中國汽車行業(yè)標桿數(shù)字化車間——風神襄陽汽車有限公司沖壓車間

　　原創(chuàng)：汽車智能制造技術

　　風神襄陽汽車有限公司（東風日產襄陽工廠）是總公司布局中高端車型的質量標桿工廠，是雷諾日產三菱全球聯(lián)盟工廠中，唯一家生產雙品牌（NISSAN&英菲尼迪）和雙平臺（NISSAN品牌D平臺&C平臺）共線生產的工廠。襄陽工廠中心產線始終保持著高柔性化的制造水平，現(xiàn)階段共有5種車型多重配置的產品在同一產線混流生產。工廠沖壓車間車間始建于1996年，初始為東風汽車股份公司沖壓車間生產輕型卡車，與2003年與日產合資后通過線體改造實現(xiàn)轎車生產；沖壓科占地27000平方米，其中物流庫9216平方米，生產線體17784平方米，現(xiàn)場是由兩條中速線、一條高速線、一臺離線清洗機、翻轉機，共計15臺主要設備組成。高速線是2013年建成，是全球第一條V型機械臂搬送系統(tǒng)的高速線，設備的最大噸位是2400噸，自帶清洗機功能，主要生產車身外覆蓋件，每分鐘生產12.6件，每小時最高585件，雙班制運行。目前共生產5個車型，共計78個部品，104個零件，315套模具，具備25萬輛的產能。

　?。?）數(shù)字化沖壓車間建設概述

　　隨著中國制造2025行動綱領的提出，襄陽工廠也正逐步向自動化、信息化、智能化方向發(fā)展，正在力求升級成為的綠色化、智能化工廠。沖壓工藝作為整車生產的第一道工序，在襄陽工廠的智能制造建設進程中，數(shù)字化沖壓車間的被作為整體數(shù)字化制造升級之路的關鍵一步，數(shù)字化沖壓車間的整體規(guī)劃，圍繞沖壓件產品的質量管控、車間核心設備智能管理、APS生產計劃智慧調度、智慧能源管理、班組賬票管理等方面，對沖壓車間的生產管理體系、質量保證體系，制造執(zhí)行系統(tǒng)，物流配送規(guī)劃系統(tǒng)等做了全方位的升級改造建設，目前已完成數(shù)字化沖壓車間80%以上的項目建設，共獲得直接經濟收近350萬元。

　　Part.02

　　總體架構

　　襄陽數(shù)字化沖壓車間是在原有的高自動化率車間的基礎上改建而來，擁有較好的自動化基礎，車間管理基礎，但在數(shù)據采集、系統(tǒng)集成、大數(shù)據分析等方面存在較大的改善空間，針對這些待升級改造的模塊，工廠設計了數(shù)字化沖壓車間總體建設方案，共分為四層：數(shù)據采集層、靜態(tài)應用集成層、系統(tǒng)集成層、智能運營層。

　　其中數(shù)據采集層主要包括設備數(shù)據采集、倉儲數(shù)據采集、人員數(shù)據采集、環(huán)境參數(shù)采集、工藝品質數(shù)據采集、制造過程數(shù)據采集7大模塊。設備數(shù)據采集模塊主要針對壓機設備、分揀設備，關鍵軸承等實現(xiàn)生產過程的設備運行參數(shù)采集，并通過對壓機設備的運行參數(shù)進行監(jiān)控，保證高品質的沖壓件下線，同事在壓機分揀設備的關鍵軸承部署了震動、溫度等參數(shù)傳感，用于提前預知設備故障，降低壓機設備的長停風險。倉儲數(shù)據采集主要包括原材料板材數(shù)據采集以及成品沖壓件數(shù)據采集兩大部分，其中板材數(shù)據采集主要依靠掃描打刻在板材上二維碼完成采集，通過原材料數(shù)據系統(tǒng)，可實時獲得板材的批次信息、工藝參數(shù)信息等。而沖壓件的數(shù)據采集通過掃描存放沖壓件容器的RFID卡片即可獲取。與此同時出于在品質、安全、綠色方面的考慮，在沖壓車間還部署了空氣環(huán)境檢測、溫度監(jiān)控、噪聲監(jiān)控等環(huán)境檢測設備，實時檢測車間內部的各項環(huán)境指標。數(shù)據采集層的各個數(shù)據采集模塊均部署在統(tǒng)一的數(shù)據庫服務平臺，保證了數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性、統(tǒng)一性及有效性。

