新型生產控制管理系統在焊裝的應用研究

摘要：為解決焊裝車間緩存區過大，不同車間過渡時緩存區立體庫過大，物料流控制簡單、存放區巨大、存貨數量多等粗放式控制問題，開發出智慧化生產控制管理（PFM）系統＼助力白車身采用精準的珍珠鏈訂單式生產控制模式，高柔性新型庫位規劃（0，X）、（1，X）和（1+Y）的應用進一步改善了車間工藝設備占地面積和物流使用面積，降低了車間設備投資，減少了漆前、漆后車身存儲立體庫容積。

關鍵詞：智慧化 生產控制 生產控制管理系統 柔性庫位 物料供應

中圖分類號：U468.2 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240055

Research on the Appliation of New Production System in Bodyshop

Yang Jun

（Beijing Benz Automotive Co.， Ltd.， Beijing 101300）

Abstract： In order to solve the extensive control of excessive large buffer area in and large welding workshop， large buffer stereoscopic storehouse during different shops transition， simple material flow control inventory quantity， Beijing Benz has developed an intelligent production flow management （PFM） system to assist the BIW to adopt the precise pearl chain order type production control mode， the application of the high flexibility new bin planning （0， X）， （1，X） and （1+Y） further improves the workshop process equipment floor area and logistics area， reduces the workshop equipment investment， and reduces the body storage house volume.

Key words： Intelligent， Production control， PFM， Flexible Bin， Logistics supply

1 前言

現有汽車生產需根據市場需求不斷變化，產品多、個性強、多樣化，對目前的生產控制系統提出了重大挑戰[1-2]。

目前，國內整車制造業的訂單式生產控制系統集中在總裝車間，如能從裝焊生產開始采用珍珠鏈訂單式生產控制模式，則能夠極大優化物流面積，減少漆前和漆后車身存儲立體庫容積[3-4]。

2 項目概述

焊裝車間的傳統生產無法同時有效滿足目前零部件物料和緩存區所要求的占地面積。要滿足這一生產需求，需打破傳統的排序和生產控制方法，使焊裝白車身的生產基于高效的在線排序，從而使得線體主線個性化生產成為可能，提高車間面積的使用效率。

為打造精益、智能的裝焊白車身生產系統，引入一種基于大數據分析的、智能融合現有生產系統的新型生產控制管理（Production Flow Management，PFM）系統。該系統的搭建，徹底優化了焊裝車間緩存區過大、不同車間過渡時立體庫過大、物料流控制簡單、存放區巨大、存貨數量多等粗放式控制下產生的問題[5]。如圖1所示為PFM系統搭建前、后生產模式對比。

同時，通過PFM系統，根據在線排序原理，從白車身開始采用訂單式生產模式，從而有效地協調焊裝生產和工廠的整體控制。進行在線排序的目的是使白車身生產、分總成線生產和零部件物流轉運同步可控[6]。協調工廠的整體控制，噴漆和總裝車間高效的珍珠鏈式的整車生產，將逆向反饋至PFM系統，并自動反推出焊裝車間生產的多樣性排序，指導焊裝生產交付信息的可靠性能夠達到99%，如圖2所示。

3 PFM系統的基本原理與流程

通過智能整合現有生產系統，搭建如圖3所示的PFM控制系統。

3.1 生產控制系統

3.1.1 車輛訂單控制系統

車輛訂單控制系統（Auftragssteuerung Fahrzeuge，ASF）用于創建理想的客戶訂單生產順序，其功能范圍包括生產的客戶訂單的計劃和優化、生產能力管理等。

3.1.2 生產指導和控制系統

生產指導和控制系統（Production Guidance and Control System，PLUS）是用于訂單和車身排序的中央生產控制系統。PLUS配備有客戶訂單及其預定的序列或在線序列，并通過生產訂單和車型種類控制在車間的排序。工廠通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）將生產數據（例如實際時間和質量數據）傳遞給PLUS，PLUS使用計劃數據和生產中的實際數據啟動訂單和車身的自動控制[7]。PLUS配備了控制站功能，以監視和控制生產流程，目前PLUS和PLC間的通信已進行了標準化定義。

