導(dǎo)讀

傳統(tǒng)車間柔性化程度低，不適應(yīng)于多品種、小批量、定制化、批產(chǎn)混線生產(chǎn)等需求，建設(shè)具有“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”特征的智能制造車間勢在必行。

看點

01

前言

通過對柴油機(jī)制造行業(yè)企業(yè)老式車間調(diào)研、參與智能制造專項車間搭建工作及對國內(nèi)其他智能制造車間建設(shè)經(jīng)驗的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)車間柔性化程度低，不適應(yīng)于多品種、小批量、定制化、批產(chǎn)混線生產(chǎn)等需求，建設(shè)具有“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”特征的智能制造車間勢在必行。為此，針對上述問題，開展柴油發(fā)動機(jī)數(shù)字化車間的研究對于柴油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型與升級具有重要的現(xiàn)實意義。

02

柴油機(jī)數(shù)字化車間構(gòu)建需求分析

2.1 國內(nèi)柴油發(fā)動機(jī)制造主要工藝流程現(xiàn)狀分析

柴油發(fā)動機(jī)車間的生產(chǎn)線主要由缸蓋加工線、缸體加工線、發(fā)動機(jī)總裝配線、發(fā)動機(jī)預(yù)裝線、試車線、涂裝線、后整理線、包裝線等生產(chǎn)線組成，如圖1所示。

（1）缸體、缸蓋制造工藝分析：目前而言，國內(nèi)多數(shù)內(nèi)燃機(jī)企業(yè)在發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)過程中僅需要對缸體和缸蓋進(jìn)行機(jī)械加工（缸體和缸蓋的鑄造成型一般依賴于外協(xié)企業(yè)），其余的零部件大部分外委采購。近十年來，國內(nèi)柴油發(fā)動機(jī)得到了快速發(fā)展，國內(nèi)也逐漸對缸體和缸蓋生產(chǎn)線進(jìn)行了升級，少數(shù)企業(yè)開始采用高速臥式加工中心來組建柔性生產(chǎn)線，利用機(jī)械手進(jìn)行上下料操作，并逐步加入了自動在線檢測等設(shè)備。但多數(shù)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在單缸和多缸小缸徑柴油機(jī)的缸體、缸蓋的粗加工和精加工中，還是以主要以組專機(jī)床和少量臥式加工中心加專用夾具組成的流水線為主，部分采用了機(jī)動輥道來實現(xiàn)工序間的工件傳遞，上料和下料主要以電動單梁懸掛起重機(jī)為主，整個生產(chǎn)線的剛性生產(chǎn)能力強(qiáng)，但柔性生產(chǎn)能力較差。

（2）裝配生產(chǎn)線工藝分析：與汽油機(jī)制造相比，我國在柴油機(jī)整機(jī)制造方面的發(fā)展相對比較落后，整機(jī)裝配流水線按工位進(jìn)行劃分，依賴人工進(jìn)行裝配的工序占比重較高。裝配線的輸送方式一般采用積放鏈或者板鏈，部分企業(yè)開始使用輥道線，并開始采用一些手段來實現(xiàn)產(chǎn)品信息的自動采集。一些關(guān)鍵部件的裝配開始采用電動裝置，如采用電動擰緊機(jī)來擰緊固定螺栓。

圖1 傳統(tǒng)車間生產(chǎn)線工藝流程

總體而言，從目前大多數(shù)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的制造工藝流程來看，雖然在流水線作業(yè)的基礎(chǔ)上，部分實現(xiàn)了加工信息的采集和信息的追溯，但車間整體數(shù)字化水平仍然較低，沒有實現(xiàn)加工裝備、加工工件、裝配、質(zhì)檢等信息的自動化采集，信息流動大部分還是采用手工操作記錄的方式和傳遞的方式。

