生產(chǎn)過程監(jiān)控技術(shù)在車企推行工業(yè)4.0中的應(yīng)用

朱正德 吳江歡

（上海大眾動力總成有限公司）

當(dāng)前，以汽車行業(yè)為代表的現(xiàn)代制造業(yè)正大力推行工業(yè)4.0和國家2015年春出臺的“中國制造2025”，目標(biāo)都是為了推動和實現(xiàn)制造業(yè)向智能化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型。期間，為確保產(chǎn)品的制造質(zhì)量，就必須遵循現(xiàn)代質(zhì)量觀念，強化工藝過程的穩(wěn)定性，為此，繼續(xù)執(zhí)行統(tǒng)計過程控制（SPC）技術(shù)十分必要。而為了適應(yīng)“快速、小批量、定制化生產(chǎn)”的智能化制造需求，必須充分利用信息化技術(shù)，對傳統(tǒng)的SPC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和功能的拓展。經(jīng)過幾年的努力，通過專業(yè)軟件公司與主機廠（整車廠或總成廠）合作這一方式，在國內(nèi)某發(fā)動機廠實施的“透明化工廠”項目，已很好地解決了這個問題，為有相似需求的不同行業(yè)和企業(yè)提供了很好的借鑒。

1 工業(yè)4.0及其在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略包含三大主題，一是“智慧工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)和過程及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；二是“智能化生產(chǎn)”，主要涉及包括3D打印等新穎工藝在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用以及整個企業(yè)的生產(chǎn)管理和人機互動等；三是“智能化物流”，主要通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，而需求方能夠快速獲得服務(wù)，得到物流支持[1]。工業(yè)4.0的核心就是基于智慧工廠的智能制造。

隨著汽車消費市場對產(chǎn)品影響的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)品需最大限度地滿足用戶日趨個性化的需求，越來越多的企業(yè)正由昔日的大批量和品種單調(diào)的剛性生產(chǎn)方式，向小批量和多品種的柔性制造模式過渡。因此在生產(chǎn)線規(guī)劃和設(shè)備選型上，也發(fā)生了很大變化。事實上，也只有能滿足不斷變化的需求的生產(chǎn)手段才被認(rèn)為具備了智能化制造系統(tǒng)的基本特征。故由高性能機床和多軸加工中心組成的機加工線已漸成主流，這樣的工藝布置還易于根據(jù)需要擴(kuò)展生產(chǎn)能力。為了適應(yīng)多品種混線和柔性化的苛刻的生產(chǎn)條件，而且仍能做到對生產(chǎn)過程制造質(zhì)量的實時監(jiān)控，保證產(chǎn)品的質(zhì)量[2]32，企業(yè)需要更關(guān)注生產(chǎn)過程信息化水平的完善與提升，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的“互聯(lián)網(wǎng)+新理念”，完成向工業(yè)4.0所提出的基本要求的演變。

2 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)

隨著軟件技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，Q_DAS公司的統(tǒng)計分析軟件已發(fā)展為由機械自動采集數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)自動統(tǒng)計并根據(jù)邏輯運算實現(xiàn)自主評價，以及具備了實時監(jiān)控異常情況，并立即通知相關(guān)人員的能力，從而逐步將人員從繁瑣的采樣監(jiān)控統(tǒng)計評價中解放了出來。在提高了工效和分析與評定質(zhì)量的同時，還降低了對操作人員的要求及企業(yè)的生產(chǎn)成本。Q_DAS公司更是利用企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化，將從人、機、料、法、環(huán)、測多個環(huán)節(jié)采集的數(shù)據(jù)和信息統(tǒng)一形成了完整的PDCA閉環(huán)，使整個系統(tǒng)達(dá)到了具有自主完善、自主提高及不斷優(yōu)化的狀態(tài)。

某企業(yè)參照德國大眾“透明化工廠”的理念，在全廠范圍實施制造質(zhì)量數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)[3]，它以Q_DAS公司的“qs-STAT企業(yè)版統(tǒng)計分析軟件”為基礎(chǔ)，再根據(jù)需符合企業(yè)自身特點的個性化定制要求進(jìn)行優(yōu)化，形成了富有特色的產(chǎn)品制造質(zhì)量信息數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)覆蓋了所有機加工生產(chǎn)線（3條連桿線、4條曲軸線、3條缸體線、3條缸蓋線、1條凸輪軸線及2條罩殼線）和3個生產(chǎn)測量室，包含了多種類型的現(xiàn)場質(zhì)量信息：1）生產(chǎn)線工序間的在線檢具；2）位于生產(chǎn)測量室的高精度檢測儀器；3）位于生產(chǎn)線末端進(jìn)行100%測量的終檢。

透明化工廠項目中，經(jīng)過優(yōu)化和拓展后構(gòu)成的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示，其主體為“質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化3層系統(tǒng)架構(gòu)”。基層（操作工/測量員）對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，如圖1a所示；中層（現(xiàn)場質(zhì)保/工程師）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，如圖1b所示；高層（部門和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)）對顯示的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)督與管控，在圖1中雖然并未給出該層面，但并不影響對系統(tǒng)的理解。即該系統(tǒng)是通過3個層次、3個維度，對生產(chǎn)線的過程能力進(jìn)行全面的實時監(jiān)控，以此來保證最終成品的制造質(zhì)量。

