智能車型管理系統(tǒng)在焊裝車間的應(yīng)用

周文斌 李先珍 孫忠濤 盧旭 李斌 張旭光

摘要：通過對焊裝車間關(guān)于信息化系統(tǒng)需求分析，探討了一種智能車型管理系統(tǒng)在焊裝車間自動化產(chǎn)線的應(yīng)用，主要闡述了該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能概要。智能車型管理系統(tǒng)與焊裝自動線無縫集成，在焊裝車間實現(xiàn)信息流從上到下、從下到上貫通，減少了適應(yīng)性產(chǎn)品生產(chǎn)準備電氣程序調(diào)試工作量，從根源上避免了由于人工推算造成的物料匹配錯誤，降低自動線停線率，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)車間的數(shù)字化、透明化、智能化。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 功能概要 物料匹配 生產(chǎn)效率 智能化

中圖分類號：TP316.8? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220266

Abstract： Based on the analysis of the information system requirements of the welding workshop， this paper discussed the application of an intelligent vehicle type management system in the automatic production line of the welding workshop， mainly expounded the network architecture and function outline of the system. The intelligent vehicle type management system is seamlessly integrated with the automatic welding line， realizing the information flow from top to bottom and from bottom to top in the welding workshop， reducing the workload of electrical program debugging for adaptive product production preparation， avoiding the material matching error caused by manual calculation from the root， reducing the automatic line stop rate， improving production efficiency and realizing the digitalization， transparency and intelligence of the workshop.

Key words： Network architecture， Function outline， Material matching， Production efficiency， Intelligence

1 前言

隨著工業(yè)機器人的大規(guī)模應(yīng)用，汽車行業(yè)生產(chǎn)線的自動化水平逐漸提高，汽車企業(yè)焊裝車間的自動化生產(chǎn)線數(shù)量也越來越多。目前，同一平臺車型各條分總成自動生產(chǎn)線之間的電氣程序強相關(guān)，一旦某條自動線所涉及的分總成有新的適應(yīng)性產(chǎn)品導(dǎo)入，其他自動線就要進行相應(yīng)的電氣程序調(diào)試，工作量較大，并且各條分總成自動生產(chǎn)線與主焊線之間的緩存數(shù)量不同，各條自動生產(chǎn)線的上料需要由人工推算來進行物料匹配，無作業(yè)指示，容易錯誤匹配物料進而導(dǎo)致自動線停線。因此，焊裝自動化生產(chǎn)線需要通過信息化系統(tǒng)來獨立控制各條自動線的電氣程序，自動分配各自動線的生產(chǎn)任務(wù)并自動匹配物料，進行上料作業(yè)指示和獲取制造端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

智能車型管理系統(tǒng)由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工控機、網(wǎng)絡(luò)柜、PLC控制柜和數(shù)據(jù)模型模塊等組成。管理軟件做到應(yīng)用服務(wù)器上，應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)器配置如表1所示。

工控機、網(wǎng)絡(luò)柜和PLC控制柜選擇西門子品牌。數(shù)據(jù)模型模塊包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計劃管理、系統(tǒng)集成管理和報表及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析管理。

動力電源采用3×380 V TN-S三相五線制，交流電源電壓為380 V±5%，頻率為50 Hz±2 Hz。網(wǎng)絡(luò)通訊形式為Profinet，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

車間需要分配下發(fā)生產(chǎn)計劃的自動化生產(chǎn)線如表2所示。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及功能