2.2 數(shù)字化車間構(gòu)建需求分析

（1）制造工藝的數(shù)字化升級需求：將傳統(tǒng)的面向工序的工藝模式通過先進(jìn)的智能制造技術(shù)升級為面向過程的智能化工藝管理模式。傳統(tǒng)工藝重點在于工序化管理，依靠工藝流程卡來管控產(chǎn)品的制造過程，效率比較低。開展智能制造，需要改變工藝管理模式，構(gòu)建產(chǎn)品、工藝和制造緊密關(guān)聯(lián)的工藝模型，建立工藝管理系統(tǒng)，形成對 MES）的有力數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)面向過程的工藝管理，提高對關(guān)鍵工藝工程要素的可監(jiān)測性、可控制性及其可優(yōu)化性。

（2）智能化設(shè)備的配備或老舊車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集問題的改造需求：為實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制，必須對設(shè)備的刀具磨損情況、工件加工過程中的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行有效監(jiān)控。如果不能夠?qū)庸きh(huán)節(jié)的信息進(jìn)行有效的采集和存儲，將無法實現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性，達(dá)不到對產(chǎn)品生命全周期的有效管理。為此，必須將以傳統(tǒng)的工藝流水配置的生產(chǎn)裝備升級為智能化、數(shù)字化裝備。依托國內(nèi)領(lǐng)先系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)商、核心智能制造裝備供應(yīng)商，緊扣發(fā)動機(jī)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制和供應(yīng)鏈優(yōu)化需求，構(gòu)建面向智能制造的柴油發(fā)動機(jī)智能化裝備集群。

（3）生產(chǎn)線的柔性化需求：形成柔性生產(chǎn)能力是生產(chǎn)線數(shù)字化構(gòu)建的重要內(nèi)容，就目前柴油發(fā)動機(jī)市場需求而言，常常需要技術(shù)開發(fā)與批產(chǎn)混線，多品種小批量混線生產(chǎn)。由此必須結(jié)合柴油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀，對企業(yè)現(xiàn)有的多品種產(chǎn)品的工藝流程進(jìn)行提前規(guī)劃，并對加工設(shè)備進(jìn)行提前布局，運(yùn)用數(shù)字化工廠軟件對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真和優(yōu)化，由此對生產(chǎn)線的數(shù)字化構(gòu)建提供參考，滿足生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)需求，提高DF生產(chǎn)線的工作效率，降低生產(chǎn)成本。

看點

03

數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

為了能實現(xiàn)車間內(nèi)部虛擬平臺與物理對象的相互映射及無縫融合，促使數(shù)字化車間走向智能化，并對車間內(nèi)時間和空間信息進(jìn)行聯(lián)合處理，從而提高生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實時性，以滿足車間平臺任務(wù)安排與信息反饋的實時性要求，結(jié)合國內(nèi)外柴油發(fā)動機(jī)建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗、存在的問題及考慮智能工廠的發(fā)展前景，參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95設(shè)計了柴油發(fā)動機(jī)數(shù)字化車間的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。主要包含五個層次，由下而上為：設(shè)備層，控制層，網(wǎng)絡(luò)層，系統(tǒng)層和管理層。

設(shè)備層主要包括智能制造設(shè)備、智能工裝設(shè)備、智能物流設(shè)備（如上料機(jī)器人、AGV小車、傳送裝置）、智能傳感器、智能測試設(shè)備。主要功能是實現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢測、工位信息采集、零部件自動化運(yùn)輸、成品運(yùn)輸過程，同時，也是柴油機(jī)生產(chǎn)數(shù)字化信息的源頭與控制層執(zhí)行生產(chǎn)計劃的工具，比如：RFID（無線射頻識別）屬于智能傳感器中的一種，通過在柴油機(jī)各加工、裝配工位安裝RFID傳感器，實現(xiàn)車間人員、設(shè)備、物料、工裝等的編碼信息、位置信息、狀態(tài)信息的非接觸式實時采集，再存入MES數(shù)據(jù)庫以數(shù)字化升級制造工藝，替代傳統(tǒng)車間工藝流程卡來管控柴油機(jī)生產(chǎn)。

