面向智能制造的柴油機數字化車間構建與實施

時運來，付少蕾，春 輝，徐洪波

（1.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京210016；2.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，江蘇 揚州225000）

1 引言

自“工業4.0”概念提出以來，世界各國在智能制造領域的投入不斷增長，也相繼制定和推出了相關的發展戰略。2013年，德國正式推出“工業4.0”戰略，主要圍繞三個主題“智能工廠，智能物流，智能生產”進行實施，把信息技術、網絡技術與工業生產相結合，最終達到制造業向智能化的轉變。2017年，英國也結合自身產業基礎提出了“現代工業戰略”，注重以政府為主導，以加大對科研創新、基礎設施升級、勞動力技能培訓進行投資為主線，推動制造業的復蘇。我國于2015年也適時推出了“中國制造2025”戰略［1］，以“智能制造”為重點發展區域，把技術創新作為戰略實施的驅動力，努力實現產品質量與工業生產效率的雙向提升，從而不斷增強我國制造業的國際競爭力。

“工業4.0”的提出，明確了制造業的數字化和智能化發展之路。目前，隨著我國工業化在制造業中的不斷深入，以信息化的方式輔助車間的加工制造及管理的模式也漸漸出現一些亟待解決的問題，其中，最明顯的問題體現在信息化與工業現場實際結合上，當前國內制造業的工業技術發展與信息化發展出現兩條路線單一發展的現狀，兩者只是單向性帶動或者說是低效率的相互帶動關系，并沒有實現兩者相互融合與促進的特殊效應。國內部分制造業企業僅僅照搬歐美國家的數字化模式僅僅是為了信息化而信息化，主要表現在兩方面：（1）我國工業技術的發展未能更好的指導與支持信息化的發展；（2）信息化技術發展未能很好的結合工業化現狀與整合企業資源。多年來，我國柴油發動機制造企業將數字化生產線建設作為企業信息化發展的重點方向，通過改變傳統的生產制造模式重構柴油發動機制造業，在努力實現從“制造”走向“智造”的轉變。然而與歐美國家相比，我國柴油機制造行業在“智能制造”發展方面起步較晚，基礎較弱。通過對柴油機制造行業企業老式車間調研、參與智能制造專項車間搭建工作及對國內其他智能制造車間建設經驗的研究發現，傳統車間柔性化程度低，不適應于多品種、小批量、定制化、批產混線生產等需求，建設具有“數字化、網絡化、智能化”特征的智能制造車間勢在必行。為此，針對上述問題，開展柴油發動機數字化車間的研究對于柴油發動機生產企業的智能化轉型與升級具有重要的現實意義。

2 柴油機數字化車間構建需求分析

2.1 國內柴油發動機制造主要工藝流程現狀分析

柴油發動機車間的生產線主要由缸蓋加工線、缸體加工線、發動機總裝配線、發動機預裝線、試車線、涂裝線、后整理線、包裝線等生產線組成，如圖1所示。（1）缸體、缸蓋制造工藝分析：目前而言，國內多數內燃機企業在發動機的生產過程中僅需要對缸體和缸蓋進行機械加工（缸體和缸蓋的鑄造成型一般依賴于外協企業），其余的零部件大部分外委采購。近十年來，國內柴油發動機得到了快速發展，國內也逐漸對缸體和缸蓋生產線進行了升級，少數企業開始采用高速臥式加工中心來組建柔性生產線，利用機械手進行上下料操作，并逐步加入了自動在線檢測等設備。但多數柴油機生產企業在單缸和多缸小缸徑柴油機的缸體、缸蓋的粗加工和精加工中，還是以主要以組專機床和少量臥式加工中心加專用夾具組成的流水線為主，部分采用了機動輥道來實現工序間的工件傳遞，上料和下料主要以電動單梁懸掛起重機為主，整個生產線的剛性生產能力強，但柔性生產能力較差。（2）裝配生產線工藝分析：與汽油機制造相比，我國在柴油機整機制造方面的發展相對比較落后，整機裝配流水線按工位進行劃分，依賴人工進行裝配的工序占比重較高。裝配線的輸送方式一般采用積放鏈或者板鏈，部分企業開始使用輥道線，并開始采用一些手段來實現產品信息的自動采集。一些關鍵部件的裝配開始采用電動裝置，如采用電動擰緊機來擰緊固定螺栓。