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能車型管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。服務(wù)器與制造運營管理（Manufacturing Operation Management，MOM）系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，自動接收MOM系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃和車型數(shù)據(jù)并存儲；然后通過內(nèi)部程序自動分配各自動線生產(chǎn)任務(wù)及車型信息，與各條自動線可編輯邏輯控制器（Programmable logic Controller，PLC）通過網(wǎng)絡(luò)柜利用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，實現(xiàn)車型傳遞和信息反饋；智能車型管理系統(tǒng)通過人機界面（Human Machine Interface，HMI）直觀顯示車型數(shù)據(jù)，便于生產(chǎn)線了解生產(chǎn)計劃情況[1]；自動生產(chǎn)線的PLC系統(tǒng)接收生產(chǎn)計劃車型數(shù)據(jù)和生產(chǎn)隊列指令，并按其執(zhí)行加工程序，并將生產(chǎn)線實時狀態(tài)反饋給智能車型管理系統(tǒng)；最后，智能車型管理系統(tǒng)把生產(chǎn)線實時狀態(tài)反饋給上位MOM系統(tǒng)，由MOM系統(tǒng)統(tǒng)一展示；在智能車型管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，也可以通過現(xiàn)場HMI直接輸入車型數(shù)據(jù)，便可變更調(diào)整車型數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)功能

智能車型管理系統(tǒng)主要具備生產(chǎn)計劃管理、車型自動匹配、現(xiàn)場可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及系統(tǒng)集成管理功能。智能車型管理系統(tǒng)打通了研發(fā)端、工藝端、制造端數(shù)據(jù)，滿足了商用車市場定制化需求；根據(jù)產(chǎn)品物料清單（Bill of Material，BOM）數(shù)據(jù)自動匹配機器人程序，縮短定制化產(chǎn)品生產(chǎn)準備周期，降低自動線停線率，提高生產(chǎn)效率；實時獲取制造端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車間數(shù)字化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化。

3.2.1 生產(chǎn)計劃的管理

智能車型管理系統(tǒng)自動接收MOM系統(tǒng)生產(chǎn)計劃并存儲數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌進行生產(chǎn)計劃管理[1]。如圖2所示，智能車型管理系統(tǒng)包括：車型信息、流水號、狀態(tài)字等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護功能；生產(chǎn)計劃接收、存儲、刪除、調(diào)整、插入、分解、自動下發(fā)、跟蹤、查詢、生產(chǎn)計劃實績監(jiān)控與顯示功能；增加產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)及計算機輔助工藝設(shè)計（Computer Aided Process Planning，CAPP）系統(tǒng)與智能車型管理系統(tǒng)信息交互，實現(xiàn)八位碼、BOM清單數(shù)據(jù)交互與調(diào)用；實現(xiàn)車輛異常下線及重新上線跟蹤處理功能。

智能車型管理系統(tǒng)提供給工藝人員維護車型、流水號、狀態(tài)字功能，以便系統(tǒng)將計劃車型轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)線PLC能夠識別的代碼；確認后的計劃通過系統(tǒng)分解傳遞給焊裝各自動線PLC控制系統(tǒng)，不需人工錄入生產(chǎn)計劃至HMI，避免人為錄入產(chǎn)生錯誤。生產(chǎn)線PLC系統(tǒng)每次讀取計劃后需將標識位置后的計劃為鎖定狀態(tài)，不允許計劃員更改；通過生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)反饋的信息實時監(jiān)控計劃的執(zhí)行情況，通過數(shù)據(jù)采集可以跟蹤與監(jiān)控上線、下線、在線、離線車輛信息；當發(fā)生臨時插單、試驗車插單異常情況時，計劃人員根據(jù)實際情況在系統(tǒng)中修改生產(chǎn)計劃，從而實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，可一次選擇多條計劃，實現(xiàn)批量調(diào)整計劃功能；相關(guān)人員可以在系統(tǒng)中查詢生產(chǎn)計劃的執(zhí)行情況，比如查詢生產(chǎn)計劃已導(dǎo)入和執(zhí)行情況。

