中國汽車行業標桿數字化車間——風神襄陽汽車有限公司沖壓車間

　　原創：汽車智能制造技術

　　風神襄陽汽車有限公司（東風日產襄陽工廠）是總公司布局中高端車型的質量標桿工廠，是雷諾日產三菱全球聯盟工廠中，唯一家生產雙品牌（NISSAN&英菲尼迪）和雙平臺（NISSAN品牌D平臺&C平臺）共線生產的工廠。襄陽工廠中心產線始終保持著高柔性化的制造水平，現階段共有5種車型多重配置的產品在同一產線混流生產。工廠沖壓車間車間始建于1996年，初始為東風汽車股份公司沖壓車間生產輕型卡車，與2003年與日產合資后通過線體改造實現轎車生產；沖壓科占地27000平方米，其中物流庫9216平方米，生產線體17784平方米，現場是由兩條中速線、一條高速線、一臺離線清洗機、翻轉機，共計15臺主要設備組成。高速線是2013年建成，是全球第一條V型機械臂搬送系統的高速線，設備的最大噸位是2400噸，自帶清洗機功能，主要生產車身外覆蓋件，每分鐘生產12.6件，每小時最高585件，雙班制運行。目前共生產5個車型，共計78個部品，104個零件，315套模具，具備25萬輛的產能。

　　（2）數字化沖壓車間建設概述

　　隨著中國制造2025行動綱領的提出，襄陽工廠也正逐步向自動化、信息化、智能化方向發展，正在力求升級成為的綠色化、智能化工廠。沖壓工藝作為整車生產的第一道工序，在襄陽工廠的智能制造建設進程中，數字化沖壓車間的被作為整體數字化制造升級之路的關鍵一步，數字化沖壓車間的整體規劃，圍繞沖壓件產品的質量管控、車間核心設備智能管理、APS生產計劃智慧調度、智慧能源管理、班組賬票管理等方面，對沖壓車間的生產管理體系、質量保證體系，制造執行系統，物流配送規劃系統等做了全方位的升級改造建設，目前已完成數字化沖壓車間80%以上的項目建設，共獲得直接經濟收近350萬元。

　　Part.02

　　總體架構

　　襄陽數字化沖壓車間是在原有的高自動化率車間的基礎上改建而來，擁有較好的自動化基礎，車間管理基礎，但在數據采集、系統集成、大數據分析等方面存在較大的改善空間，針對這些待升級改造的模塊，工廠設計了數字化沖壓車間總體建設方案，共分為四層：數據采集層、靜態應用集成層、系統集成層、智能運營層。

　　其中數據采集層主要包括設備數據采集、倉儲數據采集、人員數據采集、環境參數采集、工藝品質數據采集、制造過程數據采集7大模塊。設備數據采集模塊主要針對壓機設備、分揀設備，關鍵軸承等實現生產過程的設備運行參數采集，并通過對壓機設備的運行參數進行監控，保證高品質的沖壓件下線，同事在壓機分揀設備的關鍵軸承部署了震動、溫度等參數傳感，用于提前預知設備故障，降低壓機設備的長停風險。倉儲數據采集主要包括原材料板材數據采集以及成品沖壓件數據采集兩大部分，其中板材數據采集主要依靠掃描打刻在板材上二維碼完成采集，通過原材料數據系統，可實時獲得板材的批次信息、工藝參數信息等。而沖壓件的數據采集通過掃描存放沖壓件容器的RFID卡片即可獲取。與此同時出于在品質、安全、綠色方面的考慮，在沖壓車間還部署了空氣環境檢測、溫度監控、噪聲監控等環境檢測設備，實時檢測車間內部的各項環境指標。數據采集層的各個數據采集模塊均部署在統一的數據庫服務平臺，保證了數據傳輸的實時性、統一性及有效性。

　　在數據采集層的基礎上數字化沖壓車間完成了沖壓制造全流程的靜態應用的開發，主要包括APS生產計劃排程系統、板材管理系統、執行制造系統、設備管理系統、品質管理系統、倉儲管理系統、工藝信息管理系統等。通過APS生產計劃排程系統代替原有計劃員依靠經驗的手動計劃調整，系統可將限制排產的各類因素設置為排產約束條件，通過排產算法輸出最優排產結果。在APS的下游系統也會接收排產數據，并依據生產計劃的調度，自動匹配生產工藝參數、品質檢測點位信息、設備換模計劃等生產聯動數據。

