智能制造在軌道交通裝備企業的研究與應用

鄭小花，周勝強

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著第四次工業革命的到來，現代工業的發展直觀地反映出兩大趨勢：數字化和智能化，更加強調設備與設備之間的智能感應，實現自動分析、推理、決策、控制的功能。以德國“工業4.0”計劃為代表，包括美國的“再工業化”和日本的“復興戰略”，都有著共同的核心理念：數字化和智能化貫通工業生產的各個環節，打破了產品設計和制造之間的鴻溝，實現產品生命周期中的設計、制造、裝配、物流等各個方面的功能，降低設計到生產制造之間的不確定性，從而縮短產品設計到生產的轉化時間，并且提高產品的可靠性和生產靈活性。

根據我國的國情，國家實施了“兩化融合”策略，以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化，走新型工業化道路，其核心就是信息化支撐，追求可持續發展模式。在“兩化融合”的基礎上，國家又啟動了“中國制造2025”計劃的準備工作。中車株洲電力機車有限公司通過實施智能制造項目，充分利用現有生產制造資源，實現資源管理的數字化、智能化以及生產過程的精益化和信息化等提質改造升級，有效提升關鍵零部件轉向架的生產制造，率先實現由技術跟隨到技術引領的轉變，同時通過信息技術的拓展，達成工業化和信息化的深度融合，推動工業新的革命性變革，建成資源節約型、環境友好型企業。

1 目前存在的問題

目前雖然已經構建了整個企業的信息化平臺框架，但還沒有得到全面的深層次應用，依然存在一系列信息孤島。此外，由于產品制造工藝流程長、工序分散、制造質量要求高、產品種類繁多，制造精度和穩定性也難以達到日益提高的產品精度的要求，已經不能適應目前的生產模式。主要問題集中在制造資源、信息技術以及質量管控手段落后等方面，具體問題如下。

1)基礎設施配套能力不足。生產設備老舊，數字化改造成本高，風險高，無法納入數字化柔性制造的生產體系，嚴重影響了生產效率和產品質量穩定性，嚴重制約了整機和系統的集成能力。

2)信息系統應用程度不夠。三維工程化平臺和ERP系統總體框架已經覆蓋了轉向架制造單元管理與生產的主要范圍，但在應用深度上還有不足，與實現智能化工廠目標還有一定差距，各種管理與生產系統功能還有待進一步擴展與完善。

3)信息數據流未徹底打通。各業務板塊均有信息系統，且已經實現了生產計劃和物料信息向操作者的自動下發，但各設備仍然是信息孤島，既不接收來自三維工程化平臺和ERP系統的數據，也不實時采集數據反饋到其他系統，數字化平臺的集成度不夠，存在信息孤島現象。

4)物料配送齊套性差。生產物料主要通過人工和半自動化形式流轉，物流準時率、準確率較低，停工待料的情況時有發生。

5)質量控制和追溯難度大。現有質量管控模式難以滿足市場和業主的需求。質量數據手工填寫，現場紙質記錄較多，未實現質量在線檢測，檢測數據不能自動輸出；產品質量管控和追溯難度較大。

2 解決方案

2.1 總體技術思路

智能制造整體技術結構框架如圖1所示。

圖1 總體技術思路

通過實施智能制造，貫通設計與生產的各個環節，實現產品生命周期中的設計、制造、裝配、物流等各個方面的功能，降低設計到生產制造之間的不確定性，提高產品質量的可靠性。

2.1.1 新建智能化生產線

以工位制為基礎，新建自動化程度和信息化集成程度較高的生產線，主要由輪軸智能化生產線、構架焊接生產線、制動盤組裝生產線、總成生產線等組成。采購了先進的加工設備，如機械手、焊接機器人，自動擰緊機、立體倉庫，AGV小車等設備。

諸如車輪智能化生產線各設備均能實現自動定心夾緊。整個生產線可實現加工過程實施追蹤可視化。生產計劃、尺寸檢測數據和設備參數等制造信息由生產線中控系統與MES系統實現自動采集和傳輸，生產過程通過MES系統進行統一管控。

裝配生產線以工位制進行合理設計和布局，配置主要由AGV運輸系統、螺栓自動擰緊系統等工藝裝備。通過AGV進行各工位之間物料的轉運。整個生產線信息系統具備產品信息數據、檢測數據、扭矩數據等信息的采集與處理等功能。實現節拍化流水線作業，提高生產效率。