3.2.2 車型自動匹配

智能車型管理系統(tǒng)自動接收MOM系統(tǒng)的焊裝生產(chǎn)計劃（圖3中的隊列F）和駕駛室圖號（圖3中的隊列A），根據(jù)生產(chǎn)計劃中的駕駛室圖號獲取相應(yīng)研發(fā)端PDM系統(tǒng)中的駕駛室BOM數(shù)據(jù)；下一步，智能車型管理系統(tǒng)根據(jù)各分裝自動線站點（圖3中的隊列B）自動拆分所獲取的駕駛室BOM數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部程序自動計算與主焊線相匹配的各自動區(qū)生產(chǎn)任務(wù)隊列，以完成最終主焊線物料相匹配的目標；再下一步，智能車型管理系統(tǒng)將拆分的BOM零部件圖號（圖3中的隊列C）及生產(chǎn)任務(wù)隊列自動下發(fā)至各分裝自動線PLC，各分裝自動線（圖3中的隊列B）根據(jù)拆分的BOM零部件圖號自動匹配機器人程序，實現(xiàn)自動焊接。

智能車型管理系統(tǒng)根據(jù)駕駛室圖號獲取工藝端CAPP系統(tǒng)中駕駛室八位碼數(shù)據(jù)（圖3中的隊列H和I），將八位碼數(shù)據(jù)下發(fā)至主焊線PLC，主焊線根據(jù)駕駛室八位碼自動匹配機器人程序，實現(xiàn)自動焊接。

智能車型管理系統(tǒng)將各分裝自動線電氣程序獨立出來，自動實現(xiàn)各分裝自動線與主焊線生產(chǎn)計劃隊列匹配，并在物料口進行物料上料指示，后續(xù)各分裝自動線有適應(yīng)性產(chǎn)品導(dǎo)入時，只需調(diào)試相應(yīng)分裝自動線即可，無需所有自動線同步調(diào)試，減少了適應(yīng)性產(chǎn)品生產(chǎn)準備電氣程序調(diào)試工作量，從根源上避免了由于人工推算造成的物料匹配錯誤，降低自動線停線率，提高生產(chǎn)效率。

3.2.3 現(xiàn)場可視化

智能車型管理系統(tǒng)通過設(shè)備集成采集數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計劃信息，建立仿真現(xiàn)場畫面，相關(guān)管理者可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（Internet Explorer，IE）實時查看生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)實績、設(shè)備狀態(tài)、車型位置、存儲量等。利用車間現(xiàn)有平板顯示器（Light Emitting Diode，LED）屏幕（圖4）進行可視化展示，包括生產(chǎn)實績和設(shè)備狀態(tài)，程序為多線程，在車間中控室門口設(shè)置65寸液晶電視，由圖4中綜合大屏顯示智能車型管理系統(tǒng)整體界面；智能車型管理系統(tǒng)在關(guān)鍵工位設(shè)置工業(yè)一體機（內(nèi)置揚聲器），工位人員可以查看生產(chǎn)計劃、作業(yè)指導(dǎo)書、BOM數(shù)據(jù)等信息，進行上料作業(yè)指示（圖5），同時系統(tǒng)根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以對易錯車型、不常生產(chǎn)車型、新車型做出聲音提示及畫面提示。

3.2.4 安東管理

智能車型管理系統(tǒng)的安東管理模塊總共包含25個呼叫點，每個呼叫點設(shè)置4位按鈕盒一套（自鎖帶燈）、黃色報警燈并蜂鳴器一套，4位按鈕的功能分別為設(shè)備、質(zhì)量、物料呼叫及維修簽到。無論何種呼叫發(fā)生，黃色報警燈亮起并蜂鳴器響起，當維修人員到場按下簽到按鈕后黃燈繼續(xù)亮起但蜂鳴器停止蜂鳴，維修結(jié)束后將呼叫按鈕和簽到按鈕復(fù)位后，所有恢復(fù)正常。智能車型管理系統(tǒng)要對安東呼叫的數(shù)據(jù)進行采集工作，如圖5所示，自動記錄呼叫工位、呼叫原因、開始時間、簽到時間、結(jié)束時間，并形成電子報表。