　　在數(shù)據采集層的基礎上數(shù)字化沖壓車間完成了沖壓制造全流程的靜態(tài)應用的開發(fā)，主要包括APS生產計劃排程系統(tǒng)、板材管理系統(tǒng)、執(zhí)行制造系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、品質管理系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、工藝信息管理系統(tǒng)等。通過APS生產計劃排程系統(tǒng)代替原有計劃員依靠經驗的手動計劃調整，系統(tǒng)可將限制排產的各類因素設置為排產約束條件，通過排產算法輸出最優(yōu)排產結果。在APS的下游系統(tǒng)也會接收排產數(shù)據，并依據生產計劃的調度，自動匹配生產工藝參數(shù)、品質檢測點位信息、設備換模計劃等生產聯(lián)動數(shù)據。

　　在靜態(tài)應用的基礎之上，通過數(shù)據的采集積累一定量的歷史數(shù)據后，建立了數(shù)字化沖壓車間的系統(tǒng)集成層，主要包括，設備預知管理模塊、能源環(huán)境數(shù)字化模塊、品質管理模塊、制造執(zhí)行管理模塊。系統(tǒng)集成模塊均需在大數(shù)據分析的基礎上對對應管控指標做出對應反饋。以設備預知管理模塊為例，通過對壓機關鍵軸承的運行參數(shù)進行一段時間的數(shù)據采集，累計震動、溫度等參數(shù)的置信區(qū)間范圍后，當監(jiān)控到軸承在線的監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常，則可對應分析出設備存在的故障停工風險。

　　最上層為智能運營層，主要包含兩大部分：智能運營中心、數(shù)字孿生車間。通過智能運營中心的建立，可將沖壓車間生產過程中實時采集的各類生產數(shù)據通過設定算法輸出為品質、成本、交期、效率、安全、士氣等領域的管控KPI，為車間管理者、監(jiān)督者更高效的、更快速的了解車間的實際運行狀態(tài)。而數(shù)字孿生車間則是通過沖壓整線數(shù)字化仿真平臺的建立，在虛擬的系統(tǒng)中完成模具調試、端拾器軌跡調試、機械手軌跡節(jié)拍優(yōu)化等工藝仿真調試。通過數(shù)字化沖壓車間的智能運營層可實現(xiàn)生產過程及工藝調試過程的透明化。

　　Part.03

　　建設方案

　　依據數(shù)字化沖壓車間總體架構的規(guī)劃建設，本章節(jié)將對沖壓車間APS高級排產系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、設備趨勢化預知管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、RFID智能倉儲管理平臺、沖壓板材管理平臺、沖壓品質管控系統(tǒng)TQMP、沖壓智能安全管理系統(tǒng)等主要功能模塊的建設方案進行介紹。

　　（1）APS高級排產系統(tǒng)

　　原有的沖壓科生產計劃管理由計劃員通過維護原材料系統(tǒng)沖壓生產管理模塊計算生成，并結合實際情況，依據經驗進行手工編制和調整。受影響沖壓排產的因素眾多，復雜程度高，現(xiàn)有系統(tǒng)模塊運算邏輯較為單一，無法全面考慮龐大的約束條件，難以實現(xiàn)最佳排產。同時沖壓生產計劃需計劃員手工調整，耗費工時，且受限于計劃員的經驗和水平，有較大提升空間。通過數(shù)字化應用，集成生產計劃管理APS系統(tǒng)，實現(xiàn)焊裝工程車輛需求、備件需求等生產計劃的自動排產管理；提高復雜生產計劃的作成能力，實現(xiàn)多目標排產，從而實現(xiàn)降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。

　?。?）板材到貨智能管理系統(tǒng)

