高速動(dòng)車組智能工廠試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)

田 濟(jì)，趙宏軍，何 山

HE Ji, ZHAO Hong-jun, HE Shan

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著中國(guó)智能制造的蓬勃發(fā)展，智能工廠應(yīng)運(yùn)而生[1]。國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)一般已建立或正在建立智能工廠[2]，但企業(yè)在智能工廠運(yùn)行過程中并未達(dá)到預(yù)期管理效果[3]。主要表現(xiàn)在企業(yè)難以對(duì)智能工廠的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控和管理，運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和管理成為運(yùn)行管理的薄弱環(huán)節(jié)[4]。為保證高速動(dòng)車組智能工廠的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，制定了高速動(dòng)車組智能工廠運(yùn)行管理體系。

本文按照高速動(dòng)車組輪對(duì)車間生產(chǎn)工藝流程，模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)方式，建立高速動(dòng)車組智能工廠試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、車間調(diào)度、任務(wù)下達(dá)與執(zhí)行、加工與檢測(cè)，物料配送、產(chǎn)品流轉(zhuǎn)進(jìn)行有效管控，并進(jìn)行可視化展示。建成之后可對(duì)高速動(dòng)車組智能工廠運(yùn)行管理體系進(jìn)行驗(yàn)證。

1 硬件建設(shè)

高速動(dòng)車組試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)輪對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行模擬，硬件包括六軸機(jī)器人、視覺識(shí)別攝像頭、激光刻碼機(jī)、LED顯示屏等，采用兩臺(tái)六軸機(jī)器人與環(huán)形導(dǎo)軌線體相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、激光刻碼、視覺識(shí)別、自動(dòng)裝配、自動(dòng)下料、生產(chǎn)情況可視化展示等功能。

1.1 線體概況及布置

線體整體布局如圖1所示，主要包括三個(gè)工位：

工位一：上料與視覺測(cè)量工位

工位二：激光刻碼工位

工位三：裝配、視覺測(cè)量與下料工位

圖1 工位布局圖

1.2 產(chǎn)品加工流轉(zhuǎn)過程

按照工位順序，介紹產(chǎn)品加工流轉(zhuǎn)過程，過程涵蓋生產(chǎn)計(jì)劃、任務(wù)下達(dá)、加工與檢測(cè)、產(chǎn)品流轉(zhuǎn)、看板顯示等內(nèi)容，模擬輪對(duì)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵生產(chǎn)要求。

工位一：上料與視覺測(cè)量工位

1）上料機(jī)構(gòu)備齊滿料物料盤；

2）ERP錄入銷售訂單，將生產(chǎn)任務(wù)傳遞給MES，MES將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)，工位一機(jī)器人開始工作，機(jī)器人持視覺系統(tǒng)對(duì)上料機(jī)構(gòu)托盤盤中的圓管，矩形管，底座的相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量和定位，測(cè)量信息傳輸至MES系統(tǒng)，并在看板上面展示；

3）機(jī)器人手爪拾取工件并放置到工裝板上。

工位二：激光刻碼工位

裝有工件的工裝板由線體由工位一流轉(zhuǎn)到工位二，流轉(zhuǎn)信息傳遞到MES系統(tǒng)，生產(chǎn)進(jìn)度信息以及所在工位信息在看板上展示。激光打碼機(jī)根據(jù)MES中的打碼要求在圓管和矩形管上刻蝕信息，信息包含人名、二維碼、單位名稱等。

工位三：裝配、視覺測(cè)量與下料工位

1）線體將工裝板由第二工位流轉(zhuǎn)到第三工位；

2）機(jī)器人應(yīng)用視覺系統(tǒng)對(duì)工裝板上的物料進(jìn)行識(shí)別，判斷物料類型、位置和二維碼內(nèi)容是否正確，將識(shí)別信息傳輸至MES系統(tǒng)，并將識(shí)別結(jié)果展示在看板上；

3）機(jī)器人持手爪對(duì)工件進(jìn)行抓取，依次放置到壓裝機(jī)構(gòu)；

4）壓裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓裝，壓裝的壓力等信息進(jìn)行獲取展示，壓裝完成后，機(jī)器人收爪將完成品放置到成品存放區(qū)。

2 軟件建設(shè)