圖2 參考ISA-95標(biāo)準(zhǔn)的車間總體框架

控制層主要包括PLC（可編程邏輯控制器）、單片機(jī)等自動化控制器與驅(qū)動裝置及HMI（人機(jī)交互界面）。主要功能是接收來自網(wǎng)絡(luò)層的加工、裝配、采集柴油機(jī)生產(chǎn)過程信息等操作指令，再通過控制層的各種硬件進(jìn)行驅(qū)動及控制設(shè)備層的各種智能化設(shè)備進(jìn)行柴油機(jī)零件制造加工、加工裝配數(shù)據(jù)采集、零部件自動化物流運(yùn)送等操作。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括工業(yè)PON（無源光纖網(wǎng)絡(luò)）、DNC（分布式數(shù)控）網(wǎng)絡(luò)、各種通訊及控制總線、SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、DCS系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）和FCS系統(tǒng)（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）等內(nèi)容。功能是實現(xiàn)車間智能化加工設(shè)備、智能儀表、加工工藝和測試儀器等之間的數(shù)據(jù)傳遞及采集，且將系統(tǒng)層中MES系統(tǒng)的柴油發(fā)動機(jī)計劃排產(chǎn)人工或者自動化分解成加工指令，并發(fā)布生產(chǎn)指令至控制層。

在這一層級，通過工業(yè)PON、DNC網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)現(xiàn)場總線等通訊網(wǎng)絡(luò)在整個車間內(nèi)部把數(shù)控機(jī)床、缸體試漏設(shè)備、零件壓裝設(shè)備、大量的工控機(jī)等形成互聯(lián)互通的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)生產(chǎn)各個工位之間數(shù)據(jù)的傳遞；柴油發(fā)動機(jī)車間需要配置SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)及FCS系統(tǒng)，以實現(xiàn)車間每條數(shù)字化生產(chǎn)線或者每個工位生產(chǎn)的數(shù)據(jù)實時采集、實時監(jiān)測、集中管理與分散控制等指令的生成與發(fā)布。例如，：缸體加工線每臺機(jī)床數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、管理與控制的高效實現(xiàn)即是依賴于這一網(wǎng)絡(luò)層的合理設(shè)計。

系統(tǒng)層由MES系統(tǒng)及WMS（倉庫管理系統(tǒng)）組成，MES系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)柴油機(jī)生產(chǎn)車間的管理與生產(chǎn)監(jiān)控。

首先，承接來自管理層中ERP（企業(yè)資源計劃）的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括柴油機(jī)生產(chǎn)日計劃，物料庫存、調(diào)配數(shù)據(jù)，生產(chǎn)變更數(shù)據(jù)）與PLM的工藝數(shù)據(jù)（零部件原材料的種類、相關(guān)屬性，各條產(chǎn)線的工藝路線，每個工位的工藝信息，數(shù)據(jù)變更信息）；

其次，為操作人員在生產(chǎn)過程中提供圖紙工藝和技術(shù)文檔等內(nèi)容的無紙化查詢及指導(dǎo)操作人員進(jìn)行生產(chǎn)；

再者，接收來自于網(wǎng)絡(luò)層所上傳的柴油機(jī)加工、裝配的工藝數(shù)據(jù)和所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求）的當(dāng)前狀態(tài)信息，實現(xiàn)車間級的協(xié)調(diào)、跟蹤、決策和調(diào)度。

WMS系統(tǒng)與MES系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)層以 Web 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，其接收來自于MES系統(tǒng)的當(dāng)日生產(chǎn)計劃、零部件的物流調(diào)配信息與成品完工信息，用于柴油機(jī)生產(chǎn)車間物料的調(diào)度和配送及成品的入庫管理和統(tǒng)計。

管理層包括PLM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)。管理層通過PLM進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計，并通過ERP獲取PLM內(nèi)部工藝數(shù)據(jù)制定出車間的主生產(chǎn)計劃、物料主數(shù)據(jù)下放至MES系統(tǒng)分解為若干個MES車間生產(chǎn)子任務(wù)；同時，MES向ERP系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)程反饋與生產(chǎn)計劃報表。ERP系統(tǒng)主要功能是提升企業(yè)管理層的綜合管控能力，解決傳統(tǒng)車間的工藝、資金、采購、物流等業(yè)務(wù)之間的信息孤島效應(yīng)，并在生產(chǎn)計劃管控、企業(yè)資產(chǎn)管理、企業(yè)財務(wù)管控等方面體現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢。