圖1 傳統車間生產線工藝流程Fig.1 Production Line Process of Traditional Workshop

總體而言，從目前大多數柴油機生產企業的制造工藝流程來看，雖然在流水線作業的基礎上，部分實現了加工信息的采集和信息的追溯，但車間整體數字化水平仍然較低，沒有實現加工裝備、加工工件、裝配、質檢等信息的自動化采集，信息流動大部分還是采用手工操作記錄的方式和傳遞的方式。

2.2 數字化車間構建需求分析

（1）制造工藝的數字化升級需求：將傳統的面向工序的工藝模式通過先進的智能制造技術升級為面向過程的智能化工藝管理模式。傳統工藝重點在于工序化管理，依靠工藝流程卡來管控產品的制造過程，效率比較低。開展智能制造，需要改變工藝管理模式，構建產品、工藝和制造緊密關聯的工藝模型，建立工藝管理系統，形成對MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）的有力數據支撐，實現面向過程的工藝管理，提高對關鍵工藝工程要素的可監測性、可控制性及其可優化性。

（2）智能化設備的配備或老舊車間設備數據采集問題的改造需求：為實現產品的質量控制，必須對設備的刀具磨損情況、工件加工過程中的機床運行狀態等進行有效監控。如果不能夠對加工環節的信息進行有效的采集和存儲，將無法實現產品的可追溯性，達不到對產品生命全周期的有效管理。為此，必須將以傳統的工藝流水配置的生產裝備升級為智能化、數字化裝備。依托國內領先系統集成商、軟件開發商、核心智能制造裝備供應商，緊扣發動機關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制和供應鏈優化需求，構建面向智能制造的柴油發動機智能化裝備集群。

（3）生產線的柔性化需求：形成柔性生產能力是生產線數字化構建的重要內容，就目前柴油發動機市場需求而言，常常需要技術開發與批產混線，多品種小批量混線生產。由此必須結合柴油發動機生產企業的現狀，對企業現有的多品種產品的工藝流程進行提前規劃，并對加工設備進行提前布局，運用數字化工廠軟件對各個環節進行模擬仿真和優化，由此對生產線的數字化構建提供參考，滿足生產線的柔性化生產需求，提高DF生產線的工作效率，降低生產成本。

3 數字化車間信息物理系統架構

為了能實現車間內部虛擬平臺與物理對象的相互映射及無縫融合，促使數字化車間走向智能化，并對車間內時間和空間信息進行聯合處理，從而提高生產線數據的實時性，以滿足車間平臺任務安排與信息反饋的實時性要求，結合國內外柴油發動機建設的先進經驗、存在的問題及考慮智能工廠的發展前景，參照國際標準ISA-95［2］設計了柴油發動機數字化車間的信息物理系統架構［3］，如圖2所示。主要包含五個層次，由下而上為：設備層，控制層，網絡層，系統層和管理層。

圖2 參考ISA-95標準的車間總體框架Fig.2 Overall Structure of the Digital Workshop

設備層主要包括智能制造設備、智能工裝設備、智能物流設備（如上料機器人、AGV小車、傳送裝置）、智能傳感器、智能測試設備。主要功能是實現柴油發動機產品制造、產品檢測、工位信息采集、零部件自動化運輸、成品運輸過程，同時，也是柴油機生產數字化信息的源頭與控制層執行生產計劃的工具，比如：RFID（無線射頻識別）［4］屬于智能傳感器中的一種，通過在柴油機各加工、裝配工位安裝RFID傳感器，實現車間人員、設備、物料、工裝等的編碼信息、位置信息、狀態信息的非接觸式實時采集，再存入MES數據庫以數字化升級制造工藝，替代傳統車間工藝流程卡來管控柴油機生產。

控制層主要包括PLC（可編程邏輯控制器）、單片機等自動化控制器與驅動裝置及HMI（人機交互界面）。主要功能是接收來自網絡層的加工、裝配、采集柴油機生產過程信息等操作指令，再通過控制層的各種硬件進行驅動及控制設備層的各種智能化設備進行柴油機零件制造加工、加工裝配數據采集、零部件自動化物流運送等操作。