3.1.3 物料分配系統

工廠本地零部件的物料控制系統（Automotive Supply，AmSupply）功能范圍包括零件物流控制和管理的所有必要方法，例如每日總需求計算、收貨過賬、庫存管理等，并以此為參考進行控制。系統每15 min自動計算庫存數量，確保有足夠的零部件可滿足車間下個批次的訂單生產。需求數量為實際需求數減去庫存數和正在生產訂單數的差值，如果gt;0，將通知供應商按照料框實際裝載數供貨。

3.1.4 信息分析系統

信息分析系統（Message Reporting System，MRS）用于評估生產數據，如時間、生產數量和質量數據等，并將評估實際關鍵績效指標與其目標值進行比較，最終反饋至車間進行后續優化。

3.1.5 PFM系統搭建

通過搭建PFM系統將以上4個生產控制系統進行智能融合，實現對裝焊車間的生產排序控制。

同時，原傳統焊裝車間批量生產，并建有大量線體的緩存區的粗放式控制將得到徹底解決和優化，如圖4所示為線體緩存區規劃方式的轉變[8-9]。

PFM系統的應用可極大緩解車間占地面積和設備緩存區投資。

3.2 訂單生產流程

銷售公司的客戶訂單和特殊用途訂單需求傳遞至AmSupply下屬子系統常用元器件工廠訂單管理（Common Component Plant Order Management，CC-POM）系統，CC-POM整合訂單后傳遞最終訂單至ASF系統。

ASF系統整合所有生產信息，對訂單進行合理優化排序，反饋至AmSupply進行物料準備，并通過CC-POM向PLUS系統不同位置計劃控制點發送一系列生產編號（如圖5所示PFM系統運行原理）。在白車身開始生產時，PLUS會收到開始序列，該序列還包含計劃日期和目標日期。PLUS系統內部自動配置，明確不同組件在各計劃生產控制點啟動的時間。

PLUS系統將生產數據和信息可視化直接反饋至生產控制中心，同時裝焊生產可根據MRS生成的分析報告對其關鍵績效指標（Key Performance Indicator，KPI）進行合理監控和管理。

在PFM系統下，每個總成或分總成的生產都基于已構建的排序訂單。PLUS將這種構建訂單作為技術信息（Technical Characteristic differentiation， TMU）傳輸到PLC，然后由PLC控制建造過程。根據生產計劃啟動分總成生產時，PLUS同時會根據訂單順序確定要構建的下一個訂單[10]。PLC通過構建的訂單并反饋PLUS下一個訂單可以接收和生產，過程中可以對PLC從PLUS接收的要處理的訂單數量進行參數控制。

車間需提前對所有進行質量檢查的車身和分總成進行規劃，待車身到達指定位置后自動導出，由PFM控制的裝焊生產的基本前提是，所有導出均立即報告給PLUS。質量檢查或返修完成后，車身需立即再次導入（車身需在導出后4 h之內導入，超時后對后續排序有影響），PFM系統將對其進行后續的排序控制。

3.3 焊裝生產控制中心

為應對焊裝車間日益復雜的控制系統和排序生產，需設置焊裝生產控制中心（Bodyshop Control Center，BCC），此中心將作為智慧生產的核心，全面控制焊裝車間的合理排產。中心功能歸屬焊裝車間直接管理，便于實時快捷地對線體異常進行處理和應對[11-12]。未來任何手工干預將只能從控制中心進行，考慮線體間生產的相互關系，整個過程將具備可視化管理功能。

BCC控制中心的8大職能為全面控制裝焊生產、緊急應對生產中的PLUS問題、IT的接口人、生產計劃的接口人、控制焊裝緩存區、維護珍珠鏈排產、鎖車/零件報廢等斷點管理以及對外支持技術部門和規劃部門。

3.4 生產報廢操作流程

PFM系統上線應用后，焊裝車間的報廢流程/零件數量/零件種類將更加透明，報廢成本核算將完全基于系統自動存儲和記錄，同時所有的報廢將只能由BCC進行集中控制和操作，因此對人員素質和能力有較高的要求。