3.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

智能車型管理系統(tǒng)與公司網(wǎng)絡(luò)連接，服務(wù)器作為公司MOM系統(tǒng)資源的一部分進行管理，系統(tǒng)通過各自動線PLC系統(tǒng)實時采集生產(chǎn)制造過程中的信息（圖3中的隊列P、隊列Q、隊列R、隊列S）并將其反饋給MOM系統(tǒng)，用于生產(chǎn)調(diào)度及物流配送。各部分信息匯聚到中心服務(wù)器，智能車型管理系統(tǒng)對所有信息進行統(tǒng)計、分類、匯總、儲存，生成生產(chǎn)報表（圖6）進行生產(chǎn)分析、質(zhì)量分析、工藝分析、設(shè)備運行分析、質(zhì)量統(tǒng)計、物流及時率統(tǒng)計分析等，可以在局域網(wǎng)上共享，相關(guān)管理人員可以使用電腦查詢信息，導(dǎo)出信息。

3.2.6 系統(tǒng)集成管理

智能車型管理系統(tǒng)作為公司信息化系統(tǒng)的一部分，已預(yù)留好擴展接口，需要與上位監(jiān)控系統(tǒng)、機器人預(yù)防性維護系統(tǒng)、群控系統(tǒng)及能源管理系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)連接并進行集成管理。這些信息化系統(tǒng)軟件的供應(yīng)商要允許智能車型管理系統(tǒng)的連接，并提供相應(yīng)的技術(shù)支持（包括但不限于修改控制程序，提供滿足用戶需求的過程實時數(shù)據(jù)標簽地址清單、數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)等）。如果根據(jù)用戶確認的系統(tǒng)設(shè)計需要對原有自動化控制系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備功能及流程進行部分改變，公司負責向控制廠家提供系統(tǒng)集成接口相關(guān)的數(shù)據(jù)交互需求和系統(tǒng)設(shè)計解釋支持，以利于雙方開展系統(tǒng)集成工作。

4 系統(tǒng)發(fā)展方向

目前，智能車型管理系統(tǒng)未連接焊裝車間所有線體，空中白車身緩存區(qū)（Welding Body Storge，WBS）輸送線也未接入該系統(tǒng)，會導(dǎo)致二層平臺存儲信息缺失，僅依靠電氣程序?qū)崿F(xiàn)白車身在焊裝車間與涂裝車間的流轉(zhuǎn)，無信息反饋，造成數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)不完善。智能車型管理系統(tǒng)后續(xù)將連接車間所有自動化產(chǎn)線，深入挖掘分析生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)提升生產(chǎn)線產(chǎn)能，優(yōu)化排產(chǎn)方案，提升焊裝車間運營效率。智能車型管理系統(tǒng)已實現(xiàn)研發(fā)端、工藝端、制造端打通，后續(xù)將重點研究工藝過程數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)與市場端終端數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并將其反饋給研發(fā)端，實現(xiàn)產(chǎn)品升級循環(huán)（PDCA）。

5 結(jié)論

智能車型管理系統(tǒng)經(jīng)歷了硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、硬件調(diào)試及軟件調(diào)試環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了在焊裝車間各自動生產(chǎn)線應(yīng)用[2]。實現(xiàn)了智能車型管理系統(tǒng)的主要功能：生產(chǎn)計劃管理功能、車型自動匹配功能、現(xiàn)場可視化功能、安東管理功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能及系統(tǒng)集成管理功能。智能車型管理系統(tǒng)上線完成后，實現(xiàn)以下價值：

a. 以BOM為主線，實現(xiàn)研發(fā)端、工藝端、制造端數(shù)據(jù)打通，縮短定制化產(chǎn)品生產(chǎn)準備周期；根除由于人工干預(yù)而造成數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)錯誤；

b. 降低適應(yīng)性產(chǎn)品生產(chǎn)準備電氣程序調(diào)試工作量70%以上；

c. 滿足各分裝自動線與主焊線車型匹配需求，從根源上避免由于人工推算而造成的物料匹配錯誤，車型匹配防錯率100%，降低生產(chǎn)線停線率1%；

d. 實現(xiàn)白車身唯一碼傳遞，滿足焊裝車間物料追溯需求；

e. 車型管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化，滿足物流配送需求及制造過程物料追溯；

f. 智能制造成熟度評價提升，實現(xiàn)車間數(shù)字化、透明化、智能化。

參考文獻：

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