復興號中國標準動車組制動控制裝置氣控模塊智能柔性生產線的研究與應用*

孫廣合

（中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081）

在我國智能制造不斷深入推進的大背景下，制造業生產過程的數字化、網絡化、智能化水平全面提升，隨著新技術、新裝備快速發展，催生出一大批新應用、新業態和新模式，驅動了制造業的優化升級［1-2］。軌道交通裝備制造過程具有多品種、小批量、質量要求高等特點，應用智能柔性裝備提升生產系統的生產效率和生產質量成為一種可行的解決方案，行業內的相關企業也進行了一定程度的探索和應用，如株洲時代的IGBT無人化產線，中車浦鎮的自動化物流系統等［3］都取得了良好的應用效果。智能柔性裝備在軌道交通行業的生產制造過程中已經取得了一定的應用成果。

因此，為提高復興號動車組制動控制裝置氣控模塊生產效率及產品質量，文中結合我國先進智能柔性裝備的設計應用經驗，對復興號動車組制動控制裝置氣控模塊智能柔性生產線進行研究與應用，旨在提升系統生產效率和生產質量。

1 智能柔性生產線方案研究

1.1 生產現狀分析

由于復興號中國標準動車組制動控制裝置氣控模塊多品種、小批量的生產特性，目前其生產過程具有以下特性：作業人員無固定作業位置；作業人員無固定作業內容；組裝作業無統一作業節拍。

這樣的生產模式存在以下問題：

（1）各作業人員工作負荷不均衡，生產節拍模糊，生產無節奏感，呈現松懈和散漫，OPE低下，造成了大量的工時浪費，生產效率低。

（2）各模塊生產工作臺、工作人員不固定，現場無法進行“三定5S”管理。

（3）各作業環節標準化程度低，產品制程質量監控較為困難，無有效防錯手段，存在出現質量問題大規模爆發的風險，產品質量無法保障。

1.2 生產模式研究

針對以上生產問題，需要改變目前的生產模式，對生產流程、生產裝備、生產組織方式進行優化，進而改善生產系統的效能。根據精益生產線流程導向、拉動系統、零缺陷、靈活性、消除浪費的生產原則，并結合制動控制裝置氣路模塊的產品特性，選擇多品種單件流混線生產模式［4］進行生產，該模式的具體優勢如下：

（1）生產周期短：單件流生產采取分工原則，根據節拍和生產工時得知完成產量所需總周期，根據目標差異靈活應對，保障及時交貨。

（2）在制品少：單件流生產是連續流動生產，突出特點是在制品得以極大壓縮。

（3）場地占用少：單件流生產極大的削減了在制品，工廠空間得以釋放。

（4）靈活性大，柔性高：單件流生產方式，企業在制品總量極少，原材料的投入短周期內就轉化為成品，對于客戶需求變化的應對能力明顯提高，對于不同產品品種轉換的時間大幅削減。

（5）避免批量質量缺陷：由于是單件產品流轉，發現質量問題可及時叫停生產。

1.3 基于模特排時法的產線節拍及工位劃分研究

1.3.1 標準工時計算

標準工時是產線節拍計算及工位劃分的基礎。對于產線生產的7個類型產品，利用國際通用模特排時法結合秒表法進行標準工時計算。

（1）現場實測工時統計：通過對現場作業過程的實時記錄，根據標準工時作業范疇的定義，將其中非作業工時的部分除去，得到現場實測工時

OT。

（2）現場人員作業水平的評定：選取現場作業過程中幾個標準化程度較高的動作，實測其作業時間為T11、T12、T13……；利用模特工時計算方法，計算這幾個作業動作的模特工時為MOD11、MOD12、MOD13……，通過模特工時與實測工時比，確定評比系數η計算公式為式（1）：