具體報廢流程如下（如圖6所示）：

a.現場班組/維修報廢線體總成件需通知BCC，私自報廢將造成線體停滯和排序混亂；

b.只有當BCC操作人員在PLUS的“報廢”對話框中選擇了這個選項時，系統才會自動重新構建訂單，舊的訂單直接終止，新訂單將在PLUS內直接創建生產；

c.新生成的訂單將放置在深度凍結區之前，同時迅速反饋信息給AmSuppy；

d.新生成的訂單會收到新的序列號；

e.車輛到達報廢點后，新生成的訂單迅速啟動生產，并根據原始訂單號優先排序；

f.針對特殊和時間緊急的訂單，BCC可直接與生產控制協調，進行一定的手動優先排序。

同時需注意：

a.側圍無法單側報廢，必須報廢一對進行調序；

b.裝配完成的四門/兩蓋和白車身進行一對一綁定，便于后續進行質量追蹤，若因特殊原因需要更換，需通知BCC進行車身解綁后方可替換。

4 PFM新型物料供應-柔性庫位

傳統的焊裝車間物料規劃全部遵循2-Bin原則，確保一個料框空置后，剩余一個料框的物料可滿足線體正常運轉需要；在此過程中，待料框最后一個件被機器人取走后，空置料框將作為觸發器對物流發出叫件信號[13]。在MRA2 V253/V213和MFA2項目中所有車型都遵循此規劃模式，但多車型混線生產時，傳統2-Bin的規劃將使得車間面積越來越大，線體自動SLT工位變得更長更大，相應地需延長機器人七軸或新增機器人以滿足線體節拍，使設備投資進一步加大。

為解決這一弊端，需開發出適應PFM生產系統的新型物料供應方式。焊裝EVA2項目在以PFM為主題框架的前提下，引入3種高柔性庫位（Bin）規劃：“0，X”“1，X”“1+Y”（如圖7所示），PLC將基于訂單排序對線邊物料進行動態檢查，以便在較早階段即可確定材料需求并及時觸發物料叫件系統，物流也可依據訂單提前準備物料。其中 PLUS 可以根據要求提供任意數量的n個作業，同時在定義 PLC 從 PLUS 收到的構建訂單數量時，必須考慮物流所需的時間。

4.1 傳統2-Bin規劃原理

a.每種車型規劃2個SLT，如圖8所示下車體（Underbody， UB）線主地板自動料框上線工位；

b.上線庫位點數量為零件種類的2倍；

c.1 Bin空框切換時依然有1 Bin的緩存區可滿足生產線正常運轉；

d.不同車型的上線庫位是固定的，不可隨意切換；

e.線體規劃時需為后續繼任集成車型預留上線點。

4.2 Bin-0，X

其特點是車型上線庫位點數量比零件種類少，為了確保物料供應，需要在線內規劃一個適當大的緩存區，以便清空料框并釋放裝載庫位。因此，一旦將料框放置在裝載庫位上，就必須將其清空。有了這一概念，在緩存區中只保留生產需要的零件是非常重要的。因此，PLUS中的序列預覽功能對于確定物流后續供件要求至關重要，AmSupply在每個周期都要確定緩沖區中的現有庫存是否足以支撐PLUS序列預覽中的訂單，如果無法滿足，則會觸發訂單。為此，PLC也需要向AmSupply報告從緩存區中移除的每個零件。

同時，為確保物流交付至裝載庫位的料框零件的正確性，PLC會掃描貼在料框上的射須識別電子標簽（Radio Frequency Identification， RFID）芯片/條形碼，將信息及時反饋給AmSupply，以便其檢查物料的正確性，并向PLC提供相應的反饋。最后，庫位旁的指示燈會指示零件是否正確，如果有誤，需立即更換料框。圖9所示為焊裝EVA2 Z1 VB線“Bin-0，X”規劃實物照片。