網絡層主要包括工業PON（無源光纖網絡）［5］、DNC（分布式數控）網絡、各種通訊及控制總線、SCADA系統（數據采集與監視控制系統）、DCS系統（分布式控制系統）和FCS系統（現場總線控制系統）等內容。功能是實現車間智能化加工設備、智能儀表、加工工藝和測試儀器等之間的數據傳遞及采集，且將系統層中MES系統的柴油發動機計劃排產人工或者自動化分解成加工指令，并發布生產指令至控制層。在這一層級，通過工業PON、DNC網絡及工業現場總線等通訊網絡在整個車間內部把數控機床、缸體試漏設備、零件壓裝設備、大量的工控機等形成互聯互通的工業通訊網絡，以實現生產各個工位之間數據的傳遞；柴油發動機車間需要配置SCADA系統、DCS系統及FCS系統，以實現車間每條數字化生產線或者每個工位生產的數據實時采集、實時監測、集中管理與分散控制等指令的生成與發布。例如，：缸體加工線每臺機床數據采集、監測、管理與控制的高效實現即是依賴于這一網絡層的合理設計。

系統層由MES系統及WMS（倉庫管理系統）組成，MES系統主要功能是實現柴油機生產車間的管理與生產監控。首先，承接來自管理層中ERP（企業資源計劃）的生產數據（包括柴油機生產日計劃，物料庫存、調配數據，生產變更數據）與PLM的工藝數據（零部件原材料的種類、相關屬性，各條產線的工藝路線，每個工位的工藝信息，數據變更信息）；其次，為操作人員在生產過程中提供圖紙工藝和技術文檔等內容的無紙化查詢及指導操作人員進行生產；再者，接收來自于網絡層所上傳的柴油機加工、裝配的工藝數據和所有資源（人、設備、物料、客戶需求）的當前狀態信息，實現車間級的協調、跟蹤、決策和調度。WMS系統與MES系統在軟件系統層以Web方式進行數據的交互，其接收來自于MES系統的當日生產計劃、零部件的物流調配信息與成品完工信息，用于柴油機生產車間物料的調度和配送及成品的入庫管理和統計。

管理層包括PLM系統（Product Lifecycle Management，產品生命周期管理）和ERP系統。管理層通過PLM進行產品全生命周期的設計，并通過ERP獲取PLM內部工藝數據制定出車間的主生產計劃、物料主數據下放至MES系統分解為若干個MES車間生產子任務；同時，MES向ERP系統進行生產進程反饋與生產計劃報表。ERP系統主要功能是提升企業管理層的綜合管控能力，解決傳統車間的工藝、資金、采購、物流等業務之間的信息孤島效應，并在生產計劃管控、企業資產管理、企業財務管控等方面體現其獨特的優勢。

對于設備層、控制層和網絡層這三個層級，通過無線通訊技術與有線通訊技術（如EPON）在車間形成一體化工業網絡，解決了傳統老式車間信息無法全面采集的問題。

4 柴油機智能制造數字化車間構建策略

根據已規劃好的數字化車間信息物理系統架構及構建智能車間的實際需求，數字化車間可按以下五個階段進行構建：

第一階段，構建柴油發動機產品研發體系及研發適應市場的產品。在車間構建之前，通過集成有CAD/CAM/CAPP等產品研發系統的PLM平臺設計幾類面向當前市場的柴油發動機新產品及其產品相關的所有信息（如產品工藝流程、材料、制造、裝配、圖紙等），以為后期車間設計奠定基礎；在車間構建完成之后，利用PLM平臺，對發動機結構拓撲、產品工藝進行持續的改進創新、建模仿真、驗證分析［6］，從而不斷優化產品的工藝流程、研發水平和全生命周期，以升級企業產品制造水平及適應各階段市場的需求。

第二階段，數字化車間生產環境的建模及基本布局的規劃。分析第一階段設計出的幾種型號柴油發動機產品信息及工藝流程，采用三維模擬技術對發動機生產環境進行數字化建模，建立車間總體的數字化模型及詳細規劃各產線工藝流程及基本布局，設計出可生產多種類型柴油發動機的數字化生產線。整體規劃內容包括生產線數量、各生產線的生產流程、工位數量及位置、工位加工裝配內容、數據采集類型及位置和智能化設備種類。利用三維仿真技術對生產系統進行仿真運行及持續性優化。在車間真實生產之前，仿真生產系運行的各種細節（如：車間物流、產線設備和車間布局等）對各產線產能、成品率和生產成本的影響及發動機生產線生產多機型的柔性化能力，以驗證車間布局設計和各種調度計劃的合理性；設計多種運行方案，并分析、對比三維仿真系統中車間的運行數據，最終修正設計的問題及規劃出滿足數字化升級產線、合理配備智能設備、高度柔性化等條件的基本布局；在車間真實生產之后，數字化模擬技術為車間后續生產提供幾乎是無限的生產柔性，通過仿真的方式，測試不同生產調度策略對新、舊產品生產的影響。