對于設(shè)備層、控制層和網(wǎng)絡(luò)層這三個層級，通過無線通訊技術(shù)與有線通訊技術(shù)（如EPON）在車間形成一體化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)老式車間信息無法全面采集的問題。

看點

04

柴油機(jī)智能制造數(shù)字化車間構(gòu)建策略

根據(jù)已規(guī)劃好的數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構(gòu)及構(gòu)建智能車間的實際需求，數(shù)字化車間可按以下五個階段進(jìn)行構(gòu)建：

第一階段，構(gòu)建柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研發(fā)體系及研發(fā)適應(yīng)市場的產(chǎn)品。在車間構(gòu)建之前，通過集成有CAD/CAM/CAPP等產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)的PLM平臺設(shè)計幾類面向當(dāng)前市場的柴油發(fā)動機(jī)新產(chǎn)品及其產(chǎn)品相關(guān)的所有信息（如產(chǎn)品工藝流程、材料、制造、裝配、圖紙等），以為后期車間設(shè)計奠定基礎(chǔ)；在車間構(gòu)建完成之后，利 用 PLM 平臺，對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?、產(chǎn)品工藝進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)創(chuàng)新、建模仿真、驗證分析，從而不斷優(yōu)化產(chǎn)品的工藝流程、研發(fā)水平和全生命周期，以升級企業(yè)產(chǎn)品制造水平及適應(yīng)各階段市場的需求。

第二階段，數(shù)字化車間生產(chǎn)環(huán)境的建模及基本布局的規(guī)劃。分析第一階段設(shè)計出的幾種型號柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)品信息及工藝流程，采用三維模擬技術(shù)對發(fā)動機(jī)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化建模，建立車間總體的數(shù)字化模型及詳細(xì)規(guī)劃各產(chǎn)線工藝流程及基本布局，設(shè)計出可生產(chǎn)多種類型柴油發(fā)動機(jī)的數(shù)字化生產(chǎn)線。整體規(guī)劃內(nèi)容包括生產(chǎn)線數(shù)量、各生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程、工位數(shù)量及位置、工位加工裝配內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集類型及位置和智能化設(shè)備種類。

利用三維仿真技術(shù)對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行及持續(xù)性優(yōu)化。在車間真實生產(chǎn)之前，仿真生產(chǎn)系運(yùn)行的各種細(xì)節(jié)（如：車間物流、產(chǎn)線設(shè)備和車間布局等）對各產(chǎn)線產(chǎn)能、成品率和生產(chǎn)成本的影響及發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)多機(jī)型的柔性化能力，以驗證車間布局設(shè)計和各種調(diào)度計劃的合理性；設(shè)計多種運(yùn)行方案，并分析、對比三維仿真系統(tǒng)中車間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，最終修正設(shè)計的問題及規(guī)劃出滿足數(shù)字化升級產(chǎn)線、合理配備智能設(shè)備、高度柔性化等條件的基本布局；在車間真實生產(chǎn)之后，數(shù)字化模擬技術(shù)為車間后續(xù)生產(chǎn)提供幾乎是無限的生產(chǎn)柔性，通過仿真的方式，測試不同生產(chǎn)調(diào)度策略對新、舊產(chǎn)品生產(chǎn)的影響。

第三階段，數(shù)字化車間的建設(shè)。首先，按照依托國內(nèi)設(shè)備廠商、發(fā)動機(jī)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代和生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制的原則，進(jìn)行智能化設(shè)備、智能傳感器的選擇，并將智能化設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、上料機(jī)器人、氣門油封壓裝機(jī)、油道干試試漏機(jī)）、智能傳感器（如RFID、無線溫度傳感器、接近開關(guān)）安裝在第二階段所設(shè)計基本布局的對應(yīng)位置，并根據(jù)數(shù)字化模型配備自動化傳輸線；