　　沖壓的材料由外委開卷加工，在材料到貨管理中，由于信息的不能及時發(fā)送和生產計劃的變動，不能及時進行配送，異常后調整毛坯需求計劃信息傳遞鏈較多，造成信息滯后，并能快速對應和保證生產計劃；對此通過聯(lián)合供應商，以網絡信息的快速傳遞為依托，通過DPS系統(tǒng)精準配送系統(tǒng)（Distribution Precision System）,通過PC、移動終端及物聯(lián)網手段，積極響應客戶需求，智能組織生產，實現(xiàn)全程精準服務，持續(xù)提升在庫高效管理。的構建和應用，實施生產材料的信息實時共享，毛坯料的實時供給，最終實現(xiàn)到貨的智能化精準配送，人工業(yè)務智能化和在庫管理的精準管理；DPS正是通過以用戶最終的到貨需求為目標，倒逼整個供應鏈流程的協(xié)同，實現(xiàn)快速的響應需求，并且通過自動化的手段，最大限度的消除冗余的業(yè)務環(huán)節(jié)。

　?。?）沖壓設備管理系統(tǒng)

　　目前車間建設了如下的沖壓設備及其管理系統(tǒng)：

　　沖壓二線：5臺壓機使用西門子S7-300 PLC控制器，設備現(xiàn)場使用Profibus總線控制，5臺壓機、8臺拆跺與搬送機器人通過PROFINET連接到S7-300控制器，使用研華上位機；

　　沖壓三線：4臺壓機及DF使用三菱Q PLC控制線，設備現(xiàn)場使用CCLINK連接；伺服氣墊使用FUJI控制NPIS控制器，通過ESX-BUS連接現(xiàn)場設備及丁字架伺服電機控制及主電機；5套搬送裝置使用PSC700控制器，通過PSC Network、Computer Link、SYNCHRO Network、SERCOS等網絡完成現(xiàn)場設備及多軸VZ7000伺服同步控制；上位機為三菱多CPU系統(tǒng)，通過CCLINK IE與壓機、DF相連；通過CCLINK IE與瑞恩系統(tǒng)相連；通過FL-NET與FUJI系統(tǒng)相連。

　　沖壓五線：4臺壓機及DF使用三菱Q PLC控制線，設備現(xiàn)場使用CCLINK連接；上位機為三菱Q PLC，通過MELSEC H網與4臺壓機、DF相連；5臺搬送機器人作為上位主控三菱Q PLC的CCLINK子站鏈接。

　　（4）關鍵設備趨勢化預知管理系統(tǒng)

　?、贈_壓電機在線監(jiān)測系統(tǒng)：系統(tǒng)結合無線網絡傳感器和網絡技術組成的一套無線振動預警監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由前端無線傳感器節(jié)點，數(shù)據轉發(fā)網關和監(jiān)控主電機成。無線傳感器節(jié)點與數(shù)據網關間通過無線方式進行通訊，數(shù)據網關與監(jiān)控主機之間通過無線或有線方式連接。監(jiān)控主機安裝有監(jiān)控軟件，可以對本無線傳感器網絡內數(shù)據進行顯示、存儲，對設備進行監(jiān)控。

　　目前,沖壓車間已有包括三條主線關鍵電機在內的40臺設備納入了電機在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了沖壓電機設備的實時在線自動監(jiān)測，檢測各電機設備關鍵點的震動、溫度等各項參數(shù)，并將所有數(shù)據信息上傳至電腦顯示、存儲，便于匯總分析。另外，還能根據現(xiàn)場情況設定報警值，當檢測到的各項數(shù)值越限時，發(fā)出報警并主動記錄報警信息，實時監(jiān)測設備狀態(tài)，實用、方便、快捷。

　　②沖壓軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)：沖壓有3條生產線，共13臺壓機，每臺壓機關鍵部位軸承有10處。主線壓機軸承傳統(tǒng)的點檢方式是依靠人工聽+溫度檢測裝置，齒輪箱軸承目前只有3線有預埋，2線和5線通過定檢查看。劣化發(fā)現(xiàn)度較低。

