自動化汽車工廠數(shù)字化改造之路

王志恒

江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 安徽合肥 230000

伴隨著汽車市場競爭程度的加劇和消費市場的需求升級，低成本、高質(zhì)量和快交期無疑成為各大汽車廠轉(zhuǎn)型升級追求的目標(biāo)。多品種、小批量生產(chǎn)模式對制造企業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，數(shù)字化作為貫通數(shù)據(jù)流和打通業(yè)務(wù)流程的有力賦能工具，業(yè)已成為各大制造商搶占的高地。由于國內(nèi)傳統(tǒng)車企建廠時間較為久遠(yuǎn)，自動化程度相對低下，同時初建時并沒有完整的數(shù)字化規(guī)劃設(shè)計，而為實現(xiàn)數(shù)字化新建工廠也并不是最優(yōu)選擇?；诖吮尘?，在現(xiàn)有工廠基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化升級改造，成為傳統(tǒng)車企實施數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型的最優(yōu)之路。

現(xiàn)狀概述

1、業(yè)務(wù)痛點

商務(wù)車公司建設(shè)時間較為久遠(yuǎn)，自動化和信息化水平不高，面對車型日益增加的現(xiàn)狀，依靠現(xiàn)有的管理方式和信息化系統(tǒng)已然捉襟見肘。具體業(yè)務(wù)痛點有如下六點：①安全件上線沒有防錯，并且集中掃碼，無法及時發(fā)現(xiàn)物料裝配錯誤。②加注、檢測等設(shè)備數(shù)據(jù)本地保存且沒有在線防錯功能。③現(xiàn)場主線和輔線缺少配置單，針對無條碼且種類多的零部件容易發(fā)生錯裝問題。④現(xiàn)場各工位均有安燈按鈕，但停線工位定位無法做到即時反饋，停線數(shù)據(jù)依靠人工記錄，準(zhǔn)確性和后期的停線統(tǒng)計分析都存在問題。⑤過程缺陷在質(zhì)量打卡上手工記錄，缺陷沒有統(tǒng)一管理，無法實時查看缺陷分布；因人工對缺陷閉環(huán)情況確認(rèn)失誤導(dǎo)致問題車流入下道工序情況時有發(fā)生。⑥問題車質(zhì)量追溯時需要查看幾個不同的系統(tǒng)和紙質(zhì)單據(jù)，查找時間過長，影響追溯定位效率。

通過對工廠現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然信息化系統(tǒng)能夠支撐現(xiàn)有的業(yè)務(wù)，但集成性明顯不足，對生產(chǎn)的實時性管控和反饋顯然缺失。具體表現(xiàn)為：①工廠系統(tǒng)相對較全，但各系統(tǒng)之間基本沒有交互，典型的數(shù)據(jù)孤島。②在產(chǎn)車型100余種，同一工位裝配物料品種繁多，MES與BOM沒有形成有效聯(lián)系以實現(xiàn)在線防錯。③關(guān)鍵物料和安全件實行報交后統(tǒng)一掃碼方式（人工將單據(jù)送至PBS調(diào)度室統(tǒng)一掃碼），安全件系統(tǒng)僅作為綁定功能使用，無法即時發(fā)現(xiàn)錯誤。④擰緊設(shè)備系統(tǒng)未合理使用，無防錯和控線功能，數(shù)據(jù)未與VIN綁定。⑤合格證和環(huán)保單打印系統(tǒng)無法做到唯一性打印，人工選擇易出錯。⑥檢測設(shè)備系統(tǒng)僅將數(shù)據(jù)存儲，人工定期將數(shù)據(jù)拷貝出來進(jìn)行相關(guān)分析。⑦加注設(shè)備掃碼加注，但結(jié)果質(zhì)量數(shù)據(jù)未實現(xiàn)一車一檔存儲。

2、自動化及網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

工廠建設(shè)時間久遠(yuǎn)，由于當(dāng)初的技術(shù)和規(guī)劃理念，自動化與現(xiàn)有的數(shù)字化理念存在一定的差距，所以對整體的改造造成了一定的阻礙。具體為：①各線體沒有車輛識別功能，更不用提精確跟蹤。②線體PLC采用的是西門子315系列，通信方式為profibus而非profinet。③車間除了MES幾個站點使用的網(wǎng)絡(luò)外沒有其他網(wǎng)絡(luò)。

解決方案

1、整體架構(gòu)

通過與業(yè)務(wù)部門深度交流和現(xiàn)場充分調(diào)研，結(jié)合業(yè)務(wù)可預(yù)期發(fā)展模式，規(guī)劃了數(shù)字化升級FAS（Factory Automation System）系統(tǒng)的整體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化升級整體架構(gòu)