其次，安裝PLC等自動化控制器與驅(qū)動器實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)備的自動化控制、智能傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理；再 者，在數(shù)字化產(chǎn)線載入工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)（優(yōu)勢：高帶寬、高抗干擾性、傳輸距離遠(yuǎn)）、各種工業(yè)通訊總線（如ProfiBUS）、DNC網(wǎng)絡(luò)等形成數(shù)字化車間實時通訊網(wǎng)絡(luò)，以及在數(shù)字化生產(chǎn)線載SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)等控制車間設(shè)備進(jìn)行加工、裝配、物流運(yùn)送等操作及對車間生產(chǎn)進(jìn)行實時數(shù)字化監(jiān)測。

最終，在車間層級將設(shè)備、硬件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件融為一體。而在數(shù)字化車間構(gòu)建中數(shù)字化的內(nèi)容主要包括三方面：

（1）部分?jǐn)?shù)據(jù)（如設(shè)備運(yùn)行狀況、刀具磨損情況）使用智能化設(shè)備自帶的SCADA系統(tǒng)進(jìn)行采集；

（2）人、 機(jī)、料、工裝等的編碼、位置、狀態(tài)信息則通過RFID技術(shù)、條碼掃描槍、手持終端進(jìn)行采集，提高產(chǎn)品的可追溯性與生產(chǎn)過程的有效管理，形成對MES的有力支撐；

（3）數(shù)字化加工生產(chǎn)線把多臺柔性化數(shù)控機(jī)床通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將自動化輥道、上料機(jī)器人、桁架機(jī)械臂、空中小車等組成全自動化物流線，在網(wǎng)絡(luò)中同時嵌入大量傳感器實時采集柔性加工線的數(shù)據(jù)。并且在多種生產(chǎn)模式綜合應(yīng)用下，實現(xiàn)了對工藝要素的監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量的控制及車間柔性化升級，不僅可以實現(xiàn)當(dāng)前產(chǎn)品的多品種、小批量的生產(chǎn)，更可以通過替換部分工位設(shè)備或者修改部分工位加工工藝的方式快速適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代之后的生產(chǎn)且不需重新搭建新的生產(chǎn)線。

第四階段，載入ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)等車間級軟件平臺。將ERP系統(tǒng)與PLM系統(tǒng)進(jìn)行集成，實現(xiàn)研發(fā)/生產(chǎn)一體化，同時，通過 ERP 系統(tǒng)提升企業(yè)資源管理水平。PLM 系統(tǒng)向ERP系統(tǒng)中自動傳遞或者手動傳遞產(chǎn)品工藝相關(guān)的信息、物料清單和工藝路線等信息。

緊接著，載入MES系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的工藝流程卡號管控車間的功能類似，MES功能為通過為每臺柴油發(fā)動機(jī)創(chuàng)建一對一的序列號的方式，并在實際生產(chǎn)過程中在每個工序通過掃描獲取序列號的形式訪問工藝數(shù)據(jù)庫獲得該工序相關(guān)的控制信息，實現(xiàn)從工序管控到車間管控的數(shù)字化升級；MES系統(tǒng)接收來自第二階段布置的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)以供管理層生產(chǎn)高級排程、產(chǎn)品質(zhì)量分析及設(shè)備管理；再通過上線WMS系統(tǒng)配合MES使用，實現(xiàn)物料出入庫、存儲、配送等物料管理工作，最終實現(xiàn)數(shù)字化車間虛擬系統(tǒng)與物理系統(tǒng)進(jìn)行無縫銜接，構(gòu)建出數(shù)字化車間信息物理系統(tǒng)架構(gòu)。

第五階段，引入新型制造模式。利用最新的云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的未來規(guī)劃，吸收當(dāng)前電子商務(wù)、云服務(wù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢等方式，最終實現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)這一離散型制造行業(yè)的智能制造、協(xié)同制造、大規(guī)模個性化定制和遠(yuǎn)程運(yùn)維等新型制造模式。

