高速動車組智能工廠試驗驗證平臺建設

田 濟，趙宏軍，何 山

HE Ji, ZHAO Hong-jun, HE Shan

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著中國智能制造的蓬勃發展，智能工廠應運而生[1]。國內高速動車組產品的生產企業一般已建立或正在建立智能工廠[2]，但企業在智能工廠運行過程中并未達到預期管理效果[3]。主要表現在企業難以對智能工廠的主要環節進行有效監控和管理，運行狀態的監控和管理成為運行管理的薄弱環節[4]。為保證高速動車組智能工廠的高效運轉，制定了高速動車組智能工廠運行管理體系。

本文按照高速動車組輪對車間生產工藝流程，模擬現場生產方式，建立高速動車組智能工廠試驗驗證平臺，對生產計劃、車間調度、任務下達與執行、加工與檢測，物料配送、產品流轉進行有效管控，并進行可視化展示。建成之后可對高速動車組智能工廠運行管理體系進行驗證。

1 硬件建設

高速動車組試驗驗證平臺對輪對生產進行模擬，硬件包括六軸機器人、視覺識別攝像頭、激光刻碼機、LED顯示屏等，采用兩臺六軸機器人與環形導軌線體相結合的方式，實現自動上料、激光刻碼、視覺識別、自動裝配、自動下料、生產情況可視化展示等功能。

1.1 線體概況及布置

線體整體布局如圖1所示，主要包括三個工位：

工位一：上料與視覺測量工位

工位二：激光刻碼工位

工位三：裝配、視覺測量與下料工位

圖1 工位布局圖

1.2 產品加工流轉過程

按照工位順序，介紹產品加工流轉過程，過程涵蓋生產計劃、任務下達、加工與檢測、產品流轉、看板顯示等內容，模擬輪對生產過程中的關鍵生產要求。

工位一：上料與視覺測量工位

1）上料機構備齊滿料物料盤；

2）ERP錄入銷售訂單，將生產任務傳遞給MES，MES將生產任務下達，工位一機器人開始工作，機器人持視覺系統對上料機構托盤盤中的圓管，矩形管，底座的相關尺寸進行測量和定位，測量信息傳輸至MES系統，并在看板上面展示；

3）機器人手爪拾取工件并放置到工裝板上。

工位二：激光刻碼工位

裝有工件的工裝板由線體由工位一流轉到工位二，流轉信息傳遞到MES系統，生產進度信息以及所在工位信息在看板上展示。激光打碼機根據MES中的打碼要求在圓管和矩形管上刻蝕信息，信息包含人名、二維碼、單位名稱等。

工位三：裝配、視覺測量與下料工位

1）線體將工裝板由第二工位流轉到第三工位；

2）機器人應用視覺系統對工裝板上的物料進行識別，判斷物料類型、位置和二維碼內容是否正確，將識別信息傳輸至MES系統，并將識別結果展示在看板上；

3）機器人持手爪對工件進行抓取，依次放置到壓裝機構；

4）壓裝機構進行壓裝，壓裝的壓力等信息進行獲取展示，壓裝完成后，機器人收爪將完成品放置到成品存放區。

2 軟件建設

在試驗驗證平臺建設制造執行系統，對各加工單位進行生產計劃編制與作業調度、生產準備與作業指導、生產物料管理、生產過程可視化管理、設備管理以及生產全過程質量跟蹤與追溯。制造執行主要功能如圖2所示。

圖2 MES整體架構

2.1 作業計劃

對銷售訂單根據優先級進行排產，涵蓋計劃編制、計劃維護、計劃下達、計劃反饋、計劃變更等業務操作。最終分解可指導車間安排生產的可執行計劃。

2.2 作業調度

作用調度包括作業派工、調整、完工匯報功能，根據設備狀態和緩沖區內物料情況，實時對等物料進行智能調度，將工作任務指派到輪對生產線、工位和人員，現場人員根據任務分派進行開工、完工確認等。