η=（MOD11+MOD12+MOD13+……）/（T11+T12+T13+……） （1）

（3）確定寬放系數：考慮操作者個人需要和各種不可避免的延遲因素所耽誤的時間，正常工時需要考慮一定的寬放系數，標準工時計算公式為式（2）：

1.3.2 生產線節拍計算及工位劃分

在計算產線節拍之前需要確定客戶節拍時間Customer Takt（簡 稱：TT），計 算 公 式 為 式（3）～式（5）：

規定每月有效生產時間為26天×8小時，根據式（3）～式（5）計算OEE為85%，則得出，

客戶節拍TT=499.2（min）

以目標節拍計算操作人員數為式（6）：

根據標準工時計算出的總操作時間OT，再根據式（6）得出操作人員數為3人。

故生產線需要最少設計3個工位。

1.4 數字化精益裝配管控系統研究

由于生產線為多品種單件流混線生產，需結合工藝可視化、工具監控系統、物料防錯系統、智能擰緊系統、RFID射頻識別系統等智能裝備和系統，來確保生產過程中的智能化及柔性化。

建立的數字化精益管控系統如圖1所示。

圖1 數字化精益管控系統

（1）虛擬化資源和可重構配置：對產線運行所需的人、機、料、法、環等資源進行虛擬化。資源可根據生產工藝及生產過程管控要求，建立面向主工藝路線（工序集）的資源可重構配置模型，實現多種類產品智能柔性化生產。

（2）匹配式推送和目視化管理：加載與實時工況相匹配的基礎數據及知識規則并推送到數字化作業終端；通過文字、圖片、顏色等方式，實現目視化管理和在線作業指導，提高作業標準化。

（3）自動化防錯和透明化跟蹤：通過數字化精益工作臺上所部署的物理防錯裝置及管控系統實現產品作業過程中的生產防錯和異常報警；基于實時采集的生產數據，支撐生產過程的透明化跟蹤，對產品進行有效的制程控制，提高產品質量。

2 智能柔性生產線設計

2.1 生產線機械結構設計

（1）線體工位及關鍵尺寸設計

根據前文1.2及1.3所述，產線設計3個操作工位，線體整體結構如圖2所示，根據最大的模塊A的尺寸大小及其所需物料盒的尺寸大小，確定工件組裝托盤尺寸為400 mm×640 mm，物料托盤尺寸為400 mm×320 mm，則組裝線及物料線的線體輸送寬度為400 mm，各線體總寬度≤450 mm。

圖2 線體整體結構示意圖

生產模式采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，考慮到人機工程學中關于操作人員雙手活動范圍的定義，單工位長度設計為1 900 mm。

由于組合托盤的特殊結構，結合人機工程學中最適宜操作人員作業的高度，設計線體高度為1 140 mm（地面到托盤下表面），且地腳采用高度可調方式，調節高度為±30 mm［5］。

（2）線體運輸方向設計

由于采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，以利右手作業人員的作業習慣為基準將物料托盤放置于組裝托盤的右側，則工位間的運轉方向為從右向左運行。

（3）線體組成結構設計

生產線由物料線及組裝線2條雙層自動輸送線并列構成，線體兩端各設置雙通道提升機，使物料托盤及組裝托盤能夠實現各自封閉循環，同時，物料托盤通過橫架在組裝線與物料線上的橫移機構實現物料流轉。

2.2 生產線物流布局設計

物流配送應遵循以下原則：

（1）物流路線應避免交叉、反復等狀況。

（2）物流路線應盡量設計為一個流，從而減少搬運距離，達到提高生產效率、降低物流成本的目的。

（3）配送位置應該明確清晰。

（4）配送位置物流狀況可視化。

遵循以上原則，生產線物流路線設計如圖3所示。

圖3 生產線物流路線示意圖

該設計整體物流路線清晰，搬運距離較短，且庫房人員在送料的過程中，可以同時從成品緩存區向庫房運送成品，去程回程均為增值運送過程。

2.3 數字化精益裝配管控系統設計

2.3.1 基于PLC系統的硬件架構

以“一個中央單元、分散控制”的概念［6］構建PLC系統控制架構。在線體中設置一個PLC作為中央控制單元，負責系統的總體控制，采取分散控制的方式，利用上位機和控制器等對產線內各個工位和關鍵設備進行控制。根據生產線功能設計，將PLC控制系統劃分為3個層級：執行層級、中央控制層級、上位控制層級，如圖4所示。