2.1.2 擴展ERP系統與三維工程化平臺

2.1.2.1 企業ERP系統擴展方案

對ERP系統進行擴展，就是為信息化與工業融合提供一個可落地的管理平臺，為公司經營管理者提供一個最實時、最簡潔、最有效的管理工具。

1)實現產品履歷、質量檢驗記錄、不合格品NCR處理等控制管理，有效對產品的構成、加工過程、維保等進行完整記錄，把隱形問題顯性化，把車間問題透明化，提升異常事件處理效率和處理質量，并可實時查看處理過程和處理結果，建立正向、逆向追溯體系，快速定位質量物料的狀態和范圍。

2)實現按設備能力計劃排程，在生產計劃下達之前，實現獲知設備的加工能力，合理安排設備的運作，將會對生產計劃的合理性、保障計劃按預定節拍的生產提供極大幫助。

3)實現與數控設備的對接，獲取設備實時狀態，參數是進行按設備能力排程、監控生產進程、管控產品質量的必要保證。

2.1.2.2 三維工程化平臺擴展方案

三維工程化平臺將從平臺優化完善和推廣應用兩方面開展工作，推廣應用設計、工藝一體化TC系統平臺，在運行的同時優化軟件系統技術及產品數據管理流程。

1)推廣應用。分別用機車產品、城軌產品在TC平臺上運行。

2)平臺完善與優化。完善技術平臺功能模塊，優化既有軟件系統技術及產品數據管理流程。

(1)工藝體系TCM平臺完善與優化。全面梳理公司工藝工作各環節的技術、管理業務流程和技術規范，結合TCM系統平臺的功能模塊，完善各項工藝設計標準模版、簽審體系、編碼體系，將工藝設計工作與管理流程固化在TCM系統平臺內，以平臺為載體實現工藝工作的系統化、標準化。

標準工藝、工位、工步建立與應用：在某項目試運行的基礎上，分專業分產品提煉標準工藝、工位、工步。整理試運行中出現的軟件系統問題，完善軟件功能及改進UI，方便用戶操作，優化程序代碼使得TCM系統運行安全、穩定。

(2)數據結構完善與優化。BOM功能優化：EBOM、PBOM、MBOM數據同源，通過狀態標識實現多個BOM數據的隔離。BOM全配置研究：根據模塊化設計狀況，研究EBOM、PBOM、MBOM配置化管理，ERP中的制造BOM實現訂單配置。

(3)工藝仿真平臺應用。推進焊接、裝配等工藝仿真技術深入應用，完善產品工藝驗證，逐步解決產品實物工藝驗證存在的成本高、周期長等問題；開展數字化廠房虛擬規劃，實現整個廠房布局、工藝路線、物流路線的仿真模擬；搭建工藝系統工藝仿真專用服務器，建立工藝仿真管理平臺和產品仿真數據庫。

3)重點突破。圍繞智能制造項目，結合生產線的數字化提質升級以及物流配送自動化，在產品數據層面全面應用設計、工藝、制造一體化數據平臺，在生產制造中實現產品數據、工藝數據、制造數據、現場數據采集數據鏈的關聯應用。

2.1.3 集成數字化平臺

數字化平臺方案構架以MES系統作為核心，對制造單元內的制造資源、計劃、流程等進行管控，與產品設計緊密關聯，通過系統集成，與企業層和設備控制層交換數據，形成制造決策、執行和控制等信息流的閉環。

1)MES系統方案。通過MES系統接收ERP生產訂單，結合實際生產能力進行APS高級排程生產現場作業執行計劃，運用智能手機終端、Wi-Fi技術實現移動收貨、派工、開工、完工及報故障等內容。同時，通過MES系統與三維工程化平臺系統對接，實現工藝作業指導書、工藝文件、三維圖紙、立體裝配演示等內容的無紙化傳遞。MES系統業務構架如圖2所示。

圖2 MES系統業務構架

2)制造資源管理系統方案。制造資源的狀態、能力等信息的獲得是生產數字化的前提和基礎，制造資源的信息通過設備數據采集卡、二維條碼、RFID射頻、攝像頭、傳感器等手段進行采集，通過局域網、無線網、RFID射頻等方式進行數據傳輸，匯總到制造資源管理系統，形成對設備管理、工裝工具、運輸設備、人力資源等制造資源在生產過程中信息的實時獲取或管理，并實時反饋給MES系統進行生產計劃規劃。

