智能制造中的自動化和信息化

宋震方

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

智能制造中的自動化和信息化

宋震方

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

以成品輪胎檢測線為例，敘述了該設備和物流輸送的自動化系統和信息化系統的實現方法和軟硬件組成，以供業內企業實現智能制造做參考。

智能制造；輪胎；自動化；信息化；物流輸送；MES

智能制造作為當前的一個熱門話題，在各行各業都如火如荼的展開著。智能制造其實一直都存在于工業自動化生產中，生產自動化的前進也是智能制造的進步。把智能制造作為一個新興概念，這股熱潮起源大概是德國政府提出工業4.0以后，這項被稱作第四次工業革命的研究項目，也被德國上升為國家級戰略。中國制造2025的提出，無疑對我國智能制造具有推進作用。

作為要向智能化方向發展的輪胎企業，精益生產是很多車間比較理想的模式，實現精益生產也是很多企業實現智能制造的基礎。精益生產需要消除生產中不增值環節，要求生產適應需求，來達到降低成本、縮短生產周期和改善質量的目的。精益管理和精益設計是企業實施精益生產中不可缺少的重要環節。精益設計是源頭，決定了企業生產的模式和方向；精益管理是企業生產的控制過程，是企業實施精益生產的關鍵要素，但精益管理只是企業管理的一個分支，它必須與企業內部的其他管理相結合，才能起到有效的作用。

工業4.0的三大課題：智能工廠、智能生產和智能物流都是建立在生產高度自動化和信息化基礎上。智能化的精益生產特別是精益管理更是需要借助于互聯的信息系統得以實現，同時信息系統也必須有豐富的生產內容充實，才能發揮其更大的價值。因此，我們認為智能制造的兩個關鍵就是生產自動化和信息網絡化。信息網絡化覆蓋面可以非常廣泛，從客戶到供應商、從產品生產到產品消費、從原材料到產品使用直至報廢回收、從密切關聯事件到廣泛關聯事件等等都可以涵蓋，這些也都可以是智能制造涉及的范疇。信息化系統是全國甚至全球的系統工程，當前全面實現智能制造還是困難的。立足于現階段，著眼于中國制造2025邁入制造強國行列的目標，輪胎企業更應該做的是在內部實現生產智能化，把生產自動化和信息化有機的結合在一起，其實質也是一種升級版的自動化生產。所以，當我們揭開智能制造神秘的幕布，就會發現這是我們過去的延續，一切的概念和宏偉設想都是工業發展的一種趨勢，是必然的就一定會在前進的道路上實現。

不論工業4.0還是中國制造2025，并沒有一個標準，至少目前沒有。也許幾年前概念提出的時候還沒有想到標準，也許是需要逐步完善這個概念。當世界一些制造強國和次強國，包括歐洲、美國、日本和中國等都提出了自己的概念的時候，都不約而同地發現標準缺失的尷尬。德國正在計劃制訂一個接口標準，不過這也只是一個訪問數據的接口，而更多的標準有待于去制訂，否則大范圍的智能互通就很難實現。更大的方面，這些國家級概念恐怕也需要一個完成的標準，否則就真的只是在炒概念了。然而各個國家并不能觀點一致，甚至相差甚遠。盡管如此，智能制造的核心內容自動化和信息化是大家不可逾越的共同點，其內容的充實需要從實踐中來。在這場全球范圍內興起的新工業革命，當已經發展成為國家戰略后，從中央到地方，從企業到個人，都不由自主的投身于其中，企業技術人員和管理人員都應適應時代要求。