圖1 經(jīng)拓展后的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

從圖1可看到，該系統(tǒng)是把服務(wù)器作為運行和監(jiān)控中心，在企業(yè)內(nèi)相關(guān)的職能部門、專業(yè)人員及管理層面均設(shè)置了監(jiān)控終端。所有輸入輸出的制造質(zhì)量信息，乃至通過零件自動測量后的數(shù)據(jù)，經(jīng)生產(chǎn)線旁的操作工或?qū)Ｂ殰y量員按檢測結(jié)果確認(rèn)后，借助上傳軟件，經(jīng)過服務(wù)器進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。然后再通過預(yù)先設(shè)定的時間頻次，qs-STAT統(tǒng)計分析軟件會自動將各個檢測工位的測量數(shù)據(jù)上傳到中央數(shù)據(jù)庫。操作工/測量員測量結(jié)束后，操作屏幕會彈出“檢測信息對話框”（如圖2所示），在檢測目標(biāo)的范圍內(nèi)，根據(jù)“檢測目標(biāo)對照表”（如表1所示）輸入相應(yīng)目標(biāo)。檢測目標(biāo)類型是根據(jù)生產(chǎn)線發(fā)生的實際情況，充分考慮了“人、機、料、法、環(huán)、測”后進(jìn)行的匯總簡化和提煉，如圖3所示。

圖2 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測信息對話框界面

表1 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測原因?qū)φ毡?/p>

圖3 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測目標(biāo)類型

生產(chǎn)線技術(shù)人員/質(zhì)保工程師等相關(guān)專業(yè)人員借助qs-STAT統(tǒng)計分析軟件，利用質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，通過采取比較和過濾等方式，對從生產(chǎn)線乃至裝配線所獲得的質(zhì)量及工藝信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即能實現(xiàn)對過程的全面監(jiān)測與評價，并根據(jù)所找出的各個工序中的問題點，及時進(jìn)行有針對性的處理。其中，數(shù)據(jù)過濾就是利用高性能的統(tǒng)計分析軟件，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和識別，使最終出現(xiàn)在相關(guān)人士面前的數(shù)據(jù)內(nèi)涵豐富，包括零件號（還可精細(xì)到工件批次號）、工序號、機床號（進(jìn)而還可精細(xì)到動力頭、夾具、檢具及生產(chǎn)線等信息），這樣的“實測結(jié)果”既極大地方便了快速處理各種性質(zhì)的質(zhì)量問題，又為企業(yè)開展持續(xù)的質(zhì)量改進(jìn)提供了依據(jù)。建成的監(jiān)控系統(tǒng)全部操作只有5個步驟：1）打開數(shù)據(jù)庫；2）輸入被加工的零件號，從而完成第1次過濾；3）輸入工序號，實現(xiàn)第2次過濾；4）輸入所選擇的機床號，完成第3次過濾；5）完成分類顯示。

而相關(guān)部門和企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)，作為管理層的責(zé)任者，可方便地實時查看所有生產(chǎn)線質(zhì)量情況。一旦發(fā)現(xiàn)某被加工件的制造質(zhì)量出現(xiàn)了異常情況，qs-STAT軟件的報告系統(tǒng)就將同時向相關(guān)人員發(fā)出預(yù)警、告知應(yīng)盡快處理。

3 注意事項

如果在線檢具不加區(qū)分就進(jìn)行測量，并按傳統(tǒng)做法對所有實測值一并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，那就失去該系統(tǒng)的意義了。此時，若要真正達(dá)到對過程是否處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)予以分析和判斷，就必須把抽樣和測量加以細(xì)化。事實上，只有在識別并確認(rèn)了某一工況后，再進(jìn)行有針對性的數(shù)據(jù)處理才有意義[4]。為此，必須事先通過對相關(guān)提供質(zhì)量信息的檢測設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式設(shè)置，從而使得用于評價的質(zhì)量數(shù)據(jù)中，除了所獲取的實測值，還包括工件批次號、機床、動力頭（夾具）、檢具及生產(chǎn)線等信息[2]31。最后得到某道工序運行狀況的分析圖。不同于傳統(tǒng)的SPC，此圖含有多條曲線，每一條對應(yīng)一種具體情況，如一臺機床，甚至更細(xì)化到其某個動力頭或零件的某個部位等。

4 結(jié)論

透明化工廠項目在實施過程中，始終圍繞著最大程度地適應(yīng)和滿足多品種和柔性化生產(chǎn)方式的目標(biāo)來展開。通過利用并發(fā)揮了在企業(yè)中建立的網(wǎng)絡(luò)的作用，充分顯示出了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲入生產(chǎn)過程（關(guān)鍵工序），并對于所獲取的“人、機、料、法、環(huán)、測”等大量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析與整合，形成完整的PDCA閉環(huán)的價值。在這期間也暴露出尚有問題有待解決，有些情況需引起重視和進(jìn)一步加以完善：1）系統(tǒng)中涉及到大量與通信和聯(lián)接有關(guān)的智能元件，但它們的標(biāo)準(zhǔn)化與互換性問題還需要解決。鑒于未來的元件、機器和產(chǎn)品等都將互聯(lián)與通信，形成一個生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，無疑就需要各元件能實現(xiàn)“無縫”聯(lián)接，即插即用。2）整個系統(tǒng)的安全性問題，尤其是關(guān)于IT數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)在運行時存在著大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生與交換的活動，而如果數(shù)據(jù)受到非法的濫用或操縱，則整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行將會受到破壞。3）人和機器的安全合作問題也是一個值得探索的課題。

[1]朱正德.基于“工業(yè)4.0”的現(xiàn)代汽車制造業(yè)發(fā)展之路[J].汽車工業(yè)研究，2015（5）：12-15.

[2]肖凡.發(fā)動機生產(chǎn)線零件管理模式研究[J].上海汽車，2012（9）.

[3]朱正德.透明化工廠的先進(jìn)理念在企業(yè)的應(yīng)用實踐[J].國際金屬加工，2013（4）：25-27.

[4]周本華，吳旭光，郭培龍，等.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)及在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機床，2016（6）：33-38.