涂裝智能數字化工廠方案的研制

廉迎戰 王偉 向德志 田宏鑫 羅聲權 曾加亮

摘要：數字化工廠作為將制造技術與數字技術、智能技術和新一代信息技術融合的技術，給制造業帶來新的模式、技術、理念和應用，展現出未來制造業發展和制造技術發展的新前景。隨著裝備涂裝對效率和穩定性要求的不斷提高，涂裝智能化的重要性日益增加。通過對涂裝智能數字化工廠方案進行研究，通過對涂裝智能數字化工廠總體設計，分析數字化工廠各組成部分，為涂裝智能數字化工廠提供一種可以提高涂料利用率和實現節能環保的可行性方案，實現涂裝產品的智能制造，有效提高企業的設計、研發和生產等方面的能力。

關鍵詞：涂裝;智能數字工廠;自動生產線

中圖分類號：TB49文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0157-04

Development of Intelligent Digital Factory for Painting

Lian Yingzhan1，Wang Wei2，Xiang Dezhi3，Tian Hongxin1，Luo Shengquan1，Zeng Jialiang4

（1. Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;2. AVIC Xi′an Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.， Xi′an 710089， China;3. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China;4. Guangzhou Yuansheng Automation Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： Asa technology thatintegratesmanufacturing technology withdigital technology，intelligent technology，andnew-generation information technology， the digital factory brings new models， technologies， concepts and applications to the manufacturing industry， showing newprospects for thedevelopmentof manufacturingandmanufacturing technologyin the future. With thecontinuousimprovementof equipment coating requirements for efficiency and stability， the importance of intelligent coating is increasing. The coating intelligent digital factory scheme was researched， the various components of the digital factory were analyzed through the overall design of the coating intelligent digital factory， and a feasibility for the coating intelligent digital factory was provided to increase the utilization rate of coatings and realize energy conservation and environmental protection. The program realizes the intelligent manufacturing of coating products and effectively improves the company′s design， R&D， and production capabilities.

Key words： painting; smart digital factory; automatic production line

0 引言

在工信部發布的《智能制造發展規劃（2016—2020年）》中指出，智能制造是先進制造技術、新一代信息技術和新一代人工智能等新技術深度融合形成的新型生產方式和制造技術。它將產品全生命周期價值鏈中的數字化、智能化以及網絡化作為主要內容，將企業內部縱向管控集成和企業外部網絡化協同集作為次要內容，將各生產系統及其對應的各層級數字孿生映射融合作為基礎，即通過 MES 制造執行系統、ERP 資源計劃系統、 WMS倉儲系統以及智能化自動化等設備的互聯互通、高效協同建立起具有能夠動態感知、實時分析數據、自主進行決策和精準執行功能的智能化工廠，進行 CPS信息物理融合的智能生產，實現優質、低耗、高效、綠色、安全的制造和服務[1-4]。

在裝備生產過程主要工藝包括沖壓、焊接、裝配和涂裝。智能涂裝作為自動化作業技術通過在涂裝車間采用自動智能噴涂，可以提升效率、穩定質量，消除污染工位作業、提高涂料利用率和實現節能環保的價值。采用智能機器人對裝備實現外噴和內噴涂料，在節約涂料、減少風量和減少污染的同時可實現循環風80%以上的應用，使噴漆室排風量大幅減少的同時穩定施工參數，使得新建先進涂裝線得以實現所有噴漆（包含水性漆）廢氣的全部凈化處理，該解決方案比人工噴涂解決策略的整體能耗和排放降低了60%以上。

通過面向裝備涂裝過程，利用機器人、人工智能、工業物聯網和大數據，構建涂裝智能數字化工廠，是傳統制造技術與數字技術、智能技術及新一代信息技術的融合。利用智能制造技術設計涂裝智能數字化工廠，實現裝備涂裝生產過程的標準化和自動化，提高設備的利用率，實現節能環保的目的[5-6]。

1 總體方案設計

采用先進、成熟、實用的開發技術，保證智能化系統具有極高的安全性、可靠性和容錯性。系統采用模快化和開放式系統結構，以適應系統靈活組網、擴展和系統升級的需要。同時通過系統集成將對不同廠家不同類型的產品有機的聯系在一起，實現資源、信息共享，提高設備的利用率，降低能耗節約能源。“涂裝智能數字化工廠設計制造平臺”典型系統拓撲如圖1所示。

采用成熟的數字化設計技術，如虛擬技術、智能化技術，滿足企業環境的產品全生命周期管理等，搭建涂裝智能數字化工廠制造平臺，實現涂裝產品的智能制造，有效提高企業的設計和研發、生產、檢測等方面的能力。

智能涂裝過程包括設計過程的智能化、涂裝過程的自動化、涂裝工藝的優化、生產管理的信息化和維護服務的敏捷化、遠程化等。本方案利用工業物聯網技術搭建一個網絡 CPS （涂裝智能信息物理融合平臺），使得 CPS讓涂裝物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實涂裝生產過程的融合，將網絡空間的高級運算能力有效運用于涂裝生產過程之中，從而將在生產制造過程中與設計、開發、生產有關的所有數據通過傳感器采集并進行集成和分析，形成可自律操作的智能生產系統。

