汽車總成零件智能焊接系統及其關鍵技術

（南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100）

1 智能制造場景分割

德國工業4.0、美國工業互聯網、中國制造2025的核心都包含智能制造。智能制造的場景分割[1]大致包括兩類連接、四大場景、八項需求，如圖1所示。

2 汽車總成零件智能焊接系統的互聯互通

汽車總成零件的智能焊接與制造需要構建基于“工業互聯網+先進制造業”包括SDN、NFV以及云網一體化的智能網絡[2]，實現平臺化運營，加強行業深度融合集成，如圖2所示。智能制造首先要解決互聯互通問題，針對汽車總成零件智能焊接系統，對企業內部采用基于SOA架構，實現應用系統和智能設備的互通互聯，對企業外部則選擇基于API或SDK服務，構建開放的產業生態系統。

在企業內部基于SOA服務，遵循SOA規范，通過IT/DT系統實現“應用系統”與智能設備的互聯互通；中間通過“先進制造業+互聯網深度融合的供應鏈互聯平臺”及“智能焊接互聯協同平臺”，實現業務的互聯互通；企業外部通過API或SDK服務，利用“產業云平臺”實現產業互聯。真正實現上連應用，下連設備，橫連供應商，外聯社會。

圖1 智能制造場景分割Fig.1 Segmentation of intelligent manufacturing scene

圖2 汽車總成零件智能焊接系統架構Fig.2 Intelligent welding system architecture of automobile assembly parts

對于企業新建內網，將以IPv6、工業無源光網絡（PON）[3]、工業無線為主，重構企業外網時，重點考慮IPv6、軟件定義網絡（SDN）以及新型蜂窩移動通信技術的應用。隨著5G網絡的推進，充分發揮其低時延、高帶寬、高穩定性、多連接的優勢，使互聯網在汽車總成零件智能化焊接生產的過程控制和自動控制過程中得到更多、更好的應用。

工業無源光網絡（PON）建設可以優先采用如圖3所示的新模式。

汽車總成零件智能焊接系統無源光網絡（PON）包括安裝于中心控制室的光線路終端（OLT0、OLT1），一用一備，以及一批滿足不同需求、配套安裝于各應用場景的光網絡單元（ONUs），在OLT與ONU之間的光配線網（ODN）包含光纖以及無源分光器或耦合器，ONU通過各種方式及網絡（如以太網）與不同的應用場景及用戶端設備互聯互通。

無源光網絡（PON）：相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級；純介質網絡，徹底避免電磁干擾和雷電影響；局端資源占用少，系統初期投入低，擴展容易，投資回報率高；能提供2.5 Gb/s高帶寬，甚至可以升級到10 Gb/s；服務范圍大，一點到多點網絡能服務大量用戶；用戶共享局端設備和光纖能節省投資；帶寬分配靈活，服務質量得到保證。

3 汽車總成零件智能焊接系統的CPS物理信息系統

汽車總成零件智能焊接系統中的CPS（Cyber Physical System）物理和信息融合系統如圖4所示，共有八層：第一層是現場層（包括焊接設備、焊接機器人），第二層是控制層（包括PLC控制、HMI人機界面），第三層是操作層（包括DCS系統、SCADA系統），第四層是制造管理層（主要有MES系統），第五層為企業管理層（主要包括ERP、PLM系統），第六層是產品開發層（包括 PDM、CAD、CAPP、CAE），第七層是客戶關系層（主要有CRM系統），第八層為用戶層（包括B2B、B2C）。其中第一層和第二層是物理層，第三層至第八層為信息層或虛擬層。

圖3 工業無源光網絡PON內網架構Fig.3 Architecture of the industrial passive optical network PON network

圖4 汽車總成零件智能焊接信息物理系統Fig.4 Automobile assembly parts intelligent welding information physical system

汽車總成零件智能焊接系統中的CPS是集成計算、通信與控制于一體的智能系統，通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間以遠程、可靠、實時、安全、協作的方式操控物理實體。將物理設備連接到互聯網上，使物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等功能，從而實現虛擬網絡世界和現實物理世界的融合。