第三階段，數字化車間的建設。首先，按照依托國內設備廠商、發動機關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代和生產過程智能優化控制的原則，進行智能化設備、智能傳感器的選擇，并將智能化設備（如數控機床、上料機器人、氣門油封壓裝機、油道干試試漏機）、智能傳感器（如RFID、無線溫度傳感器、接近開關）安裝在第二階段所設計基本布局的對應位置，并根據數字化模型配備自動化傳輸線；其次，安裝PLC等自動化控制器與驅動器實現數字化產線設備的自動化控制、智能傳感器的數據采集與處理；再者，在數字化產線載入工業PON網絡（優勢：高帶寬、高抗干擾性、傳輸距離遠）、各種工業通訊總線（如ProfiBUS）、DNC網絡等形成數字化車間實時通訊網絡，以及在數字化生產線載SCADA系統、DCS系統、FCS系統等控制車間設備進行加工、裝配、物流運送等操作及對車間生產進行實時數字化監測。最終，在車間層級將設備、硬件、監控系統軟件融為一體。而在數字化車間構建中數字化的內容主要包括三方面：（1）部分數據（如設備運行狀況、刀具磨損情況）使用智能化設備自帶的SCADA系統進行采集；（2）人、機、料、工裝等的編碼、位置、狀態信息則通過RFID技術、條碼掃描槍、手持終端進行采集，提高產品的可追溯性與生產過程的有效管理，形成對MES的有力支撐；（3）數字化加工生產線把多臺柔性化數控機床通過計算機網絡技術構成DNC網絡系統，并將自動化輥道、上料機器人、桁架機械臂、空中小車等組成全自動化物流線，在網絡中同時嵌入大量傳感器實時采集柔性加工線的數據。并且在多種生產模式綜合應用下，實現了對工藝要素的監測、產品質量的控制及車間柔性化升級，不僅可以實現當前產品的多品種、小批量的生產，更可以通過替換部分工位設備或者修改部分工位加工工藝的方式快速適應產品更新換代之后的生產且不需重新搭建新的生產線。

第四階段，載入ERP系統、MES系統、WMS系統等車間級軟件平臺。將ERP系統與PLM系統進行集成，實現研發/生產一體化，同時，通過ERP系統提升企業資源管理水平。PLM系統向ERP系統中自動傳遞或者手動傳遞產品工藝相關的信息、物料清單和工藝路線等信息。緊接著，載入MES系統，與傳統的工藝流程卡號管控車間的功能類似，MES功能為通過為每臺柴油發動機創建一對一的序列號的方式［7］，并在實際生產過程中在每個工序通過掃描獲取序列號的形式訪問工藝數據庫獲得該工序相關的控制信息，實現從工序管控到車間管控的數字化升級；MES系統接收來自第二階段布置的數據采集網絡的數據以供管理層生產高級排程、產品質量分析及設備管理；再通過上線WMS系統配合MES使用，實現物料出入庫、存儲、配送等物料管理工作，最終實現數字化車間虛擬系統與物理系統進行無縫銜接，構建出數字化車間信息物理系統架構。

第五階段，引入新型制造模式。利用最新的云計算技術、大數據分析技術實現產品的未來規劃，吸收當前電子商務、云服務等［8］互聯網技術的優勢等方式，最終實現柴油發動機這一離散型制造行業的智能制造、協同制造、大規模個性化定制和遠程運維等新型制造模式。

5 應用實施案例及實際效率比對

在此，針對某柴油機生產企業下屬子公司車間制造工藝落后、老舊加工設備數據采集困難及產線柔性化程度低等問題，根據上述構建策略，分五個技術層面/階段對該企業的生產車間做出了改進，并搭建新型車間：

（1）由于該企業集團公司PLM平臺構建比較完善，基于企業PLM和云服務的融合，實現了與該企業集團公司與子公司之間的跨地域實時協同工作，在此僅需完善該企業子公司在產品設計方面的數字化工作。首先，采用PLM集成的柴油機三維設計軟件（SolidWorks 3D）對該車間待產的發動機產品的零件模型及整機裝配模型進行了建模，并繪制出相應的工程圖，并編寫相應的工藝信息和工藝流程信息；其次，對產品的三維模型圖、二維工程圖及其中所包含的產品各種結構信息與產品屬性信息（結構信息包括產品裝配信息、尺寸信息；屬性信息包括零件材料信息等，即裝配圖和零件圖里面的標題欄信息）、相應的工藝信息和工藝流程信息進行歸類整理；最后，將設計結果一起構建在PLM數據庫模型中，并自動產生產品結構樹。

