新能源柔性焊接主線智慧控制系統的開發及應用

蔡 燕，姚 磊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心自動化部，廣西 柳州 545007）

0 引言

造老百姓喜愛的車，造人民的代步車，多品種多配置變化快，品質牢靠低成本高價值，是SGMW 的特色[1]，正因為如此，隨著市場需求變化，車型和配置不斷豐富，產品快速更新迭代，個性化定制，訂單化生產和少批量頻繁切換等需求對傳統生產線的挑戰日漸彰顯，以及隨著生產線自動化率和柔性化不斷提升，傳統自動化柔性線的弊端日益彰顯，期望依靠智能來解決相關痛點。SGMW 在新能源車身線建設的探索和創新實踐中，通過智慧控制系統的開發應用集成，打造以現代智能傳感技術、網絡技術、自動化技術、信息化技術IOT 跨界融合等先進技術為基礎的數字化智慧生產線，有效提升柔性自動化焊接線的生產效率。

1 智慧控制系統的研究現狀

SGMW 新能源柔性焊接主線，2019 年建設于SGMW 寶駿基地并投產，設計規劃為高柔性車身線，節拍為40JPH，采用機器人焊接和搬運，自動化率高達99%，焊接自動化率100%，人員主要負責零件配送及質量檢查工作。生產采用N+1 生產模式，目前已兼容投產生產5 種車型，10 余種配置的新能源車，后續還將快速導入更多新品種。車型及配置切換采用在線自動切換+離線切換雙結合的模式，最大化的兼容不同平臺不同車型。主線主要負責完成零件搭接定位及固定焊接，補焊和調整統一在補焊線和調整線完成，補焊和調整為公共線體，兼容所有車型，對自動化設備如機器人等最大化利用[2]。

該線體在工藝方案&柔性工裝&控制系統集成等方面集成了SGMW 大量專家資源，通過核心技術工藝仿真、工裝夾具、圖紙和程序等自主開發設計，結合引進國內外先進產品和技術，在攻克生產效率、質量提升、安全管控方面取得了良好的成效，尤其在控制系統集成領域，取得了突破性的創新成果，使得高自動化率高柔性高效率高質量透明化生產得以實現[3]。以下主要圍繞構建新型控制系統（創新網絡架構和智能傳感技術）、首創智慧ANDON 大數據分析系統、建立過程安全及質量管控MSQ 流程以及所取得的成效進行闡述。

傳統生產線控制系統只能滿足設備動作的檢測和邏輯，線體配備簡易ANDON，只能滿足拉動生產班段長響應，生產信息和故障信息等依賴人工記錄，數據不準確，無法為生產有效提供決策和提升[4]。原來的處理模式弊端突顯：效率分解/導入周期/導入成本/能耗情況，如何量化，以及趨勢分析決策。由此面臨兩大問題亟待解決：

（1）如何提升智慧匹配控制，實現生產線的高柔性快速切換快速響應及維護，對生產線和設備方案創新尤為迫切。

（2）高自動化率生產線生產運行效率低于設計目標效率90%，往往浮動小于88%，如何快速分解和有效提升，為設計和管理提供依據及決策，也是很大的考驗。

2 智慧控制系統的創新研發及應用

新能源焊接線主線的開發，在智慧提升方面，主要圍繞兩大方向進行探索和改進：

（1）系統整體網絡架構上采用了新型以太網架構，在底層控制技術要大膽開拓，應用多項新型智能傳感技術，實現多車型多配置共線生產的高柔性要求。

（2）在完成生產線本身的運行控制基礎上，從PLC中自動采集出設備運行數據進行分解分析，建立智慧ANDON 系統，對生產線運行指標和設備健康狀態評估分析，消除瓶頸，及時判斷提供決策，從而有效提升自動化柔性線的生產效率。

2.1 網絡架構

據生產及維修統計，控制系統運行問題中，網絡故障維修時間總體占比大于30%，影響的因素很多，排查困難，單次平均維修時間大于15 min，可以說網絡故障是控制系統運行中的攔路虎，也是現場維修最大的痛點。新能源線控制系統總結和完善SGMW 十余年總線網絡設計使用經驗教訓，結合行業內主流架構技術，提取創新Enthernet IP 設備層網絡結構設計，采用就近分布，極簡布線，杜絕網絡風暴，性價比高等原則以此最大限度的達到了低成本高穩定性易維護的效果，系統架構如圖1 所示。系統投產運行一年，根據生產維修故障統計報告，該新型網絡架構故障率大幅降低。

