基于IIoT 的發動機生產制造過程管控系統 構建及應用

儲招節，王標，王露，張西巍，郭敏

（1.重型專用車發動機安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000； 2.安徽華菱汽車有限公司發動機分公司，安徽 馬鞍山 243061）

引言

相比同行業中，特別是與現有的國外同類型公司比較，發動機工廠推進智能制造領域的相關技術十分缺乏經驗，欠缺可以借鑒的成功案例，目前發動機生產制造過程呈現出如下的特點：

（1）孤島性：信息孤島、自動化設備孤島，以及信息系統與自動化設備系統之間的孤島；目前單機設備的自動化水平較高，但是系統層面的集成與鏈接還存在一定的問題；雖然，射頻識別技術已經在發動機廠進行了大量的應用，但目前主要停留在解決的是產品的身份的識別功能，并且沒有在發動機的機加工、裝配、涂裝、熱試以及成品入庫的全流程應用。

（2）工藝復雜性：發動機的生產工藝過程繁雜，涉及到各種制造業的典型工藝，因此其生產過程的管控較為復雜；隨著產品類型的多樣化，依靠傳統的人工管控已經越來越難保證發動機的制造品質。

（3）影響因素多樣性：發動機屬于汽車的核心零部件，具有加工工藝復雜和性能要求高的特點，其生產過程受到“人機料法環測”的因素的影響，生產過程的管控需要對數據進行實時感知和綜合的分析，以此來給出相應的管控策略。

華菱汽車針對發動機生產制造過程難以管控問題，提出一種基于工業物聯網技術的發動機生產制造過程管控系統的研究和應用。首先，針對發動機生產制造過程的特點進行了分析，提出了其生產制造過程管控系統集成架構[1]；其次，研究了信息化接口統一和標準化以及工業網絡規劃和建設兩個問題，并給出了相應的解決方案；然后，對發動機生產車間設備層的物聯網實現進行了探索，分別從機加車間、總裝車間、涂裝車間和熱試車間的設備系統聯網進行闡述；最后，基于NET 平臺進行了系統的實現，驗證了所提方法在發動機生產制造過程管控系統的可行性和有效性。

1 IIoT-IMS 體系架構

華菱汽車針對自身發動機生產制造過程中的特點進行分析，構建了IIoT-IMS 系統的體系架構（如圖1 ），運用物聯網和自動化控制系統實現物理世界與信息世界的集成，發布控制指令，實現對底層物理設備“感”、“聯”、“知”、“控”的閉環管理，工廠全流程管理的透明化。從源頭上有效的實現設備的最優管理，提高產品質量和生產效率，降低不合格率從而有效的降低了生產損耗成本，降低設備投資，減少設備停機率故障率，對設備實施監控、采集、管理，實現設備系統之間的集成，打通信息孤島，建立大數據平臺，實時采集企業經營數據、生產數據、設備數據、質量數據、產品運行數據[2]；為工廠進行數據建模和分析以及公司運營提供決策數據做準備[3]；在質量管理、生產管理等方面加強大數據的應用，提高產品質量、生產效率和服務水平[4]。

圖1 IIoT-IMS 系統的體系架構

2 IIoT-IMS 關鍵技術

2.1 信息化接口和標準

根據發動機生產制造過程管控的特點和需求，為順利構建工廠信息化管理系統，實現對先進設備的聯網運行和管理，首先面對的是如何解決好不同廠家的不同設備控制系統間的數據接口的開發問題，也是最關鍵的基礎工作。在發動機工廠設備規劃初期，發動機公司創新的提出了設備信息化數據接口以及接口的統一性和標準化，并要求設備廠家按照該接口標準開發和設計設備系統的自動控制系統。具體包含內容如下：設備狀態、ANDON 信息、零部件信息、質量數據信息、機床刀具壽命信息等信息進行準確的信息描述、符號、數據功能描述、數據類型以及地址進行定義，并對通訊方式和通信地址進行統一規劃和分配。同時對設備層的EPS（Error Proofing System：防錯系統）系統控制策略進行技術規范，從而搭建起設備層基礎數據的通用化標準，為工廠上層信息系統的開發集成做好準備，如圖2 所示。

圖2 信息化接口和標準定義

2.2 工業網絡規劃和建設

由于設備種類較多，設備采用的信息交互方式和協議各不相同，這就給智能化工廠信息的交互帶來了很大的難度，需要考慮信息交互方式的通用性和擴展性。發動機工廠配有整體工業以太網絡與設備層的Profibus 網絡、ASI 總線網絡、無線工業網絡等相連。從系統硬件角度將其分為四個層次：設備拓撲、功能支撐、web 應用、系統安全，如圖3 所示。