圖4 生產線硬件架構圖

（1）執行層級主要是各類功能部件根據PLC控制單元指令進行動作，并實時進行數據交互。按照通訊協議的不同，主要分為3類：PROFIBUS連接（主要包括RFID系統）、PROFINET連接（主要包括智能擰緊系統）、ETHERNET連接（主要包括掃碼系統及各工位可視化系統）。

（2）中央控制層級主要由以太網交換機、PLC控制單元構成。以太網交換機接收各個通訊協議傳來的數據，經過轉化，傳輸給PLC進行數據處理、控制等工作；PLC指令及下發數據經由路由器轉化下發至各執行層級部件；PLC控制單元主要實現線體控制、數據處理等功能。

（3）上位控制層級主要由上位機服務器構成。上位機服務器接收由路由器發送來的各類數據，然后進行匯總，并通過路由器向中央控制層級下達指令及下發相關生產數據。同時，上位控制層級與公司級網絡連接，實現生產訂單下發、配置管理、報工、生產狀態實時監控等功能。

2.3.2 PC上位系統架構

生產線PC上位系統分為主服務器控制軟件和工作站顯示軟件2部分。軟件通過OPC SERVER軟件讀寫PLC內部數據，獲取PLC控制設備的工作狀態、生產數據、條碼，并保存在數據庫中。上位系統工作流程圖如圖5所示。

圖5 上位系統工作流程圖

（1）工作站顯示軟件

工作站顯示軟件主要為操作人員提供以下幾方面可視化信息：①操作人員信息（包括操作人員工號、照片等）；②當前工件信息（當前工件的名稱、序列號、組裝托盤號等基本內容）；③當前工件所屬的訂單信息（包括訂單號、訂單數量、已完成數量等內容）；④可視化工藝顯示（系統根據工件讀取到的工件信息，自動將對應的工藝步驟及組裝示意圖下發至對應工位）；⑤裝配過程關鍵信息顯示（組裝過程中通過掃碼獲取的關鍵部件二維碼信息及通過電動擰緊槍獲取的部件擰緊信息會顯示在“條碼扭矩追溯”信息欄，以便操作人員查看）。

（2）主服務器控制軟件

主服務器上的控制軟件主要包括以下幾個功能：各工位信息監控、工藝設置、生產計劃設置、生產歷史數據查詢、生產統計信息查詢、生產日志信息查詢、系統報表查詢等，操作者可以通過該界面監控各個工站的加工狀態。

3 產線運營效果分析

結合生產模式設計和生產線設計方案對復興號動車組制動控制裝置模塊分裝生產線進行實施和應用，其實時運行場景如圖6所示。

圖6 復興號動車組制動控制裝置模塊分裝生產線

（1）生產效率提升

由于生產過程中存在各類損失，導致每日實際產能與理論產能存在差別，隨機選取產能爬坡階段的實際產能進行分析，產能爬坡過程如圖7所示。

圖7 生產線產能爬坡示意圖

從產能提升的過程來看，實際產能比計劃產能提升慢，但理論產能比計劃產能提升快，說明生產過程中的各種損失影響了產能的提升，就單位時間產能而言，能夠達到理想效果。產線產能提升效果見表1。

表1 產線產能提升效果表

（2）產品質量提升

通過工裝自動化改造和作業標準化設計，尤其是配備了數字化精益裝配管控系統，使得生產過程具備了完善的防呆防錯手段，實現產品制程信息實時監控，大大減少了人工出錯的概率，提高了產品的質量。

4 結論

文中針對復興號中國標準動車組制動控制裝置氣控模塊生產存在問題及產品特性，結合當前我國智能柔性生產線的應用經驗，進行了適用于復興號中國標準動車組制動控制裝置各類型氣控模塊生產的智能柔性生產線的方案研究及設計，并進行了生產應用驗證。

通過上述智能柔性生產線的應用，復興號動車組制動控制裝置氣控模塊生產過程發生以下改變：

（1）生產效率有了顯著的提升，實現了以流程為導向的單件流生產，作業人員可減少2人，人均生產效率提高104%以上；同時，緊湊的工位設計，使得生產面積節省50%以上。

（2）作業標準化程度大大提高，防呆防錯功能進一步完善；產品制程可實時監控，生產制程數據采集率高，追溯性強，產品質量得到有效提升。