看點

05

應(yīng)用實施案例及實際效率比對

在此，針對某柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)下屬子公司車間制造工藝落后、老舊加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集困難及產(chǎn)線柔性化程度低等問題，根據(jù)上述構(gòu)建策略，分五個技術(shù)層面/階段對該企業(yè)的生產(chǎn)車間做出了改進(jìn)，并搭建新型車間：

（1）由于該企業(yè)集團(tuán)公司PLM平臺構(gòu)建比較完善，基于企業(yè)PLM和云服務(wù)的融合，實現(xiàn)了與該企業(yè)集團(tuán)公司與子公司之間的跨地域?qū)崟r協(xié)同工作，在此僅需完善該企業(yè)子公司在產(chǎn)品設(shè)計方面的數(shù)字化工作。

首先，采用PLM集成的柴油機(jī)三維設(shè)計軟件（SolidWorks 3D）對該車間待產(chǎn)的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的零件模型及整機(jī)裝配模型進(jìn)行了建模，并繪制出相應(yīng)的工程圖，并編寫相應(yīng)的工藝信息和工藝流程信息；其次，對產(chǎn)品的三維模型圖、二維工程圖及其中所包含的產(chǎn)品各種結(jié)構(gòu)信息與產(chǎn)品屬性信息（結(jié)構(gòu)信息包括產(chǎn)品裝配信息、尺寸信息；屬性信息包括零件材料信息等，即裝配圖和零件圖里面的標(biāo)題欄信息）、相應(yīng)的工藝信息和工藝流程信息進(jìn)行歸類整理；最后，將設(shè)計結(jié)果一起構(gòu)建在PLM數(shù)據(jù)庫模型中，并自動產(chǎn)生產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。

（2）根據(jù)PLM數(shù)據(jù)庫中已有的產(chǎn)品工藝信息和工藝流程信息，對數(shù)字化車間整體產(chǎn)線設(shè)計進(jìn)行了整體規(guī)劃。共設(shè)計四條生產(chǎn)線：前兩條作為發(fā)動機(jī)缸蓋及缸體的機(jī)加工線，后兩條分別作為車間總裝配線和后整理線。機(jī)加工線、裝配線及后整理線均通過已經(jīng)設(shè)計好的加工、裝配工藝進(jìn)行布置各工序的機(jī)加工設(shè)備，主要有：數(shù)控機(jī)床、自動擰緊設(shè)備、智能試漏設(shè)備、缸體翻轉(zhuǎn)機(jī)器人及帶有HMI界面與數(shù)據(jù)輸出接口的智能設(shè)備，所選機(jī)加工設(shè)備及裝配設(shè)備滿足于多種機(jī)型的要求，提升機(jī)加工線的柔性度；對于與產(chǎn)線相匹配的自動化物流線，使用自動化輥道、空中小車、上下料機(jī)器人、自動化轉(zhuǎn)臺、AGV車等進(jìn)行整個車間機(jī)體和物料的自動化運(yùn)送。最終在數(shù)字化虛擬仿真平臺上驗證這一套生產(chǎn)線是否實現(xiàn)小批量、多品種柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)。并且多次仿真實驗及修改設(shè)計，最后購買合適的加工設(shè)備且安裝設(shè)備。

（3）基于上一步所設(shè)計的生產(chǎn)線布局進(jìn)行車間數(shù)字化建設(shè)，主要包括四個方面：

a.前兩條機(jī)加工線由帶有先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的格勞博機(jī)床組成，通過屏蔽性良好的網(wǎng)線將所有數(shù)控機(jī)床網(wǎng)口、分別接入到交換機(jī)上，再匯入工業(yè)PON的ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）設(shè)備中，完成機(jī)加工線的DNC網(wǎng)絡(luò)。同時有數(shù)據(jù)接口的智能化設(shè)備也以網(wǎng)口直接接入交換機(jī)或通過RS485轉(zhuǎn)網(wǎng)口形式接入交換機(jī)，最終轉(zhuǎn)接入ONU設(shè)備；