2.3 生產執行

生產執行通過生產計劃指導執行，并且建立有效的反饋機制，規范車間作業，防止加工過程出現錯誤，對作業與領料相關邏輯進行控制，保證實物與信息流的一致。

2.4 生產準備

生產準備功能應對生產所需刀具、工裝夾具、圖紙、文檔、工資卡片、數控程序等資源進行定義，生產準備完成之后才進行生產，保證生產的有序開展。

2.5 作業指導

作業指導功能可以對生產制造工藝進行有效指導，例如通過作業指導書或者工位機屏幕指導工位人員操作流程，方便工位人員進行操作并且提高操作的規范性。

2.6 物料管理

物料管理功能按照生產作業計劃生成相應的物料配送計劃，對物料的出庫，工位配送，交接等過程進行管理，保證與生產作業配套的物料供應，保證整個生產過程協調有序開展。

2.7 現場監控

現場監控可以實現對生產過程的管理要求、流程作業進行監控、提醒、預警。并且對車間生產進度、設備狀態、人員工時等信息進行可視化展示。

2.8 設備管理

設備管理對車間生產制造設備、工裝的運行、維護狀態的管理?？蓪崟r對智能裝備的數據采集與管理，對設備運行全過程記錄分析，并可以對設備進行動態預警。

2.9 質量管理

質量管理包括質檢基礎數據、質檢流程、質檢結果管理等功能。通過加工數據統計分析，以質量最優為目標，分析生產過程工藝參數，保證產品一致性與穩定性。

2.10 效能分析

效能分析管理可預置和定義KPI考核指標計算與統計，如產品制造周期、計劃完成率、在制品周轉率，支持完整的車間、設備、人員工時等分類統計功能，可以輔助車間考核與績效的管理。

3 數據采集與系統集成

3.1 數據采集

試驗驗證平臺數據采集，主要關注環境數據、設備數據以及工況數據。數據的采集的方式主要使用條碼、RFID設備、傳感設備、加工設備聯網等。數據傳輸方式包括有線傳輸以及無線傳輸，無線傳輸方式包括Wifi、藍牙、ZigBee等。

1）環境數據采集

環境數據主要包含制造過程的溫度、濕度、電磁等信息，這些數據通過傳感器的進行采集。傳感器通過車間工業以太網與數據服務器相連，將制造過程環境數據實時采集并上傳，實時監控車間制造過程環境因素。

2）設備數據采集

設備數據主要采集機床開停狀態、機床上零件的加工狀態信息、加工開始時間和結束時間等設備狀態等信息。

按照通信接口的有無和類型，數控機床分為無通訊接口、串行口和網口數控機床三類。無通訊接口的數控機床不能與車間以太網直接連接進行通信，使用數據采集器與機床PLC模塊相連接，實現機床數據采集；串口數控機床自身帶有串口輸出模塊，通過戶宏指令的方法，使用軟件進行數據采集；具有網口的數控機床應用最廣泛，它可以直接通過網線進行通訊，并且可以采集到比較多的設備運行數據。

3）工況數據采集

生產過程涉及了人員、物料、工單、進度、質量等的工況數據，因為采集對象的不同，并且需要掌握的對象的信息有差異，所以對不同的采集對象數據采集方式有所不同。采用工位機PC端輸入、RFID、條碼技術、手持終端等方式進行采集。

3.2 系統集成

圖3 系統集成

為保證數據流、業務流的暢通，實現試驗驗證平臺各個系統間的無縫銜接，系統集成至關重要，其中主要涉及MES與ERP系統、PDM系統與QMS系統等系統間集成。

1）MES系統與ERP系統的集成

ERP系統主要進行企業經營管理，MES主要進行車間生產管理，ERP是MES的上層信息系統。項目信息、生產訂單等數據需從ERP系統自上而下傳遞到MES系統，生產執行之后，MES系統將生產任務執行進度、工時和物料消耗需要自下而上再反饋給ERP系統。

2）MES系統與PDM系統集成

PDM系統管理著企業的產品數據，PDM系統會輸出一個完整的物料數據、制造BOM的信息，傳遞給ERP與MES等相關系統。

MES從PDM系統中獲取的信息可以分為結構化與非結構化的信息兩種，結構化信息是指物料數據、制造BOM中的工序、工步、工裝等信息，非結構化信息是指三維模型、工藝卡片、作業指導書、檢驗指導書等信息。

3）MES系統與QMS系統集成

MES系統的數據采集模塊負責車間現場作業數據的采集工作，其中也包含質量相關數據的采集工作。MES從質量管理系統中接收質檢標準、缺陷代碼、質量事件判定結果、緊急/例外放行停止點等信息，同時，MES將質檢結果、質量事件、裝配履歷等信息傳遞給質量系統。

4）MES系統與DNC/SCADA系統集成

MES將程序指令傳遞給DNC，DNC系統向產線加工中心下達程序指令，SCADA系統采集設備運行數據，傳遞給MES系統。

5）MES系統與HR系統集成

MES與HR系統集成，從HR系統中獲取人員、組織架構等信息；人力資源系統從MES系統中獲取車間作業人員的實動工時、工作完成狀態等信息。

4 結語

通過建立高速動車組智能工廠試驗驗證平臺，可以對企業排產管理、制造執行管理、質量管理、現場監控管理、設備管理、數據采集等智能工廠運行管理的核心業務環節進行功能完整性、系統集成和可視化的試驗驗證，并可作為運行管理的展示和推廣平臺，對企業進行智能工廠的搭建提供一定的借鑒意義。