圖1 新能源主線網絡框架

2.2 智能傳感技術

（1）線體輸送采用SGMW 自主研發的高速滾床，變頻器結合外置電子標簽進行精確定位控制，輸送精度達到±1.6 mm，配合二次升降定位，精度達到±0.15 mm。

（2）多車型滑橇支撐在線自動切換，切換采用視覺圖像識別控制，取代傳統傳感器識別方案包含車型支撐識別，車身鎖緊識別，以及落銷識別（傳統方案工位需要布置大量傳感器，每種新車型導入均需要增加檢測，一個工位5 種車型約30+個傳感器），識別采用攝像頭+二次軟件開發的模式，1 套視覺實現多種識別功能。最大限度減少現場的安裝工作以及新車型導入周期，解決現場多車型導入后安裝空間不足難點，縮小線體占地面積。

（3）程序自主開發設計，采用標準化，部分關鍵模塊化設計，由專家資源完成標準和模塊框架設計，支持批量導入和快速修改，年輕工程師完成輸入輸出映射及新車型導入設計，導師帶徒快速成長，資源最大化利用，同時確保系統的長期運行穩定性和新車型導入改造快速復制。

（4）車型識別采用電子標簽+工位邏輯傳遞相互校驗方式，冗余檢測大幅提升運行穩定性，達到系統識別0 出錯率，當硬件故障時也可助力現場維修快速判斷和切換單種識別模式，恢復生產。人工上件工位，通過自動檢測防錯，結合輔助車型自動目視化實時提醒和預提醒，實現智能防錯。

（5）自主研發兩種類型的自動快插裝置，助力柔性高效切換：機器人抓手切換創新開發低成本自制I/O 快插；工裝拼臺切換創新開發自制網絡及電源快插。該自動對接快插取代了傳統人工插拔手工快插的模式，使得生產切換效率有效提升，1 個工位切換平均縮短120 min。該研發屬于同行業中自主首創產品。

（6）限制區域安全門創新采用指紋識別自動控制，提高線體防護等級，取代人工名單限制管理模式。

（7）多位置升降機采用激光位移測距替代傳統傳感器檢測，傳統升降機位置檢測采用電子接近開關檢測方式，1 個位置3 個開關，滑橇離線升降機需要6個位置，本次創新使用激光位移實時檢測，1 個檢測替代傳統約20 個開關的安裝調試，大幅減少安裝布線和調試。

（8）離線人工分總成線體ANDON 創新采用無線無源傳感器及呼叫按鈕，真正意義實現工位0 布線免安裝。

綜上，正是由于有了這些智能傳感技術的開發應用，線體才得以實現真正意義的自動化，也是將來無人化智能化工廠實現的底層基石。

3 智慧ANDON 大數據分析系統的創新研發及應用

隨著技術迭代更新，大數據及數字化發展，相應更多的技術可以創新和應用。在寶駿新能源焊接線，首次創新建立智慧ANDON 大數據監控系統，讓生產線長出“大腦”和“嘴巴”，使得生產和設備信息透明化，也是數字化工廠發展的縮影。

新能源線通過生產線設備大數據采集分析系統的開發建設，可以實現對當前正在運行的產線的健康和潛力及時評估，實現工位平衡，同時也在推進基于質量的預測性模型建設，實現建立產線綜合診斷平臺中心，主要解決生產線及設備效率低的問題。整個系統覆蓋產線全生命周期，透視產線，類似于人類心電圖診斷健康原理，高速采集運行中的“設備心電圖”，打開工廠生產過程的黑箱，將工廠生產過程透明化，從而協助診斷線體健康狀態，提供智能監控，產能提升，故障預警等功能。

3.1 系統構成和功能

整個系統硬件及軟件構成秉承SGMW“低成本，高價值”理念，精益化設計，通過自主+集成商聯合開發的以及數據本地部署模式，保障工控信息安全為前提，實現數據的挖掘利用。系統搭配根據PLC 運行特性和數據需求定制開發的高速軟采集器，實時從PLC控制器獲取數據，1 個高速采集周期< 30 ms，從源頭保障數據的準確性和實時性。