中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所作為國內專門從事航空與國防先進制造技術研究與專用裝備開發的綜合性研究所，與時俱進，在工業4.0的國際大環境和中國制造2025的國家發展戰略下，緊密與世界接軌，響應國家政策，大力開展智能制造的籌備工作，在航空制造領域承擔和參與了國家的智能制造示范項目。同時作為研究所規模最大歷史最長的民用產品——輪胎生產設備，也不會錯過這次機會，不可避免的參與其中。北京航空制造工程研究所曾經開創了國內多種輪胎機械的歷史，也一直保持著很多前沿技術的開發。2010年起，隸屬于中航工業制造所的北京貝特里戴瑞科技發展有限公司開始對國內輪胎企業自動化和信息化展開市場調研和技術探索，結合自身產品特點，在國內幾條輪胎檢測生產線上嘗試了自動化和信息化設計。經過幾年的現場應用，貝戴公司于2015年提出了建設輪胎檢測無人車間的可行性建議，將設備的自動化、物流輸送的自動化、生產任務程序化和信息傳遞數據化有機的結合在一起，實現全自動和信息化，最終實現無人車間。

輪胎企業都屬于大批量生產，是人員密集型產業，隨著人員成本不斷增長、安全性越來越受到重視、生產效率和生產質量穩定性要求提高，越來越多的企業都希望找到問題解決的辦法，而自動化和信息化就能很好的解決這些問題。

下面以一個成品輪胎檢測線案例來說明自動化和信息化在生產中的效果。

輪胎檢測車間是輪胎經過硫化后的成品輪胎進行質量檢測的地方，主要進行動平衡檢測、均勻性檢測和X光機檢測等，有些企業也將外觀檢測和輪胎修剪工序列入其中，經檢測的輪胎進入倉儲庫，基本流程為（如圖1所示）。

1 設備和物流輸送的自動化

圖1 車間的總體布局

要實現制造的智能化，首先要具備生產設備的自動化，生產設備高度自動化是智能制造的最基本要求。檢測設備一般并不龐大，設備的設計建立在理論基礎上，通過力或光電等元器件，采集有效數據進行分析處理，得出檢測結論。單從工作原理和實現的功能來說，設備比較簡單。然而要實現全自動，很多環節都比較困難，甚至影響設備精度。由于輪胎的大批量生產，如果依靠人工進行裝卡和人工檢查，就會非常低效。

輪胎規格的多樣化是檢測設備實現全自動化的難點之一，輪胎最多能細分到幾百種規格型號。雖然在一臺設備上不可能每種規格型號都能檢測，但對于一個輪胎廠來說，為了節省設備成本和提高設備使用率，幾種或者幾十種規格在同一臺設備上檢測是必須的，這時就經常需要進行工裝更換。以前工裝更換大多依靠人工，雖然能更好的保證更換后設備的精度，但卻效率很低，有時要借助一些輔助設備或工具，也很麻煩，浪費很多人力物力，經濟成本也較高。而如果在設備設計時就考慮到這些要求，可以讓設備自身具備一些功能，實現自動化。以動平衡、均勻性和不圓度檢測這類設備更換載重胎輪輞為例，一般需要2～3人，用30 min左右更換一套輪輞，而用自動化設計只需1個操作人員即可完成，如果工廠信息網絡化比較完善，具有MES功能，就可以實現無人更換。設備和輪輞更換的機械設計案例如圖2～5所示。

物流輸送的自動化是生產自動化的重要環節。在輪胎檢測線中，能滿足輸送目標的任何方式都可以應用。由于輸送線的方法多樣性，輸送線本體技術難度不是太高，重要的是方案的合理性。