整個規劃原則的特點歸納如下：

a.2個SLT庫位+線內緩存區，機器人將基于PFM系統訂單抓件，并在緩存區上進行排序；

b.上線庫位點lt;零件種類（最小為2）；

c.在物流更換空置SLT或線體即將清空SLT時，X緩存區可進行緩沖存放，X可滿足多車型；

d.高柔性上線庫位，不同車型上線點動態變化；

e.無需為后續繼任集成車型規劃預留上線點。

4.3 Bin-1，X

其是規劃每個零件都有一個裝載庫位（車型庫位固定），在料框上方有少量的緩存區緩存X，以便清空料框并釋放裝載庫位。一旦料框中剩余零件數量達到定義的數量X，機器人就會清空料框并將剩余零件放置到緩存區上，后續可確保物流能夠在不中斷生產線物料供應的情況下更換空料框。

物料叫件系統的觸發時間需與物流系統共同確定，物料到貨和采購時間對此都有影響。由于每個零件都只有單Bin的原則，因此PLC 首先必須向PLUS請求序列預覽，然后根據訂單信息及時反饋至AmSupply進行零件庫存的檢索和確認，PLC 在 PLUS 序列預覽中要求的訂單數（=周期）必須與物流交付新零件的時間相匹配。圖10所示為EVA2 Z1 HC線和Z3 MA線“Bin-1，X”規劃實物照片。

整個規劃原則的特點歸納如下：

a.每種車型1個SLT+緩存區（位于SLT上方），當更換空置SLT時，機器人可從緩存區抓件，保證正常生產；

b.上線庫位點數量與零件種類相等；

c.在物流更換空置SLT或線體即將清空SLT時，X 緩存區可進行緩沖存放，X僅用作單一車型；

d.車型上線庫位固定；

e.需為后續Successor集成車型規劃預留上線點。

4.4 Bin-1+Y

在Bin-1+Y原則中，裝載庫位比零件種類數多一個，同時零件裝載庫位分配是可變的（動態裝載庫位分配）；當一個料框需要交付上線時，線體總是有一個空裝載庫位。AmSupply不斷請求PLUS序列預覽并檢查零件種類和數量要求。

整個規劃原則的特點歸納如下：

a.每種車型1個SLT+1個空庫位，即先空的車型將優先占用空庫位；

b.上線庫位點數為零件種類數加1；

c.無中間緩存區；

d.高柔性上線庫位，車型上線點動態變化；

e.需為后續Successor集成車型規劃預留上線點。

5 PFM控制下物流供應方式的轉變

PFM智慧控制系統的引入，要求傳統的物流供應方式進行同步轉變。AmSuppy系統基于線邊物料交貨期/工廠物料交貨期等對訂單進行處理，確保廠內快速及時地將正確的物料送到正確的需求位置對物流是巨大挑戰[14]。綜合對比2種物流供應方式如下。

傳統焊裝物料供應方式的特點：

a.生產訂單可由生產計劃部門高柔性編排；

b.工廠內所有裝焊零件的存貨需滿足裝焊不間斷生產3天；

c.依據生產計劃和庫存，物流IPT系統每日進行自動計算和訂單下發。

PFM下的焊裝新物料供應方式的特點：

a.生產訂單深度凍結區可滿足不少于7 h需求；

b.工廠內外協的分總成零件存貨僅需滿足焊裝車間4 h生產，將大量節省廠房占地面積投資和物流存貨成本；

c.依據生產計劃和庫存，AmSupply每15 min自動計算物料數量，數量不足時訂單自動下發。

d.零件供應商將基于工廠訂單進行順序容器交付。

如圖11所示，PFM智能控制系統的引入，以及新型柔性Bin的采用，使得物流供應方式發生了巨大轉變，為焊裝車間節省了大量的工藝區域和線邊物流面積。

6 結束語

PFM的應用可節省線體設備投資，并對上件順序進行優化，可使用“1+Y”、“0，X”、“1，X”等新型上件方式，大量節省占地面積和設備投資，同時還可節省線體內緩存區數量和APC數量。

PFM和AmSupply的應用，可合理控制焊裝車間的零部件庫存數量，在庫零部件周轉時間可從3天降低為4 h，極大降低物流需求面積及相應的投資。

PFM系統在各車間的實施過程也存在著問題與挑戰，如AmSupply/PLUS/ASF/MRS等各系統需協作同步，聯動復雜，針對此過程中出現的問題，應有及時有效的解決方案和應急預案，隨著現場技術人員技能提高和IT系統的不斷完善，可得到充足的改善和優化。

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