2.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本次升級，涉及到車間主干網(wǎng)絡(luò)（負(fù)責(zé)車間主干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸）、無線網(wǎng)絡(luò)（負(fù)責(zé)為移動終端提供網(wǎng)絡(luò)）、工控網(wǎng)絡(luò)（聯(lián)通現(xiàn)場PLC與上層系統(tǒng)，保證信息交互）、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（關(guān)鍵工位視頻監(jiān)控，考慮到視頻流量較大，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)單獨部署，不接入主干網(wǎng)絡(luò)）。具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.核心功能

（1）車身自動跟蹤AVI 按照已實施FAS工廠的通常做法，內(nèi)飾、底盤和合裝線車身跟蹤采用“超高頻RFID+循環(huán)TAG+編碼器”的方式實現(xiàn)。該方式的實施涉及兩個重要的前提條件：在車身上能找到合適的位置懸掛TAG芯片，并且滿足多車型上TAG能夠被RFID讀寫設(shè)備準(zhǔn)確、及時識別；車身在進(jìn)入內(nèi)飾線首之前，車身信息能夠被寫入TAG，此過程通常在PBS區(qū)域人工手工操作。

該跟蹤方式在安馳現(xiàn)場實施存在一定難度，主要是找不到合適、安全的位置懸掛TAG于車身上。前期工廠基本在PBS庫區(qū)拆車門的位置進(jìn)行TAG懸掛操作（員工主要操作拆車門和懸掛TAG及掃碼信息寫入，同時有作業(yè)平臺利于員工操作），但該工廠的拆車門位置在內(nèi)飾線工位，無法滿足跟蹤要求；因滑撬+車身的高度可達(dá)3m，在PBS入口懸掛TAG需要搭建操作平臺，同時要設(shè)置1人操作，該方式不符合現(xiàn)場實際狀態(tài)。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，每輛車身左后視鏡下面位置均粘貼有車身VIN數(shù)碼，考慮采用自動掃碼來識別車身信息。經(jīng)過現(xiàn)場實際測算，主線速度為7cm/s，經(jīng)咨詢相關(guān)掃碼設(shè)備廠家及現(xiàn)場實測，自動掃碼方式能夠滿足現(xiàn)場自動掃碼需求。本項目采用“自動掃碼槍+條碼+編碼器”的方式實現(xiàn)車身精準(zhǔn)跟蹤。具體AVI點位設(shè)置在內(nèi)飾A上線、內(nèi)飾B上線、底盤A上線、底盤B上線及合裝上線。

通過該跟蹤方式，實現(xiàn)了車身在各線體位置的精準(zhǔn)跟蹤，為相關(guān)功能提供了支撐。自動掃碼槍安裝位置如圖3所示。

圖3 自動掃碼槍安裝位置

AVI站點硬件安裝及界面如圖4所示。

圖4 AVI站點硬件安裝及界面

（2）在線防錯（關(guān)鍵件、加注、擰緊）在線防錯功能的核心（見圖5），在于通過信息化和可視化的方式下達(dá)和反饋相應(yīng)的指令，為員工提供即時的結(jié)果反饋，從源頭上進(jìn)行防錯和糾錯，保證整車生產(chǎn)過程的質(zhì)量。主要防錯功能集中在如下3個方面。

圖5 在線防錯功能及界面

1）改變傳統(tǒng)的關(guān)鍵件因集中掃碼可能存在的事后發(fā)現(xiàn)問題而造成的返修成本和質(zhì)量事故，為此將關(guān)鍵件裝配指示和掃碼校驗的工作分散在各裝配工位進(jìn)行。通過“裝配指示--掃碼校驗--結(jié)果反饋--異常停線”的運作機制，保證“三不原則”的高效實現(xiàn)。

2）改變傳統(tǒng)的加注參數(shù)人工選擇/掃碼的方式觸發(fā)加注指令，加注完成后數(shù)據(jù)存儲在孤島，排查問題需要到現(xiàn)場拷貝數(shù)據(jù)的方式。通過對加注機進(jìn)行改造，F(xiàn)AS系統(tǒng)向加注機下發(fā)加注參數(shù)，加注機執(zhí)行且將過程和結(jié)果數(shù)據(jù)上傳給FAS，同時，若人工未執(zhí)行加注指令或加注存在問題，F(xiàn)AS系統(tǒng)即時控制輸送線停線，直至加注結(jié)果符合要求方可允許通行。

3）傳統(tǒng)的擰緊指令下發(fā)需要員工掃碼觸發(fā)，同時擰緊的參數(shù)和結(jié)果保存在擰緊系統(tǒng)中，無法做到即時查看。通過FAS與擰緊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)AS將AVI過點數(shù)據(jù)中的特定字段下發(fā)給擰緊系統(tǒng)，擰緊系統(tǒng)根據(jù)字段指令調(diào)用相關(guān)參數(shù)執(zhí)行，當(dāng)擰緊指令未執(zhí)行或未在指定工位內(nèi)完成或執(zhí)行結(jié)果存在差異，F(xiàn)AS系統(tǒng)即時控制輸送線停線。