　　在靜態應用的基礎之上，通過數據的采集積累一定量的歷史數據后，建立了數字化沖壓車間的系統集成層，主要包括，設備預知管理模塊、能源環境數字化模塊、品質管理模塊、制造執行管理模塊。系統集成模塊均需在大數據分析的基礎上對對應管控指標做出對應反饋。以設備預知管理模塊為例，通過對壓機關鍵軸承的運行參數進行一段時間的數據采集，累計震動、溫度等參數的置信區間范圍后，當監控到軸承在線的監控參數出現異常，則可對應分析出設備存在的故障停工風險。

　　最上層為智能運營層，主要包含兩大部分：智能運營中心、數字孿生車間。通過智能運營中心的建立，可將沖壓車間生產過程中實時采集的各類生產數據通過設定算法輸出為品質、成本、交期、效率、安全、士氣等領域的管控KPI，為車間管理者、監督者更高效的、更快速的了解車間的實際運行狀態。而數字孿生車間則是通過沖壓整線數字化仿真平臺的建立，在虛擬的系統中完成模具調試、端拾器軌跡調試、機械手軌跡節拍優化等工藝仿真調試。通過數字化沖壓車間的智能運營層可實現生產過程及工藝調試過程的透明化。

　　Part.03

　　建設方案

　　依據數字化沖壓車間總體架構的規劃建設，本章節將對沖壓車間APS高級排產系統、設備管理系統、設備趨勢化預知管理系統、能源管理系統、RFID智能倉儲管理平臺、沖壓板材管理平臺、沖壓品質管控系統TQMP、沖壓智能安全管理系統等主要功能模塊的建設方案進行介紹。

　　（1）APS高級排產系統

　　原有的沖壓科生產計劃管理由計劃員通過維護原材料系統沖壓生產管理模塊計算生成，并結合實際情況，依據經驗進行手工編制和調整。受影響沖壓排產的因素眾多，復雜程度高，現有系統模塊運算邏輯較為單一，無法全面考慮龐大的約束條件，難以實現最佳排產。同時沖壓生產計劃需計劃員手工調整，耗費工時，且受限于計劃員的經驗和水平，有較大提升空間。通過數字化應用，集成生產計劃管理APS系統，實現焊裝工程車輛需求、備件需求等生產計劃的自動排產管理；提高復雜生產計劃的作成能力，實現多目標排產，從而實現降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。

　　（2）板材到貨智能管理系統

　　沖壓的材料由外委開卷加工，在材料到貨管理中，由于信息的不能及時發送和生產計劃的變動，不能及時進行配送，異常后調整毛坯需求計劃信息傳遞鏈較多，造成信息滯后，并能快速對應和保證生產計劃；對此通過聯合供應商，以網絡信息的快速傳遞為依托，通過DPS系統精準配送系統（Distribution Precision System）,通過PC、移動終端及物聯網手段，積極響應客戶需求，智能組織生產，實現全程精準服務，持續提升在庫高效管理。的構建和應用，實施生產材料的信息實時共享，毛坯料的實時供給，最終實現到貨的智能化精準配送，人工業務智能化和在庫管理的精準管理；DPS正是通過以用戶最終的到貨需求為目標，倒逼整個供應鏈流程的協同，實現快速的響應需求，并且通過自動化的手段，最大限度的消除冗余的業務環節。

　　（3）沖壓設備管理系統

　　目前車間建設了如下的沖壓設備及其管理系統：

　　沖壓二線：5臺壓機使用西門子S7-300 PLC控制器，設備現場使用Profibus總線控制，5臺壓機、8臺拆跺與搬送機器人通過PROFINET連接到S7-300控制器，使用研華上位機；

　　沖壓三線：4臺壓機及DF使用三菱Q PLC控制線，設備現場使用CCLINK連接；伺服氣墊使用FUJI控制NPIS控制器，通過ESX-BUS連接現場設備及丁字架伺服電機控制及主電機；5套搬送裝置使用PSC700控制器，通過PSC Network、Computer Link、SYNCHRO Network、SERCOS等網絡完成現場設備及多軸VZ7000伺服同步控制；上位機為三菱多CPU系統，通過CCLINK IE與壓機、DF相連；通過CCLINK IE與瑞恩系統相連；通過FL-NET與FUJI系統相連。

