汽車制造業(yè)焊裝車間數(shù)字化系統(tǒng)建設方案

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年遠景目標綱要》針對汽車產(chǎn)業(yè)的升級強鏈以及轉型升級已經(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)核心關鍵。廣義而言，智能制造是一個大概念，是先進制造技術與新信息技術的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務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，旨在引領行業(yè)發(fā)展，推動貫穿產(chǎn)品規(guī)劃設計、生產(chǎn)制造、售前售后服務的全生命周期數(shù)字化建設，最終達成智能制造的目標。

數(shù)字化工廠（DF）以產(chǎn)品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，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)字化轉型過程包含七大關鍵內(nèi)容，產(chǎn)品方面包含產(chǎn)品數(shù)字的準確性、生產(chǎn)的及時性、產(chǎn)品質量和產(chǎn)品成本；過程關系方面包含了設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)品設計、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品服務三個層面。在汽車制造業(yè)中的產(chǎn)品設計階段，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)準確性、及時性和質量成本控制。

針對焊裝工藝生產(chǎn)制造中的產(chǎn)品質量和運行管理維護成本方面，通過生產(chǎn)信息管理、生產(chǎn)質量跟蹤與追溯、設備狀態(tài)采集與管理等信息進行整合與聯(lián)通，形成生產(chǎn)質量的閉環(huán)及設備狀態(tài)的預測與預防，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。

2 焊裝工廠數(shù)字化架構

《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，在此階段中，數(shù)字化設計、建模仿真、信息化管理手段已經(jīng)成熟應用在汽車裝備制造領域中；

b.第二階段：數(shù)字化網(wǎng)絡化制造階段，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能裝備的結合，以及大數(shù)據(jù)分析、5G互聯(lián)、視覺處理和物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，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的深度融合而形成新一代的智能制造技術，也代表著第四次工業(yè)革命的核心驅動力。

通過規(guī)劃仿真設計、虛擬調試及生產(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)建設的理念即焊裝車間的智能設備依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡，搭配大數(shù)據(jù)分析和云計算技術，建立一套服務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，則需要重新梳理數(shù)字化系統(tǒng)的架構?；谝黄?大眾公司生產(chǎn)信息傳遞的架構（圖1），建立技術先進、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

當然，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，參考工業(yè)4.0概念的數(shù)字化建設，結合自身的制造業(yè)經(jīng)驗，建立了自主的焊裝工廠數(shù)字化工廠架構，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)字化架構中囊括了以下功能模塊。

圖2 焊裝工廠數(shù)字化架構

a.生產(chǎn)管理模塊；

b.設備管理模塊；

c.質量管理模塊；

d.預警模塊；

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)層級部署架構見圖3。

圖3 焊裝工廠數(shù)據(jù)層級

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

b.存儲層：采用MySQL數(shù)據(jù)庫，將采集的生產(chǎn)信息、設備狀態(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服務器用于與PLC的數(shù)據(jù)交互，其它系統(tǒng)內(nèi)設備的數(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)結構和功能塊進行數(shù)據(jù)上傳。

e.設備層：確定需采集數(shù)據(jù)的設備種類和接口定義，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.設備運行狀態(tài)及運行時間：PLC采集設備狀態(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)測過程和檢測結果數(shù)據(jù)；

b.焊點信息：焊接群控設備收集焊點信息進行質量分析；

c.焊鉗信息：焊鉗設備狀態(tài)數(shù)據(jù)；

d.預警模塊：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)的設備狀態(tài)信息。

以上設備數(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)絡方案

信息傳輸?shù)膶崟r和有效性是數(shù)字化建設的必要條件之一，設備層以Profinet協(xié)議為基礎，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進行構建。

數(shù)字化工廠網(wǎng)絡拓撲結構見圖4；設備層網(wǎng)絡拓撲見圖5。

圖4 焊裝工廠管理層網(wǎng)絡拓撲

圖5 設備層網(wǎng)絡方案

5 功能模塊開發(fā)及應用展示

數(shù)字化架構介紹中包含了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：生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、設備信息采集、檢測信息采集、焊點信息采集、介質信息采集。

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、設備管理及預測性維護、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.計劃導入：系統(tǒng)支持EXCEL模板導入。

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

通過以上的管控方案，設計出整體的排產(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 設備管理方案

5.2.1 節(jié)拍分析

根據(jù)現(xiàn)場采集的設備數(shù)據(jù)，與規(guī)劃設計的節(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)計可以被下載或導出。數(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)量和標準產(chǎn)量，數(shù)據(jù)分析見圖11。

圖11 產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析

5.3 預測性維護系統(tǒng)方案

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

a.通過設備的物理特性，建立設備的機理模型。

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

c.結合設備環(huán)境外圍因素的導入，豐富模型內(nèi)容。

電機預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)。機器人預測性維護使用OPC UA SERVER方式讀取機器人控制器信號。

通過預測性維護，及時發(fā)現(xiàn)關鍵設備的變異情況，實現(xiàn)實時偏差分析進行診斷和預測，現(xiàn)場維修人員通過關鍵設備的健康診斷分析報告，提前研判并合理安排對相關設備的維護和檢修工作，顯著延長了關鍵設備的使用壽命，同時極大減少了由于關鍵設備突發(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各類智能設備，實現(xiàn)遠程維修操作的指導和教學，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，實現(xiàn)水電氣介質的實時監(jiān)控

通過網(wǎng)絡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，將大數(shù)據(jù)、機器學習技術應用到智能照明系統(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節(jié)策略如下。

a.通過廠內(nèi)的調度傳感器，對自動區(qū)內(nèi)的亮度進行無級調節(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.當日產(chǎn)量達標后，降低或關閉設備照明，節(jié)約能源。

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

系統(tǒng)架構如圖12所示。

圖12 智能照明系統(tǒng)架構

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地依次上線，并且需要及時、精準送料到位。車型識別系統(tǒng)通過射頻識別技術（RFID）讀取車型信息，并將信息傳遞到線體機器人，然后調整機器人的動作軌跡，實現(xiàn)對不同車型的對應工作。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，最大程度上減少設備循環(huán)中的等待時間。

通過識別設備，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)信息和質量信息有機結合，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。

5.6 某工廠應用實例展示

工廠縮略圖、設備狀態(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

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

圖14 某工廠焊裝車間電機預警展示

圖15 某工廠焊裝車間電機健康度展示

6 結束語

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。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)絡技術，并以虛擬環(huán)境中自學習的方式反向優(yōu)化現(xiàn)實供應鏈，達成虛擬與現(xiàn)實的真正的雙向互通，并通過具有學習能力的智能系統(tǒng)協(xié)助人員進行管理和決策，推進新一輪的工業(yè)革命。