圖2 動平衡、不圓度設備

圖3 自動換輪輞機構

圖4 輪輞組件 圖5 換輪輞定位機構

進入修剪通道的輪胎輸送線要具備定中裝置、間距分離、條碼系統、分流裝置等。其流程如圖6。

圖6 硫化到修剪設備的輸送流程

進入檢測設備的輪胎輸送線要具備定中裝置、間距分離、條碼系統、稱重系統、分流裝置等。如圖7。

圖7 修剪設備到檢測設備的輸送流程

進入輪胎分揀入庫通道的輪胎輸送線要具備定中裝置、間距分離、條碼系統、標識完整度機構、分流裝置等。如圖8。

圖8 檢測設備到入庫的輸送流程

輪胎硫化后，經輸送機構進入外觀檢測及輸送系統。在外觀檢測、輸送系統中，采用一套自動化條碼掃描系統對輪胎逐一自動掃碼，控制系統將條碼發送到工廠MES系統，并從MES數據庫中查詢到該條碼對應的輪胎的規格及此規格輪胎對應的修剪通道，輸送系統按規格將輪胎自動分揀至對應的修剪通道，條碼異常的輪胎被自動剔除，返回處理。進入修剪通道的輪胎自動修剪并進行人工外觀檢測并將檢測結果通過手動掃碼的方式錄入工廠MES系統，合格品進入動平衡均勻性檢測輸送系統。此系統實現了輪胎從硫化出口到外觀檢測結束過程中的輪胎條碼自動識別、輪胎自動分揀，保證了同規格輪胎的專人修剪和外觀檢測，容易發現生產上的批量缺陷，輪胎檢測過程和信息與條碼信息綁定，為以后輪胎檢測信息的查詢提供了保障。

輪胎經輸送線進入動平衡均勻性檢測、輸送系統。在動平衡均勻性檢測、輸送系統中采用一套自動掃碼系統和自動稱重系統對輪胎進行自動掃碼和稱重，并將稱重結果和條碼信息綁定發送到輸送系統PLC，由PLC上傳到MES系統數據庫存儲。同時輸送系統PLC將預先從MES系統中查詢到的該條碼對應的輪胎重量標準和輪胎規格及輪胎流向信息與輪胎實際重量對比，重量不合格的輪胎被自動剔除，人工處理；重量合格的輪胎被自動分揀到對應的動平衡均勻性試驗機待檢通道，做動平衡均勻性檢驗，并由檢測設備將檢測結果和條碼綁定上傳到MES系統數據庫。由于待檢通道內的輪胎很多，為了能讓輪胎動平衡及均勻性檢測結果與輪胎的條碼一一對應起來，需要在每臺動平衡設備入口處安裝一套自動掃碼系統（如果先檢均勻性則在均勻性設備入口安裝掃碼系統），使每條進入檢測設備的輪胎都能單獨再掃一次條碼并將未來的檢測結果和條碼綁定。此系統采用采用自動掃碼、自動稱重、自動識別輪胎規格、自動分揀輪胎到配套的檢測設備、自動動平衡均勻性檢測、并自動錄入并上傳輪胎條碼對應的輪胎重量信息和輪胎的動平衡檢測結果到MES數據庫。這一系列自動化流程極大限度的減少了人的參與，極大地縮短了條碼識別和信息錄入的時間，提高了條碼識別的準確率，及信息錄入的正確率，降低了勞動強度。

輪胎做完動平衡均勻性檢測后由輸送機構送入入庫檢測輸送系統。輪胎在入庫檢測輸送系統中將完成標識檢測、X光檢測和入庫。在入庫檢測輸送系統中采用一套自動掃碼系統和一套標識完整度識別系統對輪胎條碼和標識自動識別，并將識別結果和條碼綁定上傳到入庫檢測、輸送系統的上位機。入庫檢測、輸送系統的上位機會提前從MES系統數據庫中下載所有輪胎的條碼信息，這些信息中包含了輪胎的動平衡均勻性檢測結果和輪胎等級以及每個等級對應的標識形狀和顏色還有每個等級的輪胎對應的流向信息等等。上位機會將識別的結果和條碼對應的輪胎標識信息比對判斷標識形狀和顏色時否正確，并計算標識的完整度，判斷標識是否合格。標識異常的輪胎被自動剔除，人工處理。標識正常的輪胎按預先確定的流向信息自動分揀、入庫。要做X光抽檢的輪胎會提前由MES系統將其流向信息設定好，并傳遞給上位機，上位機控制輸送系統將其送往X光機做X光檢測，合格的輪胎入庫，不合格的送往廢品收集框，并將每條胎的X光測量結果與條碼綁定上傳到MES數據庫。