　　沖壓五線：4臺壓機及DF使用三菱Q PLC控制線，設備現場使用CCLINK連接；上位機為三菱Q PLC，通過MELSEC H網與4臺壓機、DF相連；5臺搬送機器人作為上位主控三菱Q PLC的CCLINK子站鏈接。

　　（4）關鍵設備趨勢化預知管理系統

　　①沖壓電機在線監測系統：系統結合無線網絡傳感器和網絡技術組成的一套無線振動預警監測系統，系統主要由前端無線傳感器節點，數據轉發網關和監控主電機成。無線傳感器節點與數據網關間通過無線方式進行通訊，數據網關與監控主機之間通過無線或有線方式連接。監控主機安裝有監控軟件，可以對本無線傳感器網絡內數據進行顯示、存儲，對設備進行監控。

　　目前,沖壓車間已有包括三條主線關鍵電機在內的40臺設備納入了電機在線監測系統，實現了沖壓電機設備的實時在線自動監測，檢測各電機設備關鍵點的震動、溫度等各項參數，并將所有數據信息上傳至電腦顯示、存儲，便于匯總分析。另外，還能根據現場情況設定報警值，當檢測到的各項數值越限時，發出報警并主動記錄報警信息，實時監測設備狀態，實用、方便、快捷。

　　②沖壓軸承狀態在線監測系統：沖壓有3條生產線，共13臺壓機，每臺壓機關鍵部位軸承有10處。主線壓機軸承傳統的點檢方式是依靠人工聽+溫度檢測裝置，齒輪箱軸承目前只有3線有預埋，2線和5線通過定檢查看。劣化發現度較低。

　　沖壓軸承狀態在線監測系統目前已覆蓋三條主線的32個軸承測量點，測量儀器采用的是脈沖雙T傳感器，一個傳感器同時擁有兩個技術-滾動軸承特有傳感器和振動加速度傳感器的功能。也就是說一個測點同時具有滾動軸承分析技術和機械振動測試技術，全覆蓋軸承齒輪箱同步給出軸承潤滑狀態值和齒輪狀態圖，接收和分析軸承運行過程中的震動頻率，實現長期趨勢監控；

　　設備狀態數據分析系統通過上位機，可以采集到現場設備的大部分設備狀態數據，進行故障停機管理：設備長時間停止故障、小停工、OEE統計。故障管理，設備異常發生時，能第一時間提示報警信息，幫助快速鎖定故障原因和發生部位，有效減少故障排查時間。設備狀態指示，車間工作人員可通過狀態指示頁面直接查看當前設備的運行狀態。

　　（4）沖壓數字化安防系統

　　沖壓車間目前具備兩大智能安全管理系統，一是智能安防監控系統，智能安防監控實現車間全覆蓋，各車間入口，重點作業場所，重點設備，實現實時視頻監控，異常情況第一時間被發現，實現可追溯；二是智能安全頭盔系統，智能頭盔采用先進的3D打印技術，可以根據個人頭部外形和不同配置的模塊來調整頭盔外型，該頭盔可以進行作業狀態監測，如視覺檢測識別、標準動作監測、異常信息上傳；可以進行人員安全狀態監測，如人員定位、健康監測預警、電子圍欄預警；還可以實現環境安全狀態監測，如環境濕度檢測、噪音監測、有毒氣體檢測、夜視/LED補光；智能頭盔與數據管理平臺一體化設計；智能安全管理體系的應用，極大的提高了車間安全管理能力，實現主動預防安全。

　　（5）RFID智能倉儲管理平臺

　　基于RFID技術的LES管理系統，在沖壓車間的導入，實現沖壓車間倉庫信息、計劃達成情況、零件良品率信息的實時反饋。

　　通過在料架上固定RFID芯片，實現數據的自動采集，能夠實時掌握零件的出入庫狀態，并運用先進的視覺檢測技術，解決了料架進出方向的問題，提高了數據的準確度。導入沖壓車間的生產計劃，能夠實時比對計劃與實際的達成情況并預警；不良品進入指定區域，通過數據采集，能夠實時顯示不良品的實際情況。

　　（6）沖壓TQMP品質保證系統

　　質量信息管理平臺（簡稱TQMP），主要提供給工廠制程使用，業務范圍主要包括不良缺陷快速錄入，車輛不良100%在線記錄，返修車輛管理，要因系數趨勢預警管理、改善跟蹤電子化管理、報表自動生成、不良品情實時反饋。

