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智能透明汽车工厂的构建与实施

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【摘要】以一个实际的智能工厂项目为依托,系统研究了智能工厂的构架和具体建设实施方法,形成了包括工厂智能设计、智能生产、智能物流、智能管理等多个方面的智能制造与汽车制造业务流程有机结合的系统体系。在此基础上,构建了数字化工厂、自动化柔性生产线、物流管理系统、智能管理中心等智能制造基础设施,制定了智能工厂的相应标准,并通过应用工业互联网、大数据等技术,实现了自动化、信息化和数字化在智能工厂体系中的融合,给出了智能透明汽车工厂具体的实施思路和体系框架。

 智能透明汽车工厂的构建与实施

杨一昕   袁兆才   皮智波   夏纬   姜潮   郭孔辉 

1.湖南大学机械与运载工程学院,长沙,410082

2.北京汽车股份有限公司株洲分公司,株洲,412007

3.西门子(中国)有限公司汽车事业部,北京,100102

    北京汽车股份有限公司株洲分公司二工厂(以下简称“株洲二工厂”)是在“中国制造2025”行动纲领提出后建设的全新工厂,工厂基于智能制造的理念进行规划设计,因是建设全新工厂,故不需额外投资对旧设备进行升级换代。企业在工厂建设的同时,成立了智能化项目组,智能化项目推进和工厂建设得到了很好的融合。【株洲分公司介绍视频】【北汽株洲数字化工厂视频】

1,智能透明工厂的构架

【智能制造升级专题视频】

株洲二工厂智能工厂项目智能制造规划的目标可以归结为:①“优质”,即在生产规划过程中应用智能检测、在线测量、工艺参数监控、关键过程追溯等技术或软件,实现产品过程质量的提升,确保产品精度、质量和可靠性;②“高效”,即通过自动化设备与数字化、信息化技术的结合,实现“人、机、物”互联和信息共享,快捷响应市场需求,实现制造效率、开发效率和管理效率的综合提升;③“绿色”,即通过采用绿色节能设备和工艺,与先进的能源管理系统、智能节能技术手段相结合,降低污染排放,实现低耗节能的目标。相对北汽株洲一工厂,本项目质量目标提升15%,生产效率目标提升20%,制造成本目标降低10%,污染排放达到国家一级排放标准。

株洲二工厂智能透明工厂的构架是基于“中国制造2025”智能制造构架体系,深度结合汽车制造的工艺、质量、物流、IT等业务流程后提出,并逐步完善确立起来的。工厂规划初期就成立了智能制造推进小组,小组的成员包括了规划、工艺、设备、IT、物流、采购、质量等各领域的专家。小组成员同时也是工厂建设的核心成员。这是智能制造能够在新工厂建设中得以快速落地的基础。

图1 智能透明工厂的整体构架理念

智能透明工厂的系统构架如图2所示。在整体构架的基础上,智能透明工厂还可细分成不同的系统构架,包括硬件系统构架、软件系统构架、业务模块构架、标准构架等。

图2 智能透明工厂的系统构架

图3 业务模块构架——智能透明工厂的元素

2,工厂数字化基础搭建

数字化是智能工厂的基础,数字化程度越高,业务之间的关联、优化越容易实现。本项目以DMES为核心,实现设计与制造的关联。通过工厂与车间数字化模型建立、产线设备模型建立,实现工厂规划、设备工艺布局数字化;通过离线编程、离线调试、机器人仿真技术缩短产线规划调试周期;通过虚拟装配、零件CAE分析、公差模拟等提高产品设计质量,缩短开发周期;通过建立产品库、工艺库、资源库,实现对产品数模、工艺设备的管理和设计,积累工艺数据,提升规划能力。

DMES系统(图4)的搭建,可以实现BOM管理、装配仿真、人机仿真、自动化调试、物流供应链优化、工艺规划、工艺文件管理、布局优化等功能,实现了设计和生产制造的互联互通,使原来的PLM、MES、ERP、SRM等系统更加紧密地联系在一起。使得信息化网络更加紧密,设计、规划、生产与现场的执行设备获得关联。

图4 DMES功能模块

3,基于功能模块的智能化系统

01,智能化系统的支撑技术

(1)工业互联网——“一网到底”系统

在自动化软件方面,我们选用的是西门子的TIA Portal(totally integrated automation)博途系统。该系统是注重用户体验的工业工程工具,其体系和功能也在不断完善与扩充中,未来会在一个平台上集成从过程控制到离散控制,从驱动到自动化,以及HMI、SCADA等与工业控制相关的所有工具。

在一网到底系统基础上,我们开发了以下应用:

   a  远程诊断技术;

   b  机器人休眠技术;

   c  一键启动技术和智能开关机技术。

(2)基于“一码到底”理念的信息识别系统

“一网到底”解决了设备的信息互联问题,产品的信息传递如何解决呢?射频识别(radio frequency identification,RFID)技术和“一码到底”系统提供了产品设计中的参数到过程制造环节产品和零部件的信息传递,使得物流管理、生产安排、设备转换能够实现自动化控制、信息互联和智能调度等,如图5所示。“一码到底”即产品或零件从制造的第一个工序到最后一个工序,其唯一对应的RFID标签可以携带和记录产品的设计、制造信息,并可以与设备控制系统、制造执行系统、物流系统、质量系统等进行互联,实现产品、制造相关信息的传递、存储和管理。

图5 RFID系统模型

02,智能化系统的业务运行

(1)制造执行维度

从制造执行维度而言,智能化系统主要包括生产计划排程模块、制造信息模块、设备管理模块、人员绩效模块和质量控制模块。这部分以MES制造执行系统为核心,建立制造业务流程信息的管理模块。

(2)工艺规划维度

   a  产品数据管理。

   b  设计变更管理。

   c  工艺设计管理。

   d  工艺管理。

(3)供应链的维度

从供应链维度而言,智能化系统包括供应商管理、内部物流管理、库存管理、成品物流管理等模块。

4,数据分析与大数据应用

  株洲二工厂的企业云平台构架如图所示,以现场终端为数据输入,中央存储数据库为信息存储整理中心,以IT系统为数据处理单元,以云桌面为应用窗口。

图6 企业云平台构架

5,结语

北汽株洲二工厂通过运用数字化工厂、大数据、云计算、互联网+和工业以太网等技术,将自动化、柔性化生产线及装备与产品开发、资源管理、制造执行、生产设备、物流、质量、能源等相关系统整合与互联。这一方面使得管理与控制更加智能化,提高了管理效率;另一方面,企业内部以及和外界的信息互联越来越紧密,信息交换也越来越方便,为企业管理经营的效率提升打下了良好的基础。

通过参与该智能制造项目,笔者有以下几点体会:①必须先制定智能制造发展的总体框架和思路;②根据自己企业的情况,不能照搬照抄,也没有可以抄的对象;③制定分阶段实施的策略,不能也不可能一步到位;④从解决企业的实际问题为出发点,如提高质量,提高效率,降低成本,不能仅考虑提高自动化和智能化水平,盲目投资。

应该指出的是,株洲二工厂已建设的智能透明工厂,在大数据分析方面还存在一些短板,需要在后续研究中弥补。可以预见,随着各方面信息与控制关联紧密度的提升,企业的各项效率指标必将进一步提升。

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