡，以及在數(shù)字化生產(chǎn)線載SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)等控制車間設備進行加工、裝配、物流運送等操作及對車間生產(chǎn)進行實時數(shù)字化監(jiān)測。最終，在車間層級將設備、硬件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件融為一體。而在數(shù)字化車間構建中數(shù)字化的內容主要包括三方面：（1）部分數(shù)據(jù)（如設備運行狀況、刀具磨損情況）使用智能化設備自帶的SCADA系統(tǒng)進行采集；（2）人、機、料、工裝等的編碼、位置、狀態(tài)信息則通過RFID技術、條碼掃描槍、手持終端進行采集，提高產(chǎn)品的可追溯性與生產(chǎn)過程的有效管理，形成對MES的有力支撐；（3）數(shù)字化加工生產(chǎn)線把多臺柔性化數(shù)控機床通過計算機網(wǎng)絡技術構成DNC網(wǎng)絡系統(tǒng)，并將自動化輥道、上料機器人、桁架機械臂、空中小車等組成全自動化物流線，在網(wǎng)絡中同時嵌入大量傳感器實時采集柔性加工線的數(shù)據(jù)。并且在多種生產(chǎn)模式綜合應用下，實現(xiàn)了對工藝要素的監(jiān)測、產(chǎn)品質量的控制及車間柔性化升級，不僅可以實現(xiàn)當前產(chǎn)品的多品種、小批量的生產(chǎn)，更可以通過替換部分工位設備或者修改部分工位加工工藝的方式快速適應產(chǎn)品更新?lián)Q代之后的生產(chǎn)且不需重新搭建新的生產(chǎn)線。

第四階段，載入ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)等車間級軟件平臺。將ERP系統(tǒng)與PLM系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)研發(fā)/生產(chǎn)一體化，同時，通過ERP系統(tǒng)提升企業(yè)資源管理水平。PLM系統(tǒng)向ERP系統(tǒng)中自動傳遞或者手動傳遞產(chǎn)品工藝相關的信息、物料清單和工藝路線等信息。緊接著，載入MES系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的工藝流程卡號管控車間的功能類似，MES功能為通過為每臺柴油發(fā)動機創(chuàng)建一對一的序列號的方式［7］，并在實際生產(chǎn)過程中在每個工序通過掃描獲取序列號的形式訪問工藝數(shù)據(jù)庫獲得該工序相關的控制信息，實現(xiàn)從工序管控到車間管控的數(shù)字化升級；MES系統(tǒng)接收來自第二階段布置的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)以供管理層生產(chǎn)高級排程、產(chǎn)品質量分析及設備管理；再通過上線WMS系統(tǒng)配合MES使用，實現(xiàn)物料出入庫、存儲、配送等物料管理工作，最終實現(xiàn)數(shù)字化車間虛擬系統(tǒng)與物理系統(tǒng)進行無縫銜接，構建出數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構。

第五階段，引入新型制造模式。利用最新的云計算技術、大數(shù)據(jù)分析技術實現(xiàn)產(chǎn)品的未來規(guī)劃，吸收當前電子商務、云服務等［8］互聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢等方式，最終實現(xiàn)柴油發(fā)動機這一離散型制造行業(yè)的智能制造、協(xié)同制造、大規(guī)模個性化定制和遠程運維等新型制造模式。

5 應用實施案例及實際效率比對

在此，針對某柴油機生產(chǎn)企業(yè)下屬子公司車間制造工藝落后、老舊加工設備數(shù)據(jù)采集困難及產(chǎn)線柔性化程度低等問題，根據(jù)上述構建策略，分五個技術層面/階段對該企業(yè)的生產(chǎn)車間做出了改進，并搭建新型車間：

（1）由于該企業(yè)集團公司PLM平臺構建比較完善，基于企業(yè)PLM和云服務的融合，實現(xiàn)了與該企業(yè)集團公司與子公司之間的跨地域實時協(xié)同工作，在此僅需完善該企業(yè)子公司在產(chǎn)品設計方面的數(shù)字化工作。首先，采用PLM集成的柴油機三維設計軟件（SolidWorks 3D）對該車間待產(chǎn)的發(fā)動機產(chǎn)品的零件模型及整機裝配模型進行了建模，并繪制出相應的工程圖，并編寫相應的工藝信息和工藝流程信息；其次，對產(chǎn)品的三維模型圖、二維工程圖及其中所包含的產(chǎn)品各種結構信息與產(chǎn)品屬性信息（結構信息包括產(chǎn)品裝配信息、尺寸信息；屬性信息包括零件材料信息等，即裝配圖和零件圖里面的標題欄信息）、相應的工藝信息和工藝流程信息進行歸類整理；最后，將設計結果一起構建在PLM數(shù)據(jù)庫模型中，并自動產(chǎn)生產(chǎn)品結構樹。