　　TQMP系統功能圖示

　　不良缺陷快速錄入

　　制程問題點采用線上即時錄入的方式，保證問題錄入的及時性。標準化缺陷描述，選擇車型、零件、位置、不良描述、等級，點擊提交完成錄入，保證問題錄入的準確性。

　　缺陷信息實時反饋機制

　　品質報表自動生成

　　車輛返修、追溯與鎖定管理

　　QIC管理改善系統

　　Part.04

　　技術難點與創新點

　　在數字化沖壓車間的建設過程中，最核心的創新點是關鍵設備趨勢化預知管理系統，主要指沖壓電機在線監測系統與沖壓軸承狀態在線監測系統。

　　沖壓電機在線監測系統：采用先進成熟的無線網絡技術，采集模塊無線傳輸數據，測量節點通過無線網關輕松實現傳輸，功耗極低，安全可靠。擴展性強。采用分層分布式架構，用戶可根據實際情況，靈活增減監測點，簡單實用，改造和維護起來方便快捷。低成本高效率。在線預警系統對于機械的正常運行非常必要，既要保障機器安全可靠的長期運行，同時又要對相關設備的有害影響減至最小。本系統大大降低設備狀態監測維護的成本。

　　沖壓軸承狀態在線監測系統：雙T傳感器是一個全新技術，一個傳感器同時擁有兩個技術-滾動軸承特有傳感器和振動加速度傳感器的功能;傳感器內部采用創新隔離技術，確保傳感器優良絕緣性能和抗射頻干擾能力。

　　Part.05

　　解決的重大問題

　　在襄陽數字化沖壓車間的建設過程中，解決的行業及企業的重要問題是如何進行最優的沖壓生產計劃排產。

　　原有的沖壓生產計劃由計劃員通過維護MLS原材料系統沖壓生產管理模塊計算生成，并結合實際情況，依據經驗進行手工調整。影響沖壓排產的因素眾多，復雜程度高，現有系統模塊運算邏輯較為單一，無法全面考慮龐大的約束條件，難以實現最佳排產。沖壓生產計劃需計劃員手工調整，耗費工時，且受限于計劃員的經驗和水平，有較大提升空間。

　　而襄陽工廠沖壓車間導入的APS排產系統是通過SCMP（智能供應鏈協同平臺）對工廠VMD（車輛主數據）借助工管系統（車輛現場管理）、CATS系統(生產管理系統)、PCM（包裝容器管理系統）、MLS（材料管理系統）、進行聯合的一種智能排產。通過對基礎數據設置(零件信息、模具信息、料架信息等)、生產線、工作模式等信息進行集中統計，結合BOM信息、三發滾動計劃，展開三發需求/焊裝ACT計劃，展開焊裝需求。完成沖壓生產排產體制、計劃需求預算，結合實際業務進行沖壓計劃的調整后更新時間、谷物料等信息，并通過接口發送給沖壓工作臺和MLS系統。提高復雜生產計劃的作成能力，實現多目標排產，從而實現降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。

　　Part.06

　　實施效果及效益分析

　　數字化沖壓車間項目落地實施后，在質量、成本、交期、效率、安全等領域均取得了較好的收益，其中APS高級排產系統的導入提高了沖壓車間復雜生產計劃的作成能力，實現多目標排產，從而實現降低沖壓件庫存，減少人力需求的目標。降低沖壓件庫存，減少倉庫及沖壓容器投資，降低零件資金占用。通過對沖壓生產的預實對比分析，提升沖壓的計劃準守率。其中最直接的收益體現在提高現有人力開動率，分階段逐步減少現場作業人力，2018年-2020年工實現人力遞減23人次，獲得直接經濟收益近350萬元。

　　Part.07

　　下一步進行智能化改造提升的計劃和思路

　　現階段襄陽工廠數字化沖壓車間，在國內乘用車主機廠處于較為領先的位置。襄陽數字化沖壓車間的建設屬于老工廠的數字化升級改造，在2018-2020，的三年時間中完成了自動化率提升、信息化改造、數字化升級的三步建設方案，已經實現了從計劃排產、制造執行、品質管控、設備管理、倉儲管理的全過程信息化管控，下一步沖壓數字化車間將向可視化方向進一步完善，通過建立車間運營情報中心，將原有的車間人工KPI管理過程信息化，實時更新車間的設備運行效率、能耗在線數據、品質趨勢情況等核心管控信息。

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