　　沖壓軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)目前已覆蓋三條主線的32個軸承測量點，測量儀器采用的是脈沖雙T傳感器，一個傳感器同時擁有兩個技術-滾動軸承特有傳感器和振動加速度傳感器的功能。也就是說一個測點同時具有滾動軸承分析技術和機械振動測試技術，全覆蓋軸承齒輪箱同步給出軸承潤滑狀態(tài)值和齒輪狀態(tài)圖，接收和分析軸承運行過程中的震動頻率，實現(xiàn)長期趨勢監(jiān)控；

　　設備狀態(tài)數(shù)據分析系統(tǒng)通過上位機，可以采集到現(xiàn)場設備的大部分設備狀態(tài)數(shù)據，進行故障停機管理：設備長時間停止故障、小停工、OEE統(tǒng)計。故障管理，設備異常發(fā)生時，能第一時間提示報警信息，幫助快速鎖定故障原因和發(fā)生部位，有效減少故障排查時間。設備狀態(tài)指示，車間工作人員可通過狀態(tài)指示頁面直接查看當前設備的運行狀態(tài)。

　?。?）沖壓數(shù)字化安防系統(tǒng)

　　沖壓車間目前具備兩大智能安全管理系統(tǒng)，一是智能安防監(jiān)控系統(tǒng)，智能安防監(jiān)控實現(xiàn)車間全覆蓋，各車間入口，重點作業(yè)場所，重點設備，實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控，異常情況第一時間被發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)可追溯；二是智能安全頭盔系統(tǒng)，智能頭盔采用先進的3D打印技術，可以根據個人頭部外形和不同配置的模塊來調整頭盔外型，該頭盔可以進行作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測，如視覺檢測識別、標準動作監(jiān)測、異常信息上傳；可以進行人員安全狀態(tài)監(jiān)測，如人員定位、健康監(jiān)測預警、電子圍欄預警；還可以實現(xiàn)環(huán)境安全狀態(tài)監(jiān)測，如環(huán)境濕度檢測、噪音監(jiān)測、有毒氣體檢測、夜視/LED補光；智能頭盔與數(shù)據管理平臺一體化設計；智能安全管理體系的應用，極大的提高了車間安全管理能力，實現(xiàn)主動預防安全。

　?。?）RFID智能倉儲管理平臺

　　基于RFID技術的LES管理系統(tǒng)，在沖壓車間的導入，實現(xiàn)沖壓車間倉庫信息、計劃達成情況、零件良品率信息的實時反饋。

　　通過在料架上固定RFID芯片，實現(xiàn)數(shù)據的自動采集，能夠實時掌握零件的出入庫狀態(tài)，并運用先進的視覺檢測技術，解決了料架進出方向的問題，提高了數(shù)據的準確度。導入沖壓車間的生產計劃，能夠實時比對計劃與實際的達成情況并預警；不良品進入指定區(qū)域，通過數(shù)據采集，能夠實時顯示不良品的實際情況。

　?。?）沖壓TQMP品質保證系統(tǒng)

　　質量信息管理平臺（簡稱TQMP），主要提供給工廠制程使用，業(yè)務范圍主要包括不良缺陷快速錄入，車輛不良100%在線記錄，返修車輛管理，要因系數(shù)趨勢預警管理、改善跟蹤電子化管理、報表自動生成、不良品情實時反饋。

　　TQMP系統(tǒng)功能圖示

　　不良缺陷快速錄入

　　制程問題點采用線上即時錄入的方式，保證問題錄入的及時性。標準化缺陷描述，選擇車型、零件、位置、不良描述、等級，點擊提交完成錄入，保證問題錄入的準確性。

　　缺陷信息實時反饋機制

　　品質報表自動生成

　　車輛返修、追溯與鎖定管理

　　QIC管理改善系統(tǒng)

　　Part.04

　　技術難點與創(chuàng)新點

　　在數(shù)字化沖壓車間的建設過程中，最核心的創(chuàng)新點是關鍵設備趨勢化預知管理系統(tǒng)，主要指沖壓電機在線監(jiān)測系統(tǒng)與沖壓軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