3)自動化物流管理系統方案。通過內部物聯網建立，實現物流信息采集智能化；引入自動化立體倉庫、倉儲管理系統(WMS)、AGV小車控制系統與物流仿真系統等現代化物流設備設施，通過對接MES系統接收物流配送計劃，通過二維碼和RFID射頻標簽進行物料的自動識別、分揀和記錄，實現物料在立體倉庫的自動化存儲和到工位的自動化配送；同時能夠對生產過程中異常工位缺料進行即時響應，并通過對物料數據的歷史分析，實施在線仿真的智能調度，實現物流可視化；智能匹配生產計劃和物料需求計劃，進行工位缺料報警和庫存缺料報警，以及進行庫房統計分析和報表輸出。

4)質量過程控制系統方案。質量過程控制系統關鍵在于建立產品的電子履歷，實現制造過程中產品質量的可追溯性。由現場作業人員按照企業質量檢測標準進行質量數據采集、檢驗，檢驗結果通過移動應用端進行實時記錄，并根據物料、產品與作業人員的二維條碼標簽進行數據關聯，建立產品對應的質量電子履歷，將數據反饋到MES系統中進行體現，實現質量電子履歷數據的記錄、查詢、匯總和分析功能，實現質量過程檢測的實時性和可追溯性。

5)現場目視化信息管理系統方案。現場目視化信息管理系統主要由中央控制室、顯示終端和各種顯示屏看板組成。中央控制室將來自MES系統的生產系統數據與三維模型進行關聯后實現整個制造單元的運行仿真，并且對生產異常情況能夠進行實時調用查看，能夠通過攝像頭直接查看生產異常位置的現場實際情況；各種看板主要用來數據化反饋生產過程中的進程、物料、設備等方面的信息，并能通過云技術實現手機移動看板的展示，滿足現場動態隨時隨地掌控生產信息的需求。

2.1.4 物流配送智能化

智能化物流配送系統包括：自動化立體倉庫、AGV控制系統、內部物聯網和集成化物流管理控制系統WMS、物流仿真平臺。

2.1.4.1 自動化立體倉庫

建立自動化立體倉庫(見圖3)，倉庫主要包括兩大部分：高層貨架、巷道堆垛機。輪對驅動裝置組裝所需的大部分物料(如齒輪箱、環類件等)均通過自動化立體倉庫堆垛機在庫房進行工位工序物料托盤單元化自動存儲和取貨。

圖3 自動化立體倉庫

自動化立體倉庫對物料采用高架自動存取方式，通過巷道堆垛機對物料進行自動存取，提高了出入庫作業效率。堆垛機的控制系統通過無線網絡與其他控制設備進行數據通信，對堆垛機運行進行實時監控，隨時掌握堆垛機系統的運行狀態和作業參數，保證巷道堆垛機高效、穩定、可靠地運行。

立體倉庫設計為存儲2天生產任務所需的物料，以此作為生產物料的緩沖區域，有效避免物料異常對生產進度的影響。

2.1.4.2 AGV控制系統

AGV小車由控制系統根據現場生產節拍實現物料從自動化立體倉庫自動配送到現場各工位，生產區預留專門物料通道。生產過程中如出現缺料現象，通過人工觸發按鈕向倉儲系統傳送缺料請求，系統會在相應的位置發出聲光報警提醒，AGV小車根據人工呼叫要求配送相應的物料，包括將空托盤運回指定區域。AGV小車配送能實現柔性運輸，使整個制造單元的物流運輸通暢、快捷、有序。

2.1.4.3 內部物聯網和集成化物流管理控制系統WMS

內部物聯網是通過各種信息傳感設備及信息自動采集與識別技術(包括條碼、RFID等)、智能終端定位跟蹤與仿真技術等的使用，按通信協議，通過MES、ERP等各種系統接入進行信息交換，以實現物料智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

集成化物流管理控制系統WMS接受來自ERP系統和MES系統的任務，并通過管理和調度所有物流設備有條不紊地去完成物流系統中各種特定的任務。

1)通過二維碼和RFID射頻標簽實現物料流轉過程中數據采集。依托二維碼技術和RFID射頻識別技術獲取入庫、檢驗、出庫、倉位、工位配送運輸和自制件加工流轉各個環節的物料信息。通過數據收集，系統能夠準確掌握生產物料、配送設備和自動化立體倉庫的即時信息。