（2）根據PLM數據庫中已有的產品工藝信息和工藝流程信息，對數字化車間整體產線設計進行了整體規劃。共設計四條生產線：前兩條作為發動機缸蓋及缸體的機加工線，后兩條分別作為車間總裝配線和后整理線。機加工線、裝配線及后整理線均通過已經設計好的加工、裝配工藝進行布置各工序的機加工設備，主要有：數控機床、自動擰緊設備、智能試漏設備、缸體翻轉機器人及帶有HMI界面與數據輸出接口的智能設備，所選機加工設備及裝配設備滿足于多種機型的要求，提升機加工線的柔性度；對于與產線相匹配的自動化物流線，使用自動化輥道、空中小車、上下料機器人、自動化轉臺、AGV車等進行整個車間機體和物料的自動化運送。最終在數字化虛擬仿真平臺上驗證這一套生產線是否實現小批量、多品種柴油發動機產品的生產。并且多次仿真實驗及修改設計，最后購買合適的加工設備且安裝設備。

（3）基于上一步所設計的生產線布局進行車間數字化建設，主要包括四個方面：a.前兩條機加工線由帶有先進數控系統的格勞博機床組成，通過屏蔽性良好的網線將所有數控機床網口、分別接入到交換機上，再匯入工業PON的ONU（光網絡單元）設備中，完成機加工線的DNC網絡。同時有數據接口的智能化設備也以網口直接接入交換機或通過RS485轉網口形式接入交換機，最終轉接入ONU設備；b.針對數控機床、智能設備無法自身采集加工數據且人工無法手工錄入數據的位置，主要有：數控機床主軸溫度、數控機床電機工作溫度、機床主軸轉速，通過自行安裝傳感器的方式采集這些數據，安裝傳感器對應有在線式紅外測溫儀、PT100螺釘式熱電阻及溫度變送器、霍爾傳感器，最后接入到車間西門子PLC的S7-300系列并通過PLC主機自帶的網口接入交換機及ONU設備；c.在各種零件/物料眾多的總裝配線和后整理線使用RFID讀卡器（型號：SIMATIC RF340R）進行裝配的機體序列號采集，接入方法為b點中的方法；d.使用人工輔助采集方式采集車間一些不易采集的數據，主要有：使用掃碼槍掃碼采集RFID讀卡器沒有成功采集的數據，使用手機上報車間的異常工況于維修部門等。

（4）使用工業PON（無源光網絡）進行車間整體聯網通訊，主要聯網步驟有：先接入光網絡單元（ONU），再接入光線路終端（OLT），最后接入到車間核心交換機進入數據中心。把車間各工位已采集至網關、PLC或者工控機的數據傳輸至車間的數據中心匯總，以解決老式車間數據無法采集或者數據采集實時性低的問題。

（5）通過在智能制造車間載入高實時性的MES系統且將車間的各種生產數據存入到MES系統中實現數字化升級柴油機生產車間的制造工藝與生產過程管理水平。同時，將ERP與MES系統集成實現車間級與企業管理層在生產過程中充分的交互。最終車間實現全面數字化升級，基于以上設計在某企業進行相應的實際應用已實現實際的效果，且現有傳統車間與已經搭建的智能制造車間的對比圖，如圖3所示。

圖3 老式車間與智能制造車間對比Fig.3 Comparison between Old-fashioned Workshop and Intelligent Manufacturing Workshop

根據對某柴油機企業智能制造車間與老式車間當前生產狀況的分析與對比可知，智能制造車間總體的年產量相比老式車間提高了53%，生產成本降低了5%，生產效率提高25%，訂單交付時間縮短20%，車間產能提高了1倍多。

6 總結

面向智能制造的柴油發動機數字化車間構建與實施過程中，在傳統車間的基礎上優化了傳統車間的總體架構、構建過程、設備配備及生產線工藝流程，實現了有效的提升。主要有以下三個方面：1）在關鍵工序配備智能化設備以監控加工、裝配、測試的實時狀態，構建智能化裝備集群，實現生產過程優化控制、數據實時采集及產品的質量控制；2）整套數字化生產線通過使用生產工序精細化，關鍵設備模塊化、通用化的方法，提高其生產的適應性與柔性；3）采用智能制造技術，提升了工廠整體的制造工藝的數字化水平。新的柴油機生產車間構建策略與實施經驗對將來柴油機數字化車間及國內離散型車間的構建與實施具有很大的借鑒性。