圖3 發動機工廠信息化系統硬件網絡架構圖

設備拓撲層：首先通過profibus、ASI 等現場總線技術將區域PLC、智能傳感器、專機設備等進行組態，區域與區域、主控PLC 與區域PLC、工控機與區域PLC 則通過以太網通訊，區域PLC 配置有RFID、報警燈、音樂響等元器件，可用于獲取產品信息，同時可以對測試過程異常進行及時提醒及處理；工控機通過RS232 串口連接條形碼、二維碼掃描儀，主要用于發動機產品及零部件二維碼識別和采集等功能；臺架管理系統通過工業以太網或者無線路由與底層監控PLC 程序實時交互，調用數據庫組態信息，采集測試工藝參數，指示測試過程。

功能支撐層：針對智能管理系統功能配置的相應的執行硬件，主要包括服務器群、信息發布平臺、可視化管理、質量管理與控制、信息發布平臺、信息推送，手機APP 等，通過工業以太網以及萬兆交互機相連，實現工廠運營過程的實時監控和管理。

Web 應用層：將工廠運營過程實時信息發布，是工廠智能管理信息系統的信息窗口，同時可通過PC 終端、手機等硬件查詢工廠運營實時情況，并整理和顯示各類報表。

系統安全層：在公司網絡的入口，配置硬件防火墻，實現網絡系統的安全防護，并配置相關殺毒軟件，數據保護軟件等，保證系統交互信息的安全性，保障各設備系統的安全性、可靠性、穩定性。

3 IIoT-IMS 系統車間設備層物聯

發動機工廠由進口加工中心，生產線配備設備、在線SPC控制臺、量檢具、全自動在線測量機、二維碼讀碼機、試漏機、壓裝機、擰緊設備、激光打碼機、機器人、AGV、測試臺架等先進設備。通過物聯網技術應用，整個車間設備層與工廠信息化系統的無縫連接，所有設備通過對工件二維碼的識別，自動調用生產訂單BOM 及加工裝配程序進行加工和生產，實現智能化柔性生產線。

生產線設備層主要有各工序設備、二維碼、零部件、RFID、掃描裝置等，均采用工業網絡進行聯網通信，實現物聯網。如圖4 所示：

圖4 物理實體硬件示意圖

通過二維碼為零部件信息的主體，以RFID 為信息傳遞載體，以二維碼掃描儀進行數據的讀寫，以工業網絡傳輸信息，按照統一的數據接口，形成整個底層設備之間、設備與零部件之間、設備與操作者之間的信息聯網。如圖5 所示：

圖5 底層設備系統網絡圖

IIoT-IMS 系統實時采集到生產線信息，實現對生產線的設備狀態、生產與質量信息、物料信息、訂單執行情況等進行實時監控，并對生產線裝配過程數據以及在線質量信息進行采集和存檔，在工廠信息化系統中形成完整的產品生產檔案以及生產線數據實時形成相關報表。便于質量追溯，提升質量管控能力以及為售后服務提供信息支持。

4 IIoT-IMS 系統的實例

基于工廠各車間底層設備的物聯網，通過工廠工業以太網，實時采集生產過程、質量數據、設備狀態等信息，打通各生產線間物理信息交互，建成了發動機智能工廠信息化系統。發動機智能工廠信息化系統，打破了傳統MES 系統邊界，有機的將傳統MES 功能融合了ERP 部分功能，使訂單、研發、制造、銷售到售后成為一個整體流程架構，強化業務流程管理，實現全程信息跟蹤，利用信息的及時、準確地收集和反饋，以及公司內各項信息的有機集成，實現企業經營、管理和決策的智能優化，滿足面向產品設計、工藝、制造、檢測、銷售、運維等全生命周期內各環節的協同化、可視化和智能化要求。如圖6 所示：

圖6 發動機工廠信息化系統總看板

發動機智能工廠信息化系統構建工廠制造一體化全方位多維度的大數據監控平臺，對工廠的設備運行狀態、設備管理指標、生產狀態、產量統計、質量分析、物料拉動等信息的實時監控，實現工廠的集約化透明化管理，極大提高工廠管理的運行效率。

5 結束語

方案建成以智能設備為載體的工廠信息化系統，最終實現對整個發動機工廠的產品數據采集、設備運行狀態監控、質量管理控制等多種功能，工廠信息化系統通過與集團公司ERP 系統無縫對接對接，實現發動機工廠管理智能運營、各部門的協同合作、生產線設備的智能制造。系統通過直接下達生產訂單及BOM 到各車間生產線進行訂單生產，設備層各工位通過二維碼掃描技術實時進行加工裝配的零部比對防錯識別，同時工廠信息化系統實時采集記錄生產中質量信息及產品生產過程數據，并形成每臺發動機完整的電子產品檔案，建立起產品及設備的大數據庫，并依據生產線所有數據實時形成各種報表，最終實現產品過程在線管控和質量追溯；并通過對設備在線監控，OEE 分析，MTTR 及MTBF 數據的在線統計和分析、優化生產節拍，降低設備投資，減少設備停機率故障率，提高設備開動率，提高生產效率。