在試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)制造執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)各加工單位進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃編制與作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)準(zhǔn)備與作業(yè)指導(dǎo)、生產(chǎn)物料管理、生產(chǎn)過程可視化管理、設(shè)備管理以及生產(chǎn)全過程質(zhì)量跟蹤與追溯。制造執(zhí)行主要功能如圖2所示。

圖2 MES整體架構(gòu)

2.1 作業(yè)計(jì)劃

對(duì)銷售訂單根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排產(chǎn)，涵蓋計(jì)劃編制、計(jì)劃維護(hù)、計(jì)劃下達(dá)、計(jì)劃反饋、計(jì)劃變更等業(yè)務(wù)操作。最終分解可指導(dǎo)車間安排生產(chǎn)的可執(zhí)行計(jì)劃。

2.2 作業(yè)調(diào)度

作用調(diào)度包括作業(yè)派工、調(diào)整、完工匯報(bào)功能，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和緩沖區(qū)內(nèi)物料情況，實(shí)時(shí)對(duì)等物料進(jìn)行智能調(diào)度，將工作任務(wù)指派到輪對(duì)生產(chǎn)線、工位和人員，現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)任務(wù)分派進(jìn)行開工、完工確認(rèn)等。

2.3 生產(chǎn)執(zhí)行

生產(chǎn)執(zhí)行通過生產(chǎn)計(jì)劃指導(dǎo)執(zhí)行，并且建立有效的反饋機(jī)制，規(guī)范車間作業(yè)，防止加工過程出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)作業(yè)與領(lǐng)料相關(guān)邏輯進(jìn)行控制，保證實(shí)物與信息流的一致。

2.4 生產(chǎn)準(zhǔn)備

生產(chǎn)準(zhǔn)備功能應(yīng)對(duì)生產(chǎn)所需刀具、工裝夾具、圖紙、文檔、工資卡片、數(shù)控程序等資源進(jìn)行定義，生產(chǎn)準(zhǔn)備完成之后才進(jìn)行生產(chǎn)，保證生產(chǎn)的有序開展。

2.5 作業(yè)指導(dǎo)

作業(yè)指導(dǎo)功能可以對(duì)生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行有效指導(dǎo)，例如通過作業(yè)指導(dǎo)書或者工位機(jī)屏幕指導(dǎo)工位人員操作流程，方便工位人員進(jìn)行操作并且提高操作的規(guī)范性。

2.6 物料管理

物料管理功能按照生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃生成相應(yīng)的物料配送計(jì)劃，對(duì)物料的出庫(kù)，工位配送，交接等過程進(jìn)行管理，保證與生產(chǎn)作業(yè)配套的物料供應(yīng)，保證整個(gè)生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)有序開展。

2.7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的管理要求、流程作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控、提醒、預(yù)警。并且對(duì)車間生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、人員工時(shí)等信息進(jìn)行可視化展示。

2.8 設(shè)備管理

設(shè)備管理對(duì)車間生產(chǎn)制造設(shè)備、工裝的運(yùn)行、維護(hù)狀態(tài)的管理。可實(shí)時(shí)對(duì)智能裝備的數(shù)據(jù)采集與管理，對(duì)設(shè)備運(yùn)行全過程記錄分析，并可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警。

2.9 質(zhì)量管理

質(zhì)量管理包括質(zhì)檢基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、質(zhì)檢流程、質(zhì)檢結(jié)果管理等功能。通過加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，分析生產(chǎn)過程工藝參數(shù)，保證產(chǎn)品一致性與穩(wěn)定性。

2.10 效能分析

效能分析管理可預(yù)置和定義KPI考核指標(biāo)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，如產(chǎn)品制造周期、計(jì)劃完成率、在制品周轉(zhuǎn)率，支持完整的車間、設(shè)備、人員工時(shí)等分類統(tǒng)計(jì)功能，可以輔助車間考核與績(jī)效的管理。

3 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)集成

3.1 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)數(shù)據(jù)采集，主要關(guān)注環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)以及工況數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集的方式主要使用條碼、RFID設(shè)備、傳感設(shè)備、加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等。數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸以及無(wú)線傳輸，無(wú)線傳輸方式包括Wifi、藍(lán)牙、ZigBee等。

1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集

環(huán)境數(shù)據(jù)主要包含制造過程的溫度、濕度、電磁等信息，這些數(shù)據(jù)通過傳感器的進(jìn)行采集。傳感器通過車間工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，將制造過程環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并上傳，實(shí)時(shí)監(jiān)控車間制造過程環(huán)境因素。

