智能制造中的自动化和信息化

宋震方

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

智能制造中的自动化和信息化

宋震方

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

以成品轮胎检测线为例，叙述了该设备和物流输送的自动化系统和信息化系统的实现方法和软硬件组成，以供业内企业实现智能制造做参考。

智能制造；轮胎；自动化；信息化；物流输送；MES

智能制造作为当前的一个热门话题，在各行各业都如火如荼的展开着。智能制造其实一直都存在于工业自动化生产中，生产自动化的前进也是智能制造的进步。把智能制造作为一个新兴概念，这股热潮起源大概是德国政府提出工业4.0以后，这项被称作第四次工业革命的研究项目，也被德国上升为国家级战略。中国制造2025的提出，无疑对我国智能制造具有推进作用。

作为要向智能化方向发展的轮胎企业，精益生产是很多车间比较理想的模式，实现精益生产也是很多企业实现智能制造的基础。精益生产需要消除生产中不增值环节，要求生产适应需求，来达到降低成本、缩短生产周期和改善质量的目的。精益管理和精益设计是企业实施精益生产中不可缺少的重要环节。精益设计是源头，决定了企业生产的模式和方向；精益管理是企业生产的控制过程，是企业实施精益生产的关键要素，但精益管理只是企业管理的一个分支，它必须与企业内部的其他管理相结合，才能起到有效的作用。

工业4.0的三大课题：智能工厂、智能生产和智能物流都是建立在生产高度自动化和信息化基础上。智能化的精益生产特别是精益管理更是需要借助于互联的信息系统得以实现，同时信息系统也必须有丰富的生产内容充实，才能发挥其更大的价值。因此，我们认为智能制造的两个关键就是生产自动化和信息网络化。信息网络化覆盖面可以非常广泛，从客户到供应商、从产品生产到产品消费、从原材料到产品使用直至报废回收、从密切关联事件到广泛关联事件等等都可以涵盖，这些也都可以是智能制造涉及的范畴。信息化系统是全国甚至全球的系统工程，当前全面实现智能制造还是困难的。立足于现阶段，着眼于中国制造2025迈入制造强国行列的目标，轮胎企业更应该做的是在内部实现生产智能化，把生产自动化和信息化有机的结合在一起，其实质也是一种升级版的自动化生产。所以，当我们揭开智能制造神秘的幕布，就会发现这是我们过去的延续，一切的概念和宏伟设想都是工业发展的一种趋势，是必然的就一定会在前进的道路上实现。

不论工业4.0还是中国制造2025，并没有一个标准，至少目前没有。也许几年前概念提出的时候还没有想到标准，也许是需要逐步完善这个概念。当世界一些制造强国和次强国，包括欧洲、美国、日本和中国等都提出了自己的概念的时候，都不约而同地发现标准缺失的尴尬。德国正在计划制订一个接口标准，不过这也只是一个访问数据的接口，而更多的标准有待于去制订，否则大范围的智能互通就很难实现。更大的方面，这些国家级概念恐怕也需要一个完成的标准，否则就真的只是在炒概念了。然而各个国家并不能观点一致，甚至相差甚远。尽管如此，智能制造的核心内容自动化和信息化是大家不可逾越的共同点，其内容的充实需要从实践中来。在这场全球范围内兴起的新工业革命，当已经发展成为国家战略后，从中央到地方，从企业到个人，都不由自主的投身于其中，企业技术人员和管理人员都应适应时代要求。

中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所作为国内专门从事航空与国防先进制造技术研究与专用装备开发的综合性研究所，与时俱进，在工业4.0的国际大环境和中国制造2025的国家发展战略下，紧密与世界接轨，响应国家政策，大力开展智能制造的筹备工作，在航空制造领域承担和参与了国家的智能制造示范项目。同时作为研究所规模最大历史最长的民用产品——轮胎生产设备，也不会错过这次机会，不可避免的参与其中。北京航空制造工程研究所曾经开创了国内多种轮胎机械的历史，也一直保持着很多前沿技术的开发。2010年起，隶属于中航工业制造所的北京贝特里戴瑞科技发展有限公司开始对国内轮胎企业自动化和信息化展开市场调研和技术探索，结合自身产品特点，在国内几条轮胎检测生产线上尝试了自动化和信息化设计。经过几年的现场应用，贝戴公司于2015年提出了建设轮胎检测无人车间的可行性建议，将设备的自动化、物流输送的自动化、生产任务程序化和信息传递数据化有机的结合在一起，实现全自动和信息化，最终实现无人车间。

轮胎企业都属于大批量生产，是人员密集型产业，随着人员成本不断增长、安全性越来越受到重视、生产效率和生产质量稳定性要求提高，越来越多的企业都希望找到问题解决的办法，而自动化和信息化就能很好的解决这些问题。

下面以一个成品轮胎检测线案例来说明自动化和信息化在生产中的效果。

轮胎检测车间是轮胎经过硫化后的成品轮胎进行质量检测的地方，主要进行动平衡检测、均匀性检测和X光机检测等，有些企业也将外观检测和轮胎修剪工序列入其中，经检测的轮胎进入仓储库，基本流程为（如图1所示）。