　　沖壓電機在線監(jiān)測系統(tǒng)：采用先進成熟的無線網絡技術，采集模塊無線傳輸數(shù)據，測量節(jié)點通過無線網關輕松實現(xiàn)傳輸，功耗極低，安全可靠。擴展性強。采用分層分布式架構，用戶可根據實際情況，靈活增減監(jiān)測點，簡單實用，改造和維護起來方便快捷。低成本高效率。在線預警系統(tǒng)對于機械的正常運行非常必要，既要保障機器安全可靠的長期運行，同時又要對相關設備的有害影響減至最小。本系統(tǒng)大大降低設備狀態(tài)監(jiān)測維護的成本。

　　沖壓軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)：雙T傳感器是一個全新技術，一個傳感器同時擁有兩個技術-滾動軸承特有傳感器和振動加速度傳感器的功能;傳感器內部采用創(chuàng)新隔離技術，確保傳感器優(yōu)良絕緣性能和抗射頻干擾能力。

　　Part.05

　　解決的重大問題

　　在襄陽數(shù)字化沖壓車間的建設過程中，解決的行業(yè)及企業(yè)的重要問題是如何進行最優(yōu)的沖壓生產計劃排產。

　　原有的沖壓生產計劃由計劃員通過維護MLS原材料系統(tǒng)沖壓生產管理模塊計算生成，并結合實際情況，依據經驗進行手工調整。影響沖壓排產的因素眾多，復雜程度高，現(xiàn)有系統(tǒng)模塊運算邏輯較為單一，無法全面考慮龐大的約束條件，難以實現(xiàn)最佳排產。沖壓生產計劃需計劃員手工調整，耗費工時，且受限于計劃員的經驗和水平，有較大提升空間。

　　而襄陽工廠沖壓車間導入的APS排產系統(tǒng)是通過SCMP（智能供應鏈協(xié)同平臺）對工廠VMD（車輛主數(shù)據）借助工管系統(tǒng)（車輛現(xiàn)場管理）、CATS系統(tǒng)(生產管理系統(tǒng))、PCM（包裝容器管理系統(tǒng)）、MLS（材料管理系統(tǒng)）、進行聯(lián)合的一種智能排產。通過對基礎數(shù)據設置(零件信息、模具信息、料架信息等)、生產線、工作模式等信息進行集中統(tǒng)計，結合BOM信息、三發(fā)滾動計劃，展開三發(fā)需求/焊裝ACT計劃，展開焊裝需求。完成沖壓生產排產體制、計劃需求預算，結合實際業(yè)務進行沖壓計劃的調整后更新時間、谷物料等信息，并通過接口發(fā)送給沖壓工作臺和MLS系統(tǒng)。提高復雜生產計劃的作成能力，實現(xiàn)多目標排產，從而實現(xiàn)降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。

　　Part.06

　　實施效果及效益分析

　　數(shù)字化沖壓車間項目落地實施后，在質量、成本、交期、效率、安全等領域均取得了較好的收益，其中APS高級排產系統(tǒng)的導入提高了沖壓車間復雜生產計劃的作成能力，實現(xiàn)多目標排產，從而實現(xiàn)降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。降低沖壓件庫存，減少倉庫及沖壓容器投資，降低零件資金占用。通過對沖壓生產的預實對比分析，提升沖壓的計劃準守率。其中最直接的收益體現(xiàn)在提高現(xiàn)有人力開動率，分階段逐步減少現(xiàn)場作業(yè)人力，2018年-2020年工實現(xiàn)人力遞減23人次，獲得直接經濟收益近350萬元。

　　Part.07

　　下一步進行智能化改造提升的計劃和思路

　　現(xiàn)階段襄陽工廠數(shù)字化沖壓車間，在國內乘用車主機廠處于較為領先的位置。襄陽數(shù)字化沖壓車間的建設屬于老工廠的數(shù)字化升級改造，在2018-2020，的三年時間中完成了自動化率提升、信息化改造、數(shù)字化升級的三步建設方案，已經實現(xiàn)了從計劃排產、制造執(zhí)行、品質管控、設備管理、倉儲管理的全過程信息化管控，下一步沖壓數(shù)字化車間將向可視化方向進一步完善，通過建立車間運營情報中心，將原有的車間人工KPI管理過程信息化，實時更新車間的設備運行效率、能耗在線數(shù)據、品質趨勢情況等核心管控信息。

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