2）設(shè)備數(shù)據(jù)采集

設(shè)備數(shù)據(jù)主要采集機(jī)床開停狀態(tài)、機(jī)床上零件的加工狀態(tài)信息、加工開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等設(shè)備狀態(tài)等信息。

按照通信接口的有無(wú)和類型，數(shù)控機(jī)床分為無(wú)通訊接口、串行口和網(wǎng)口數(shù)控機(jī)床三類。無(wú)通訊接口的數(shù)控機(jī)床不能與車間以太網(wǎng)直接連接進(jìn)行通信，使用數(shù)據(jù)采集器與機(jī)床PLC模塊相連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集；串口數(shù)控機(jī)床自身帶有串口輸出模塊，通過戶宏指令的方法，使用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；具有網(wǎng)口的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最廣泛，它可以直接通過網(wǎng)線進(jìn)行通訊，并且可以采集到比較多的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3）工況數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)過程涉及了人員、物料、工單、進(jìn)度、質(zhì)量等的工況數(shù)據(jù)，因?yàn)椴杉瘜?duì)象的不同，并且需要掌握的對(duì)象的信息有差異，所以對(duì)不同的采集對(duì)象數(shù)據(jù)采集方式有所不同。采用工位機(jī)PC端輸入、RFID、條碼技術(shù)、手持終端等方式進(jìn)行采集。

3.2 系統(tǒng)集成

圖3 系統(tǒng)集成

為保證數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流的暢通，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)間的無(wú)縫銜接，系統(tǒng)集成至關(guān)重要，其中主要涉及MES與ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)與QMS系統(tǒng)等系統(tǒng)間集成。

1）MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的集成

ERP系統(tǒng)主要進(jìn)行企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理，MES主要進(jìn)行車間生產(chǎn)管理，ERP是MES的上層信息系統(tǒng)。項(xiàng)目信息、生產(chǎn)訂單等數(shù)據(jù)需從ERP系統(tǒng)自上而下傳遞到MES系統(tǒng)，生產(chǎn)執(zhí)行之后，MES系統(tǒng)將生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度、工時(shí)和物料消耗需要自下而上再反饋給ERP系統(tǒng)。

2）MES系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)集成

PDM系統(tǒng)管理著企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，PDM系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)完整的物料數(shù)據(jù)、制造BOM的信息，傳遞給ERP與MES等相關(guān)系統(tǒng)。

MES從PDM系統(tǒng)中獲取的信息可以分為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的信息兩種，結(jié)構(gòu)化信息是指物料數(shù)據(jù)、制造BOM中的工序、工步、工裝等信息，非結(jié)構(gòu)化信息是指三維模型、工藝卡片、作業(yè)指導(dǎo)書、檢驗(yàn)指導(dǎo)書等信息。

3）MES系統(tǒng)與QMS系統(tǒng)集成

MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)車間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作，其中也包含質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作。MES從質(zhì)量管理系統(tǒng)中接收質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)、缺陷代碼、質(zhì)量事件判定結(jié)果、緊急/例外放行停止點(diǎn)等信息，同時(shí)，MES將質(zhì)檢結(jié)果、質(zhì)量事件、裝配履歷等信息傳遞給質(zhì)量系統(tǒng)。

4）MES系統(tǒng)與DNC/SCADA系統(tǒng)集成

MES將程序指令傳遞給DNC，DNC系統(tǒng)向產(chǎn)線加工中心下達(dá)程序指令，SCADA系統(tǒng)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳遞給MES系統(tǒng)。

5）MES系統(tǒng)與HR系統(tǒng)集成

MES與HR系統(tǒng)集成，從HR系統(tǒng)中獲取人員、組織架構(gòu)等信息；人力資源系統(tǒng)從MES系統(tǒng)中獲取車間作業(yè)人員的實(shí)動(dòng)工時(shí)、工作完成狀態(tài)等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

通過建立高速動(dòng)車組智能工廠試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，可以對(duì)企業(yè)排產(chǎn)管理、制造執(zhí)行管理、質(zhì)量管理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集等智能工廠運(yùn)行管理的核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行功能完整性、系統(tǒng)集成和可視化的試驗(yàn)驗(yàn)證，并可作為運(yùn)行管理的展示和推廣平臺(tái)，對(duì)企業(yè)進(jìn)行智能工廠的搭建提供一定的借鑒意義。