2 數字工廠組成

涂裝智能數字化工廠制造平臺實現3個方面的集成。一是生產設備的橫向集成，包括：（1） 智能設備內部自動化系統（機器人、控制器、傳感器、伺服和傳動、人機界面和智能移動終端等）的網絡化;（2）生產線上設備與設備之間的聯網;（3）生產線和生產線之間、車間和車間之間、工廠和工廠之間的聯網，這是實現智能制造的物理基礎[7]。二是信息的縱向集成，是指主要設備互操作性和關鍵信息一致性的問題得到解決，采用統一的數據庫和軟件平臺對設備資產數據和生產過程數據進行初步的管理，數據和信息可以自上而下的方式和自下而上的方式有效流動，從而為下一步的大數據分析和高級智能決策奠定內容基礎[8-9]。三是企業價值鏈和產品生命周期集成，首先把設備產品的概念設計、創新研發、生產制造、安裝調試、運維升級、報廢拆解直至進入再循環的整個生命周期集成起來;其次將制造企業的需求分析、訂單獲取、物料供應、倉儲運輸直至售后服務的整個循環集成起來。

推動涂裝產品的生產和制造能力的數字化、網絡化和自動化，終端產品制造實現精益制造和敏捷制造，實現企業由資源驅動型向信息驅動型轉變[10]。

涂裝智能數字化工廠系統采取層次化、模塊化、冗余性等設計方式。涂裝智能數字化工廠制造平臺包括如下子系統：（1） 涂裝智能化制造系統軟件;（2）涂裝自動生產線;（3）配套技術設備和工業網絡通訊終端。

3 涂裝智能化制造系統軟件

融合 PLM （產品全生命周期數據管理平臺）的智能化設計制造平臺的搭建，完善涂裝企業數字化設計能力，利用涂裝產品全生命周期數據平臺，實現產品和制造過程的標準化和自動化，解決涂裝產品數字化設計制造與 ERP 等其它企業信息系統的整合應用[11]。

基于涂裝現場業務支持，實現涂裝過程數字化、可視化的監控的軟件需求方案如圖2所示。

該方案構建具有如下優點：建立起支撐多公司、多組織、多工廠的數字化模型，滿足以后的擴展和應用;實現管理端到現場端縱向貫通，從計劃調度管理到現場設備層的互聯互通;生產過程的實時數據、生產實績，可以實現自動采集、轉換，并結合生產線實體布局，可以進行實時的監控和展示;設備狀態及參數可實時采集，支持設備維護保養及提醒預示。

4 自動化生產線

自動化生產線主要包括蒙皮和壁板吊掛生產線工藝流程、滑撬平鋪自動噴漆生產線工藝流程和金屬手動噴漆生產線工藝流程3種工藝類型[12-13]。

（1） 蒙皮和壁板吊掛生產線

蒙皮和壁板吊掛生產線主要包括鋼結構平臺、遮蔽及除塵室、噴漆室（自動噴漆室/手補噴漆室）、流平室、油漆烘干室、強冷室、送風空調（噴房循環空調）、送風空調（除塵新風空調/手噴房新風空調/強冷新風空調）、調漆室、潔凈間及風淋室、積放輸送系統（蒙皮對噴線/收到噴漆線）11個部件構成。蒙皮和壁板吊掛生產線布局如圖3所示。

（2） 滑撬平鋪自動噴漆生產線

滑撬平鋪自動生產線主要包括鋼結構平臺、預熱區、除塵區、噴漆室及人工翻面室（自動噴漆室/手補噴漆室）、流平室、油漆烘干室、強冷室、送風空調（噴房循環空調）、送風空調（除塵新風空調/手噴房新風空調/強冷新風空調）、調漆室、潔凈間及風淋室、滑撬輸送系統12個部件構成。滑撬平鋪自動生產線布局如圖4所示。

（3） 金屬手動噴漆生產線

金屬手動噴漆生產線主要包括除塵室、噴漆室、流平室、油漆烘干室、強冷室、送風空調（除塵新風空調/手噴房新風空調）、潔凈間7個部件構成。金屬手動噴漆生產線布局圖如圖5所示。

5 結束語

涂裝智能數字化工廠制造平臺具有以下特點。

（1） 具有“一核心”：該方案的核心就是智能工廠“大數據”為核心。

基于各個模塊開放的軟、硬件接口，獲取智能工廠實時“大數據”，采取共用“數據倉庫”的方式，建立智能工廠“大數據”集成平臺，為“四化”的實現提供支撐[14]。

（2） 具有“四化”：裝備自動化、工藝數字化、過程可視化、決策智能化。

①裝備自動化：涂裝生產線的設備都是采用智能控制器、智能傳感器、工業機器人、自動輸送線、AGV小車等裝備，所有裝備都具有智能控制、自動控制的能力，并且具有工業互聯網的接口，為設備互聯提供基礎條件[15]。

②工藝數字化：設計過程采用數字化工具和技術平臺，通過無紙化傳遞，提高設計效率。同時，通過三維技術識別干涉，減少設計過程中存在的質量問題。

③過程可視化：涂裝生產過程都利用可視化的系統進行監控，操作人員可以方便觀察現場方式的一切情況。

④決策智能化：構建企業生產過程大數據分析能力，使“數據”轉化為“洞察”，再由洞察產生行動，不僅要從技術上提升洞察分析能力，也要從組織、管控、能力角度同步提升，真正實現“感知—洞察—評估—響應”閉環的順利運作與循環提升。

通過在涂裝車間采用自動智能噴涂，可以提升效率、穩定質量，消除污染工位作業、提高涂料利用率和實現節能環保的價值。

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第一作者簡介：廉迎戰（1963-），男，碩士，副教授，研究領域為控制科學與工程，已發表論文23篇。

（編輯：刁少華）