（2）根據(jù)PLM數(shù)據(jù)庫中已有的產(chǎn)品工藝信息和工藝流程信息，對數(shù)字化車間整體產(chǎn)線設計進行了整體規(guī)劃。共設計四條生產(chǎn)線：前兩條作為發(fā)動機缸蓋及缸體的機加工線，后兩條分別作為車間總裝配線和后整理線。機加工線、裝配線及后整理線均通過已經(jīng)設計好的加工、裝配工藝進行布置各工序的機加工設備，主要有：數(shù)控機床、自動擰緊設備、智能試漏設備、缸體翻轉機器人及帶有HMI界面與數(shù)據(jù)輸出接口的智能設備，所選機加工設備及裝配設備滿足于多種機型的要求，提升機加工線的柔性度；對于與產(chǎn)線相匹配的自動化物流線，使用自動化輥道、空中小車、上下料機器人、自動化轉臺、AGV車等進行整個車間機體和物料的自動化運送。最終在數(shù)字化虛擬仿真平臺上驗證這一套生產(chǎn)線是否實現(xiàn)小批量、多品種柴油發(fā)動機產(chǎn)品的生產(chǎn)。并且多次仿真實驗及修改設計，最后購買合適的加工設備且安裝設備。

（3）基于上一步所設計的生產(chǎn)線布局進行車間數(shù)字化建設，主要包括四個方面：a.前兩條機加工線由帶有先進數(shù)控系統(tǒng)的格勞博機床組成，通過屏蔽性良好的網(wǎng)線將所有數(shù)控機床網(wǎng)口、分別接入到交換機上，再匯入工業(yè)PON的ONU（光網(wǎng)絡單元）設備中，完成機加工線的DNC網(wǎng)絡。同時有數(shù)據(jù)接口的智能化設備也以網(wǎng)口直接接入交換機或通過RS485轉網(wǎng)口形式接入交換機，最終轉接入ONU設備；b.針對數(shù)控機床、智能設備無法自身采集加工數(shù)據(jù)且人工無法手工錄入數(shù)據(jù)的位置，主要有：數(shù)控機床主軸溫度、數(shù)控機床電機工作溫度、機床主軸轉速，通過自行安裝傳感器的方式采集這些數(shù)據(jù)，安裝傳感器對應有在線式紅外測溫儀、PT100螺釘式熱電阻及溫度變送器、霍爾傳感器，最后接入到車間西門子PLC的S7-300系列并通過PLC主機自帶的網(wǎng)口接入交換機及ONU設備；c.在各種零件/物料眾多的總裝配線和后整理線使用RFID讀卡器（型號：SIMATIC RF340R）進行裝配的機體序列號采集，接入方法為b點中的方法；d.使用人工輔助采集方式采集車間一些不易采集的數(shù)據(jù)，主要有：使用掃碼槍掃碼采集RFID讀卡器沒有成功采集的數(shù)據(jù)，使用手機上報車間的異常工況于維修部門等。

（4）使用工業(yè)PON（無源光網(wǎng)絡）進行車間整體聯(lián)網(wǎng)通訊，主要聯(lián)網(wǎng)步驟有：先接入光網(wǎng)絡單元（ONU），再接入光線路終端（OLT），最后接入到車間核心交換機進入數(shù)據(jù)中心。把車間各工位已采集至網(wǎng)關、PLC或者工控機的數(shù)據(jù)傳輸至車間的數(shù)據(jù)中心匯總，以解決老式車間數(shù)據(jù)無法采集或者數(shù)據(jù)采集實時性低的問題。

（5）通過在智能制造車間載入高實時性的MES系統(tǒng)且將車間的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入到MES系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字化升級柴油機生產(chǎn)車間的制造工藝與生產(chǎn)過程管理水平。同時，將ERP與MES系統(tǒng)集成實現(xiàn)車間級與企業(yè)管理層在生產(chǎn)過程中充分的交互。最終車間實現(xiàn)全面數(shù)字化升級，基于以上設計在某企業(yè)進行相應的實際應用已實現(xiàn)實際的效果，且現(xiàn)有傳統(tǒng)車間與已經(jīng)搭建的智能制造車間的對比圖，如圖3所示。

圖3 老式車間與智能制造車間對比Fig.3 Comparison between Old-fashioned Workshop and Intelligent Manufacturing Workshop

根據(jù)對某柴油機企業(yè)智能制造車間與老式車間當前生產(chǎn)狀況的分析與對比可知，智能制造車間總體的年產(chǎn)量相比老式車間提高了53%，生產(chǎn)成本降低了5%，生產(chǎn)效率提高25%，訂單交付時間縮短20%，車間產(chǎn)能提高了1倍多。

6 總結

面向智能制造的柴油發(fā)動機數(shù)字化車間構建與實施過程中，在傳統(tǒng)車間的基礎上優(yōu)化了傳統(tǒng)車間的總體架構、構建過程、設備配備及生產(chǎn)線工藝流程，實現(xiàn)了有效的提升。主要有以下三個方面：1）在關鍵工序配備智能化設備以監(jiān)控加工、裝配、測試的實時狀態(tài)，構建智能化裝備集群，實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)實時采集及產(chǎn)品的質量控制；2）整套數(shù)字化生產(chǎn)線通過使用生產(chǎn)工序精細化，關鍵設備模塊化、通用化的方法，提高其生產(chǎn)的適應性與柔性；3）采用智能制造技術，提升了工廠整體的制造工藝的數(shù)字化水平。新的柴油機生產(chǎn)車間構建策略與實施經(jīng)驗對將來柴油機數(shù)字化車間及國內離散型車間的構建與實施具有很大的借鑒性。