b.針對數(shù)控機(jī)床、智能設(shè)備無法自身采集加工數(shù)據(jù)且人工無法手工錄入數(shù)據(jù)的位置，主要有：數(shù)控機(jī)床主軸溫度、數(shù)控機(jī)床電機(jī)工作溫度、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，通過自行安裝傳感器的方式采集這些數(shù)據(jù)，安裝傳感器對應(yīng)有在線式紅外測溫儀、PT100螺釘式熱電阻及溫度變送器、霍爾傳感器，最后接入到車間西門子PLC的S7-300系列并通過PLC主機(jī)自帶的網(wǎng)口接入交換機(jī)及ONU設(shè)備；

c.在各種零件/物料眾多的總裝配線和后整理線使用RFID讀卡器（型號：SIMATIC RF340R）進(jìn)行裝配的機(jī)體序列號采集，接入方法為b點中的方法；

d.使用人工輔助采集方式采集車間一些不易采集的數(shù)據(jù)，主要有：使用掃碼槍掃碼采集RFID讀卡器沒有成功采集的數(shù)據(jù)，使用手機(jī)上報車間的異常工況于維修部門等。

（4）使用工業(yè)PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行車間整體聯(lián)網(wǎng)通訊，主要聯(lián)網(wǎng)步驟有：先接入光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），再接入光線路終端（OLT），最后接入到車間核心交換機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。把車間各工位已采集至網(wǎng)關(guān)、PLC或者工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸至車間的數(shù)據(jù)中心匯總，以解決老式車間數(shù)據(jù)無法采集或者數(shù)據(jù)采集實時性低的問題。

（5）通過在智能制造車間載入高實時性的MES系統(tǒng)且將車間的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入到MES系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字化升級柴油機(jī)生產(chǎn)車間的制造工藝與生產(chǎn)過程管理水平。同時，將ERP與MES系統(tǒng)集成實現(xiàn)車間級與企業(yè)管理層在生產(chǎn)過程中充分的交互。最終車間實現(xiàn)全面數(shù)字化升級，基于以上設(shè)計在某企業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的實際應(yīng)用已實現(xiàn)實際的效果，且現(xiàn)有傳統(tǒng)車間與已經(jīng)搭建的智能制造車間的對比圖，如圖3所示。

圖3 老式車間與智能制造車間對比

根據(jù)對某柴油機(jī)企業(yè)智能制造車間與老式車間當(dāng)前生產(chǎn)狀況的分析與對比可知，智能制造車間總體的年產(chǎn)量相比老式車間提高了53%，生產(chǎn)成本降低了5%，生產(chǎn)效率提高25%，訂單交付時間縮短20%，車間產(chǎn)能提高了1倍多。

看點

06

總結(jié)

面向智能制造的柴油發(fā)動機(jī)數(shù)字化車間構(gòu)建與實施過程中，在傳統(tǒng)車間的基礎(chǔ)上優(yōu)化了傳統(tǒng)車間的總體架構(gòu)、構(gòu)建過程、設(shè)備配備及生產(chǎn)線工藝流程，實現(xiàn)了有效的提升。主要有以下三個方面：

1）在關(guān)鍵工序配備智能化設(shè)備以監(jiān)控加工、裝配、測試的實時狀態(tài)，構(gòu)建智能化裝備集群，實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)實時采集及產(chǎn)品的質(zhì)量控制；

2）整套數(shù)字化生產(chǎn)線通過使用生產(chǎn)工序精細(xì)化，關(guān)鍵設(shè)備模塊化、通用化的方法，提高其生產(chǎn)的適應(yīng)性與柔性；

3）采用智能制造技術(shù)，提升了工廠整體的制造工藝的數(shù)字化水平。新的柴油機(jī)生產(chǎn)車間構(gòu)建策略與實施經(jīng)驗對將來柴油機(jī)數(shù)字化車間及國內(nèi)離散型車間的構(gòu)建與實施具有很大的借鑒性。

審核編輯 ：李倩