（3）缺陷管理（質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)庫、錄入、閉環(huán)、復(fù)檢、質(zhì)量門） 缺陷管理作為本次改造的核心功能，是實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)字化管控的核心手段，其主要作用在于缺陷記錄、返修及結(jié)果確認(rèn)的數(shù)字化和關(guān)鍵控制點的質(zhì)量放行。缺陷管理功能實施的前提條件是具備一套全量的、標(biāo)準(zhǔn)化的缺陷數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行詳細(xì)分類和定位，讓現(xiàn)場員工能夠針對發(fā)生的缺陷在手持終端上快速錄入。

缺陷管理功能從缺陷錄入開始實行數(shù)字化管理，缺陷返修采用移動終端進(jìn)行返修點指示和返修結(jié)果反饋，再次上線前人工針對閉環(huán)的問題復(fù)檢，確保實物與信息的一致性。如圖6所示，在通過過程質(zhì)量門時，自動檢索車輛缺陷閉環(huán)情況，所有判定結(jié)果OK方可放行，針對未閉環(huán)的問題給予流向指示。

圖6 OK線過程質(zhì)量門界面

4.裝配指示單

裝配指示單作為員工裝配提示的目視化單據(jù)，其投入使用能解決諸多因人工記憶或翻看相關(guān)文件而導(dǎo)致的錯裝和效率損失問題。FAS系統(tǒng)將裝配指示單進(jìn)行全量管理，根據(jù)車輛過線序列自動打印出對應(yīng)的單據(jù)，粘貼在合適的位置，指導(dǎo)員工全過程裝配。

5.一車一單

全過程數(shù)據(jù)即時獲取、精準(zhǔn)追溯。當(dāng)發(fā)生質(zhì)量問題時，以往的做法是從各孤島系統(tǒng)中分別導(dǎo)出時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后分別查找對應(yīng)車輛對應(yīng)歷史數(shù)據(jù)，通過多部門協(xié)調(diào)和多系統(tǒng)數(shù)據(jù)論證來定位問題的根源。一車一單的改造是針對質(zhì)量追溯痛點量身定制，將涉及質(zhì)量的加注數(shù)據(jù)、關(guān)鍵件數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、缺席數(shù)據(jù)等眾多數(shù)據(jù)按照單車的模式進(jìn)行集成，只用在系統(tǒng)中輸入目標(biāo)車輛號碼即可呈現(xiàn)質(zhì)量的所有過程和結(jié)果數(shù)據(jù)。

效益分析

本次針對低自動化工廠的數(shù)字化改造，為工廠提供了可觀的有形和無形收益。具體表現(xiàn)為：①關(guān)鍵件、缺陷記錄等實現(xiàn)無紙化，節(jié)約紙張和打印相關(guān)耗材成本約8萬元。②車輛定位和停線定位信息實現(xiàn)即時獲取，減少產(chǎn)能損失約1500臺，合計減少工廠加班約60h成本。③質(zhì)量管理（缺陷管控、關(guān)鍵件完整性）將質(zhì)量問題控制在工廠內(nèi)部，從根源上消除了缺陷流入市場風(fēng)險，根據(jù)以往數(shù)據(jù)統(tǒng)計，減少約10余起質(zhì)量問題車輛流入市場的風(fēng)險事件。④傳統(tǒng)的經(jīng)驗式過程管理方式逐步得到有效改變，向以數(shù)字為導(dǎo)向的科學(xué)化管理發(fā)展。⑤在提升生產(chǎn)效率、質(zhì)量和降低成本的同時，數(shù)字化工具的使用有效提升現(xiàn)場的現(xiàn)代化水平，給參觀者帶來了非常好的視覺沖擊，為品牌認(rèn)可度提升奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)語

自動化汽車工廠數(shù)字化升級改造是工廠兼顧轉(zhuǎn)型升級與投資性價比的改造之路。以公司發(fā)展戰(zhàn)略為指導(dǎo)，以業(yè)務(wù)痛點為契機，著眼于當(dāng)前和未來的數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)，立足現(xiàn)狀進(jìn)行整體規(guī)劃和分步實施，是推進(jìn)自動化工廠數(shù)字化升級改造的有效路徑。數(shù)字化升級改造是一條無止境的持續(xù)優(yōu)化之路，只有牢固樹立以質(zhì)量（Q）、成本（C）、交期（D）等指標(biāo)的持續(xù)改善為評價標(biāo)準(zhǔn)，才能在數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級之路上越走越遠(yuǎn)。