4 汽車總成零件智能焊接互聯協同平臺

汽車總成零件智能焊接互聯協同平臺如圖5所示，采用一站式門戶，提供統一用戶、任務、安全管理和移動管理，具有流程管理（BPM）、主數據管理（MDM）、大數據（BIGDATA）分析和應用功能。與傳統的業務系統，包括企業資源計劃（ERP）、制造執行系統（MES）、產品生命周期管理（PLM）、高級計劃與排程(APS)、客戶關系管理（CRM）、供應鏈管理（SCM）、產品數據管理（PDM）等互聯互通。同時也與生產線智能設備，包括PLC控制系統、HMI人機界面、DCS系統、SCADA系統等實時交互。

內嵌汽車總成零件智能焊接系統包括焊接工藝技術模塊、汽車總成零件產品技術模塊、質量檢測與分析模塊、智能推理及應用模塊、實時監控模塊、云平臺功能拓展模塊。焊接工藝技術模塊根據汽車總成零件要求，配置焊接工藝及相應資源，如電極、焊裝、輔料、檢具等，確定焊接參數，按流程進行生產操作；汽車總成零件產品技術模塊集成零件、材料、性能、表面處理、熱處理等各種信息，為智能焊接系統及智能推理提供數據源；質量檢測與分析模塊包括金相試驗、尺寸檢驗、檢具檢驗、缺陷控制、質量分析，并結合實時監控數據，控制焊接質量；智能推理及應用模塊通過智能算法技術自動推導出滿足汽車總成零件焊接要求焊接參數和操作指導書，用于生產和新產品開發；實時監控模塊，系統能實時監控到每臺設備、每個零件、每個焊點的焊接情況，對出現異常情況進行報警，并進行有效處置。

圖5 汽車總成零件智能焊接互聯協同平臺Fig.5 Intelligent welding interconnection platform of automobile assembly parts

云平臺功能拓展模塊充分應用SaaS服務、PaaS平臺、IaaS網絡的相關功能，拓展汽車總成零件智能焊接系統的應用場景。

5 汽車總成零件智能焊接系統關鍵技術

5.1 企業資源計劃（ERP）

ERP（Enterprise Resource Planning），集信息技術與先進管理思想于一身，將企業的人力資源管理（人流）、財務資源管理（財流）、物資資源管理（物流）、信息資源管理（信息流）、生產管理、采購管理、庫存管理、銷售管理和其他業務功能整合到一個信息管理平臺上，實現信息數據標準化、系統運行集成化、業務流程合理化、績效監控動態化、管理改善持續化，以達到最優資源組合，取得最佳效益。有效使用ERP能降低庫存、減少延期交貨、縮短采購提前期、減少停工待料、降低制造成本、提高管理水平、提升生產效率和經濟效益。

5.2 制造執行系統（MES）

企業 MES[4]系統是從“人、機、料、法、環”的角度考慮建立的，具有多個功能模塊?！叭恕蹦K包括人員考評管理、知識文檔管理、交接班管理；“機”模塊包括設備狀態管理、設備保養管理、設備程序管理、設備自動化；“料”模塊包括原物料管理、設備配件管理、材料自動搬運、在制品管理、成品出貨；“法”模塊包括工藝流程管理、生產計劃管理、排程派工管理、產品質量管理；“環”模塊要考慮對生產造成的環境污染監控以及勞防用品或智能穿戴的配備。通過MES的運行，使得決策智能化、設備自動化、生產信息化、過程可視化、質量能追溯、效率有提升。

5.3 高級計劃與排程（APS）

APS（Advanced Planning and Scheduling）[5]系統是計劃系統，也是決策支持系統，主要是為ERP系統增值，其特點是將優化的邏輯嵌入APS系統中，改善供應鏈計劃源的決策，產生一個可行計劃，該計劃能滿足所有需求和供應的約束，根據共同的目標優化計劃，計劃應考慮整個供應鏈網絡所有約束，包括：（1）資源約束，包括人力資源、設備及工具；（2）庫存約束，包括原材料、在制品、成品庫存水平；（3）物流約束，包括倉儲、運輸、物流；（4）商業規則約束，包括客戶服務水平、環境保護、供應商關系；（5）財務約束，包括現金流量、現金流動比例、產品邊際效益、投資回報率等。