1 设备和物流输送的自动化

图1 车间的总体布局

要实现制造的智能化，首先要具备生产设备的自动化，生产设备高度自动化是智能制造的最基本要求。检测设备一般并不庞大，设备的设计建立在理论基础上，通过力或光电等元器件，采集有效数据进行分析处理，得出检测结论。单从工作原理和实现的功能来说，设备比较简单。然而要实现全自动，很多环节都比较困难，甚至影响设备精度。由于轮胎的大批量生产，如果依靠人工进行装卡和人工检查，就会非常低效。

轮胎规格的多样化是检测设备实现全自动化的难点之一，轮胎最多能细分到几百种规格型号。虽然在一台设备上不可能每种规格型号都能检测，但对于一个轮胎厂来说，为了节省设备成本和提高设备使用率，几种或者几十种规格在同一台设备上检测是必须的，这时就经常需要进行工装更换。以前工装更换大多依靠人工，虽然能更好的保证更换后设备的精度，但却效率很低，有时要借助一些辅助设备或工具，也很麻烦，浪费很多人力物力，经济成本也较高。而如果在设备设计时就考虑到这些要求，可以让设备自身具备一些功能，实现自动化。以动平衡、均匀性和不圆度检测这类设备更换载重胎轮辋为例，一般需要2～3人，用30 min左右更换一套轮辋，而用自动化设计只需1个操作人员即可完成，如果工厂信息网络化比较完善，具有MES功能，就可以实现无人更换。设备和轮辋更换的机械设计案例如图2～5所示。

物流输送的自动化是生产自动化的重要环节。在轮胎检测线中，能满足输送目标的任何方式都可以应用。由于输送线的方法多样性，输送线本体技术难度不是太高，重要的是方案的合理性。

图2 动平衡、不圆度设备

图3 自动换轮辋机构

图4 轮辋组件 图5 换轮辋定位机构

进入修剪通道的轮胎输送线要具备定中装置、间距分离、条码系统、分流装置等。其流程如图6。

图6 硫化到修剪设备的输送流程

进入检测设备的轮胎输送线要具备定中装置、间距分离、条码系统、称重系统、分流装置等。如图7。

图7 修剪设备到检测设备的输送流程

进入轮胎分拣入库通道的轮胎输送线要具备定中装置、间距分离、条码系统、标识完整度机构、分流装置等。如图8。

图8 检测设备到入库的输送流程

轮胎硫化后，经输送机构进入外观检测及输送系统。在外观检测、输送系统中，采用一套自动化条码扫描系统对轮胎逐一自动扫码，控制系统将条码发送到工厂MES系统，并从MES数据库中查询到该条码对应的轮胎的规格及此规格轮胎对应的修剪通道，输送系统按规格将轮胎自动分拣至对应的修剪通道，条码异常的轮胎被自动剔除，返回处理。进入修剪通道的轮胎自动修剪并进行人工外观检测并将检测结果通过手动扫码的方式录入工厂MES系统，合格品进入动平衡均匀性检测输送系统。此系统实现了轮胎从硫化出口到外观检测结束过程中的轮胎条码自动识别、轮胎自动分拣，保证了同规格轮胎的专人修剪和外观检测，容易发现生产上的批量缺陷，轮胎检测过程和信息与条码信息绑定，为以后轮胎检测信息的查询提供了保障。

轮胎经输送线进入动平衡均匀性检测、输送系统。在动平衡均匀性检测、输送系统中采用一套自动扫码系统和自动称重系统对轮胎进行自动扫码和称重，并将称重结果和条码信息绑定发送到输送系统PLC，由PLC上传到MES系统数据库存储。同时输送系统PLC将预先从MES系统中查询到的该条码对应的轮胎重量标准和轮胎规格及轮胎流向信息与轮胎实际重量对比，重量不合格的轮胎被自动剔除，人工处理；重量合格的轮胎被自动分拣到对应的动平衡均匀性试验机待检通道，做动平衡均匀性检验，并由检测设备将检测结果和条码绑定上传到MES系统数据库。由于待检通道内的轮胎很多，为了能让轮胎动平衡及均匀性检测结果与轮胎的条码一一对应起来，需要在每台动平衡设备入口处安装一套自动扫码系统（如果先检均匀性则在均匀性设备入口安装扫码系统），使每条进入检测设备的轮胎都能单独再扫一次条码并将未来的检测结果和条码绑定。此系统采用采用自动扫码、自动称重、自动识别轮胎规格、自动分拣轮胎到配套的检测设备、自动动平衡均匀性检测、并自动录入并上传轮胎条码对应的轮胎重量信息和轮胎的动平衡检测结果到MES数据库。这一系列自动化流程极大限度的减少了人的参与，极大地缩短了条码识别和信息录入的时间，提高了条码识别的准确率，及信息录入的正确率，降低了劳动强度。