系統從功能上主要分為4 大模塊：工藝節拍線平衡分析、生產綜合效率分析、生產信息及質量追溯、設備健康狀態分析。系統能夠實時直觀反應生產線運行的狀態拉動響應，通過設備和人工操作時間分析快速鎖定瓶頸位置，對總體運行效率（OEE、MTTR、MBTF、JPH、生產開動率等）進行分析和損失分解，同時對設備參數實時檢測（負載電流曲線、運行時長心電圖、超時趨勢、故障頻次和時間）和點檢優先級推送，與此同時通過車身跟蹤碼查詢生產過站信息以及檢測在線質量鑿檢進行輔助質量查詢和追溯。系統的整體硬件&軟件框架如圖2 所示，系統數據流向和功能描述如圖3 所示。

圖2 系統硬件和軟件架構組成

圖3 系統輸入輸出數據源流程及功能

結合車身車間新車型導入不斷改造的特點，設備不斷動態變化，整個系統采用模塊化開發，支持界面簡單批量導出和導出功能，只需對輸入和輸出就行編輯修正，即可完成對應線體變化的修正，而復雜系統平臺后臺代碼和程序不需要修正，減少新車型導入或者線體改造導致的工作量和專家資源需求。

3.2 系統功能及亮點

（1）停線情況，自動采集，精準拆解。把10%左右的停線率，自動記錄和具體分解到空滿位、缺件、設備、質量、人員操作等上面，通過標準化客觀的分析統計，提供客觀依據，便于尋求有效的解決方案（工藝優化、設備整改、質量追溯及反饋、人員響應等），準確抑制停線情況，最終確保工藝設計效率以及提升效率，措施和方法如圖4 所示。

圖4 線平衡數據采集方法

（2）設備狀態，自動采集，精準檢修。通過設備報警信息日志和停線記錄，設備每次動作時間（汽缸、電機、控制器等每次動作時間情況），關鍵核心設備的關鍵性能參數采集（如電流電壓、溫度、振幅振頻等），根據經驗值及狀態趨勢情況，有針對性的識別設備健康情況，經過專家診斷自動推送設備PM 和TPM，設備維修檢修能夠有的放矢，有效規避較長時間停線故障、頻次較多的設備停線問題。措施和方法如圖5 所示。

圖5 設備健康數據采集方法

3.3 實際運行狀態及效果

系統自2019 年6 月建設完成投入使用，至今已有一年多時間，運行反饋效果良好，深得車間和維修用戶的好評。經過大數據采集系統的介入，生產線不再是冷冰冰的設備，而是一個生命體，它的每一次“脈搏”，都被系統及時記錄，從而真實了解生產線的狀態。通過數據量化分析支撐，可以快速實現新產品上市，占據市場主動性。系統隨著生產線建設完成第一個車型投產時投入使用測試，通過大數據系統輔助，快速提升瓶頸工位，發現和解決亞健康設備問題，為后續的新車型導入起到生產爬坡周期由傳統單個車型的35 天，優化至14 天完成，有效提升了50%以上的效率。

在產線爬坡階段，自動化生產線的節拍穩定提升周期可縮短超30%以上，不需要額外的設備投資，就可以實現設備開動率/生產效率提升2%以上，在日常運維階段，結合數字化手段和模式創新，可以實現非常高效的運維，生產用戶將不用花費過多的人力物力在運維方面，運維人員成本將降低20%以上，設備也因為有了量化的分析，提前干預實現故障率降低30 %以上。

4 結語

寶駿新能源線智慧ANDON 的面向工程技術人員、現場車間和維修工程師，主要用于針對性的精準解決生產效率問題，提供工藝設計依據參考。在此基礎上，SGMW 控制團隊也獲得了經驗積累和技術沉淀，下一步將總結改進和推廣，面向管理和生產規劃決策，逐步提升系統的層次。目前焊裝全車間生產總控系統正在開發測試中，未來我們將完成整個系統的建設和推廣，打造數字化智慧焊裝車間。