APS排程就是把訂單的生產計劃排在一個最早可能開始時間（EPST）和最遲可能開始時間（LPST）之間。對于多個生產訂單，需要有一個優先級的排序算法，按重要程度分為三級：第一級是交付時間；第二級是優先等級，即企業根據生產特點設計的訂單優先級；第三級是訂單量，通常訂單量越大，其優先級越低，如果訂單量小，其優先級排高后就可能更多滿足一些訂單，訂單的重要性隨時間的延遲就會越來越高。

APS是計算機解決復雜問題的一套算法，可以利用簡單規則進行反復迭代，不斷優化排程方案，獲得最佳效果。

5.4 智能推理及應用

智能推理應用系統包含現有數據推理和智能推理兩種方式和應用場景。

（1）現有數據推理。輸入需要焊接加工的汽車零件信息，根據其材料、涂鍍層、板厚、焊接方式等信息，在現有數據庫系統（零件、材料、涂鍍層、設備、電極、工藝）中，通過大數據分析和應用，直接推導出滿足汽車總成零件要求的操作指導書并可以保存，同時支持以可讀格式導出，如PDF格式等。

（2）智能推理。輸入需要焊接加工的汽車零件信息，根據其材料、涂鍍層、板厚（復合板厚）、焊接方式等信息，通過AI技術和智能算法，結合深度學習，優化焊接過程參數，推導出滿足要求的操作指導書，并支持導出PDF格式，用于指導汽車新產品、新工藝的開發應用。其縮短了研發周期，節省了大量的人工和研發成本，經濟效益和社會效益好，提高了汽車的制造質量和水平，能夠覆蓋汽車所有車型，以及點焊、凸焊、CO2保護焊、螺柱焊等各種焊接方式。

5.5 實時監控模塊

實時監控系統能實時讀取并監控生產現場每臺智能設備對每個汽車零件的每個焊點實施焊接的每個過程數據，并運用大數據分析技術對過程參數出現的異常進行報警，并輸出原因、結果、處置方法，及時加以處理；對每個汽車零件的每個焊點由于異?？赡軐е鲁霈F的質量問題進行分析、監控、和控制；對設備出現的監測數據異常進行預防性維護，防止設備故障的發生，以免影響生產和效率。

6 結論

（1）汽車總成零件智能焊接系統，通過“智能焊接互聯協同平臺”“供應鏈互聯平臺”“產業云平臺”對內連接應用系統和智能設備，對外連接產業，實現整個業務各個環節的互聯互通。

（2）由于無源光網絡（PON）具有帶寬選項多、穩定性好、與應用連接覆蓋面廣、實施簡單方便等諸多優點，汽車總成零件智能焊接系統內網優先采用無源光網絡PON。

（3）汽車總成零件智能焊接系統中的信息層或虛擬層與物理層深度融合，使得虛擬網絡與物理世界之間的交互通暢無阻。

（4）ERP 從“人財物、產供銷”，MES從“人機料法環”、APS從自動排程等方面為實現汽車總成零件智能焊接系統提供保障。

（5）汽車總成零件智能焊接系統中的智能推理，利用大數據分析和AI技術，通過智能算法，直接推導出滿足生產要求的操作指導書，能產生很好的效益，應用前景廣闊。

（6）汽車總成零件智能焊接系統中的實時監控，能實時監控每臺設備、每個汽車零件的每個焊點的焊接過程，為穩定獲得滿足要求的產品質量提供保障，同時也能為設備的預防維護提供依據。

[1]王延紅.中國聯通智能制造助力中國制造轉型升級.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：100-101.

[2]王延紅.中國聯通智能制造助力中國制造轉型升級.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：105-106.

[3]000014349/2017-00206.國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見[S].

[4]肖長寶.流程型制造業MES“人機料法環的實現”.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：111-118.

[5]許永碩.智能運營的關鍵軟件-APS及實戰分享.CIO大視野[M].北京：人民郵電出版社，2016：45-50.