傳統的入庫方式只是簡單的將輪胎按規格和等級人工拾取、入庫。由于要入庫的輪胎量太大，特別是輸送線上有很多輪胎標識在輪胎的下面，工人需要將輪胎翻面才能看到標識，這又增加了工人的勞動強度和勞動量，影響了輪胎入庫效率。而且單靠人工肉眼觀察輪胎上的標識判斷輪胎的等級很容易出錯，造成入庫輪胎等級混淆，帶來很大的客戶抱怨。自動化、智能化的標識識別系統徹底解決了這一系列問題。識別系統采用上下識別的方式解決了條碼在輪胎下面的問題，智能化拍攝系統能精準捕捉到輪胎上的標識顏色，能在標識不完全的情況下判斷出其標識的具體形狀并能夠計算出標識的完整度。這種技術能夠成功的應用在輪胎檢測領域中正是檢測手段自動化、智能化的體現。

設備和輸送線的全自動化能夠減少50～100個一般規模的生產人員。

2 設備和輸送系統的信息化

要實現智能生產，只有自動化還不夠，還需要實現信息化，也必須實現信息化才能實現全自動化。信息化采用網絡服務器和本地服務器，建立MES系統，內容包括生產計劃表、輪胎檢測結果等，與工廠的條碼信息庫交互數據，將輪胎的基本信息和生產計劃表對應，將輪胎基本信息和檢測結果綁定。為完善條形碼追溯的內容，滿足生產需要和客戶需求，進行各檢測設備改造，并通過實施MES項目對整個半鋼檢驗區設備和輸送系統進行管控，將檢測設備的檢測數據與條形碼綁定，生成各種生產管理所需要的報表。

MES 提供實現從訂單下達到完成產品的生產活動優化所需的信息；運用及時準確的數據， 指導、啟動、響應并記錄車間生產活動，能夠對生產條件的變化做出迅速的響應，從而減少非增值活動，提高效率。MES 不但可以改善資本運作收益率，而且有助于及時交貨、加快存貨周轉、增加企業利潤和提高資金利用率。MES 通過雙向的信息交互形式，在企業與供應鏈之間提供生產活動的關鍵基礎信息。處于制造企業計劃層(ERP)與控制層(PCS)之間的執行層，是企業資源計劃系統和設備控制系統之間的橋梁和紐帶，是制造企業實現敏捷化和全局優化的關鍵系統。 生產過程管理的作用是把企業有關產品的質量、產量、成本等相關的綜合生產指標目標值轉化為制造過程的作業計劃、作業標準和工藝標準，從而產生合適的控制指令和生產指令，驅動設備控制系統使生產線在正確的時間完成正確的動作，生產出合格的產品，從而使實際的生產指標處于綜合生產指標的目標值范圍內。

服務器系統使用了三臺服務器，其中一臺用作數據庫服務器，用來和工廠的條碼信息庫同步數據，另外兩臺為應用服務器，所有的客戶配置和路由決策都在應用服務器內，兩臺應用服務器采用主備服務器，實現服務程序的集群，各集群節點之間自動實現回話數據的同步，正常工作時使用主服務器，而用戶配置工作計劃修改可訪問備用服務器。條碼站將此條輪胎的條碼信息和重量信息通知條碼服務器，服務器通過條碼號和工廠自身的條碼信息庫獲取該條碼對應的品號，再根據品號和預先設定好的計劃，判定出此條輪胎的路由信息，再將輪胎的流向信息反饋至條碼站，條碼站將接收到的輪胎流向信息通知輸送線系統PLC，由輸送線系統PLC控制輸送線將輪胎輸送至指定的檢測設備。