2)通過搭建倉庫到車間現場的無線網絡全覆蓋，開發移動客戶端應用直接訪問ERP、WMS等系統，使得員工可以直接使用平板電腦，通過無線網絡連接信息系統，在作業現場完成相應的數據處理，達到物料流轉全過程的數據實時處理，實現信息流與實物流的完美統一。

3)實現庫存齊套性分析功能，通過工序二維碼、物料二維碼標簽，在物料配送至生產單位前進行工序(工位)物料的齊套性分析，以便及時響應設計變更以及生產計劃變更的需求。

4)通過移動終端應用實現運輸轉運數字化。根據ERP系統下達的生產計劃和MES系統制定的配送計劃，將物料配送計劃傳輸至各AGV小車的信息接收平臺，實現物料輸送信息自動記錄，及時反饋，提高可追溯性。

2.1.4.4 物流仿真系統

物流模擬仿真系統從整個制造單元的倉儲和物流進行仿真，廠房物流通道物流量分析、路口擁堵時間分析、生產產能驗證和優化、生產過程中的物流瓶頸仿真和優化等，通過實時的數據監控、對比分析，驗證物流配送規劃的合理性和配送效率，能夠對物流過程與調度進行不斷優化，對生產單元異常需求作出及時響應。

2.1.4.5 MES與WMS集成

1)MES系統按照生產計劃將物料需求計劃通過系統接口傳遞至WMS系統中。

2)WMS系統應按照物料需求計劃，提前按最小配送單元(原則上應是工序)的物料進行整合并存放在同一儲存容器(托盤等)中，若需要存放多個儲存容器中，系統自動記錄該工序物料存放的所有儲存容器。

3)WMS系統依據MES系統傳遞過來的物料需求計劃，設置好配送提前期(即依據需求時間提前多少時間開始進行自動配送)制訂物料配送計劃，并自動發送相應的配送指令給自動化立體庫。

4)自動化立體庫依據配送計劃，將配送指令傳輸至各AGV小車的信息接收平臺，實現工序物料的自動配送。

5)AGV小車將物料配送至指定工位地點后，通過RFID技術自動完成配送。

6)有設計變更時，MES系統提前將變更信息傳輸至WMS系統中，WMS系統依據設計變更信息進行最小配送單元物料的調整。

2.1.5 質量控制智能化

通過智能傳感器、二維碼、RFID射頻和MES系統實現產品質量在線檢測和過程控制。

1)通過在生產線上設置傳感器、測控系統實現在線監控，檢測數據實現實時歸檔與反饋到系統，可及時發現不合格品，調整工序加工能力，提高產品質量。

2)通過二維碼、RFID射頻自動采集工件與物料信息，通過MES系統技術實現工件在線監控，防止工件加工錯誤和裝配錯誤；建立產品對應的質量電子履歷，將數據反饋到MES系統中進行體現，支持質量電子履歷數據的記錄、查詢、匯總和分析功能，實現質量過程檢測的實時性和可追溯性。

3)數字化質量記錄終端。半自動化和人工質檢的工序采用數字化終端，質檢人員直接將產品檢測數據錄入移動終端，移動終端通過二維碼或RFID射頻標簽自動完成對產品、操作者、加工設備和其他生產信息的識別，自動完成產品質量記錄電子履歷，并將質量數據匯總，通過SPC質量分析管理系統進行處理后反饋到MES系統，實時發布到移動終端。

3 取得的成效

1)效率提升。實現集中式工藝分區、精益化工位設計，工藝流程更為緊湊，工序間距縮短，物料流轉更加迅速，生產效率提升了約30%。

2)柔性制造能力。解決多品種、小批量的生產在同一產線內的柔性和混線生產能力，小批量試制與大批量投產同步進行能力加強；設備柔性制造能力加強。

3)環境改善。改善生產作業環境，降低工人勞動強度，強調人機工程，充分體現綠色智造。

4)經濟效益。每年質量損失率減少10%，運營成本降低18%。

4 結語

在既有的三維工程化平臺和ERP平臺基礎上進行擴展，構建智能制造信息化平臺，實現了設計、工藝、制造一體化，以及制造過程、信息采集、物料配送、產品質量管控的智能化。不僅顯著提升了制造管控水平、生產與物流系統的柔性能力，提高了產品質量和生產效率，削減了人力成本，而且極大地改善了作業環境，降低了安全隱患。通過智能制造研究與應用，有助于該領域智能化工廠建設的標準體系和智能化生產管控標準流程的建立，對整個軌道交通裝備制造業具有非常重大的示范意義。