檢測設備判斷有輪胎進入時，讀取輪胎條碼，通過MES服務器識別輪胎品號，根據輪胎品號切換至相應的檢測標準，檢測完成后自動將檢測結果上傳至MES服務器，至此，輪胎在成品檢測車間的生產流程結束，向后進入庫房。如圖9。

圖9 MES和設備、輸送系統及掃碼的信息傳送關系

服務器軟件主要由四部分組成：基礎信息管理、計劃管理、條碼站接口、檢測設備接口。

對于服務器軟件系統，輪胎廠內輪胎的品號和條碼始終貫穿其中，我們所有的設計思路都是圍繞輪胎的品號和條碼號展開的，品號相當于輪胎的型號，是唯一標示，條碼可以讓我們追溯任意一條輪胎的生產質量信息。

基礎信息管理：幫助客戶將所有品號對應的規格、輪輞、品號等輪胎的基礎信息維護到服務器，所有信息只需要維護一次即可，所有的基礎信息均為常量，不會發生變化，客戶需要用到這些基礎信息來制定相應的生產計劃。

計劃管理：幫助客戶根據品號制定每個品號對應的生產計劃，物流線會根據制定好的生產計劃來自動管理線上每一條輪胎流向。

條碼站接口：與條碼站軟件webservice接口。檢測設備接口：通過中間表實現。

在檢測計劃中，我們可以為任意品號設定計劃數量，當某種品號的輪胎實際數量達到計劃數量時，我們認為此種品號的輪胎免檢，之后如果再次遇到這種品號的輪胎，我們認為此品號的輪胎檢測數量已達標，剩余此品號的輪胎可以不用進行檢測，指定它走免檢通道。我們生產計劃細分為，班計劃、日計劃、周計劃和月計劃，并且制定計劃的優先級為：班計劃＞日計劃＞周計劃＞月計劃，即如果同時設置了班計劃和日計劃，那么按照班計劃執行，其他情況依次類推。

對于MES服務器與檢測設備的接口，是通過中間表的方式實現的，在MES服務器中建立7張中間表用來和檢測設備進行通訊。

MES服務器軟件系統是完全圍繞著輪胎的品號進行工作的，用戶需要先維護好所有工廠內的所有輪胎品號及其對應的參數信息，再根據不同的品號制定不同的生產計劃和路由決策依據，對于檢測設備，也需要MES能根據不同的品號維護不同的檢驗標準，并且能夠將檢驗標準下傳至檢測設備。

條碼站是連接讀碼設備、輸送線控制設備以及條碼服務器的橋梁。條碼站為一臺研華IPC-610H工控機。它配置了兩個串口，兩個網口。條碼站通過讀碼設備獲取輪胎的條碼號，通知服務器當前條碼信息，獲取當前輪胎路由信息，通知輸送線PLC當前輪胎路由信息。條碼站軟件有如下功能：通過串口獲取輪胎的條碼和稱重信息，通過webservice接口從服務器獲取輪胎的路由信息，通過OPCServer將輪胎的路由信息發送至PLC ，將輪胎的信息保存至本地CSV表格文件。

3 結束語

工廠自動化和信息化是不可分割的，相互支撐，全自動化的實現依賴信息化的完善，而信息化的完善是建立在高度自動化基礎之上。

(R-01)

Automation and informatization in the intelligent manufacturing

Automation and informatization in the intelligent manufacturing

Song Zhenfang
(Beijing Aviation Manufacturing Engineering Research Institute, Beijing 100024)

Based on the tire test line, realization method of the automation system and information system for logistics delivery and equipment, and software and hardware composition were described in this paper. It will provide the reference for intelligent manufacturing industry enterprises .

intelligent manufacturing; tire; automation; informatization; logistics delivery; MES

TQ330.493

1009-797X(2016)23-0025-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.23.005

宋震方（1972-），男，畢業于南京航天航空大學機電工程專業，主要從事機械設計工作。

2016-09-12