轮胎做完动平衡均匀性检测后由输送机构送入入库检测输送系统。轮胎在入库检测输送系统中将完成标识检测、X光检测和入库。在入库检测输送系统中采用一套自动扫码系统和一套标识完整度识别系统对轮胎条码和标识自动识别，并将识别结果和条码绑定上传到入库检测、输送系统的上位机。入库检测、输送系统的上位机会提前从MES系统数据库中下载所有轮胎的条码信息，这些信息中包含了轮胎的动平衡均匀性检测结果和轮胎等级以及每个等级对应的标识形状和颜色还有每个等级的轮胎对应的流向信息等等。上位机会将识别的结果和条码对应的轮胎标识信息比对判断标识形状和颜色时否正确，并计算标识的完整度，判断标识是否合格。标识异常的轮胎被自动剔除，人工处理。标识正常的轮胎按预先确定的流向信息自动分拣、入库。要做X光抽检的轮胎会提前由MES系统将其流向信息设定好，并传递给上位机，上位机控制输送系统将其送往X光机做X光检测，合格的轮胎入库，不合格的送往废品收集框，并将每条胎的X光测量结果与条码绑定上传到MES数据库。

传统的入库方式只是简单的将轮胎按规格和等级人工拾取、入库。由于要入库的轮胎量太大，特别是输送线上有很多轮胎标识在轮胎的下面，工人需要将轮胎翻面才能看到标识，这又增加了工人的劳动强度和劳动量，影响了轮胎入库效率。而且单靠人工肉眼观察轮胎上的标识判断轮胎的等级很容易出错，造成入库轮胎等级混淆，带来很大的客户抱怨。自动化、智能化的标识识别系统彻底解决了这一系列问题。识别系统采用上下识别的方式解决了条码在轮胎下面的问题，智能化拍摄系统能精准捕捉到轮胎上的标识颜色，能在标识不完全的情况下判断出其标识的具体形状并能够计算出标识的完整度。这种技术能够成功的应用在轮胎检测领域中正是检测手段自动化、智能化的体现。

设备和输送线的全自动化能够减少50～100个一般规模的生产人员。

2 设备和输送系统的信息化

要实现智能生产，只有自动化还不够，还需要实现信息化，也必须实现信息化才能实现全自动化。信息化采用网络服务器和本地服务器，建立MES系统，内容包括生产计划表、轮胎检测结果等，与工厂的条码信息库交互数据，将轮胎的基本信息和生产计划表对应，将轮胎基本信息和检测结果绑定。为完善条形码追溯的内容，满足生产需要和客户需求，进行各检测设备改造，并通过实施MES项目对整个半钢检验区设备和输送系统进行管控，将检测设备的检测数据与条形码绑定，生成各种生产管理所需要的报表。

MES 提供实现从订单下达到完成产品的生产活动优化所需的信息；运用及时准确的数据， 指导、启动、响应并记录车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，从而减少非增值活动，提高效率。MES 不但可以改善资本运作收益率，而且有助于及时交货、加快存货周转、增加企业利润和提高资金利用率。MES 通过双向的信息交互形式，在企业与供应链之间提供生产活动的关键基础信息。处于制造企业计划层(ERP)与控制层(PCS)之间的执行层，是企业资源计划系统和设备控制系统之间的桥梁和纽带，是制造企业实现敏捷化和全局优化的关键系统。 生产过程管理的作用是把企业有关产品的质量、产量、成本等相关的综合生产指标目标值转化为制造过程的作业计划、作业标准和工艺标准，从而产生合适的控制指令和生产指令，驱动设备控制系统使生产线在正确的时间完成正确的动作，生产出合格的产品，从而使实际的生产指标处于综合生产指标的目标值范围内。

服务器系统使用了三台服务器，其中一台用作数据库服务器，用来和工厂的条码信息库同步数据，另外两台为应用服务器，所有的客户配置和路由决策都在应用服务器内，两台应用服务器采用主备服务器，实现服务程序的集群，各集群节点之间自动实现回话数据的同步，正常工作时使用主服务器，而用户配置工作计划修改可访问备用服务器。条码站将此条轮胎的条码信息和重量信息通知条码服务器，服务器通过条码号和工厂自身的条码信息库获取该条码对应的品号，再根据品号和预先设定好的计划，判定出此条轮胎的路由信息，再将轮胎的流向信息反馈至条码站，条码站将接收到的轮胎流向信息通知输送线系统PLC，由输送线系统PLC控制输送线将轮胎输送至指定的检测设备。

检测设备判断有轮胎进入时，读取轮胎条码，通过MES服务器识别轮胎品号，根据轮胎品号切换至相应的检测标准，检测完成后自动将检测结果上传至MES服务器，至此，轮胎在成品检测车间的生产流程结束，向后进入库房。如图9。

图9 MES和设备、输送系统及扫码的信息传送关系

服务器软件主要由四部分组成：基础信息管理、计划管理、条码站接口、检测设备接口。

对于服务器软件系统，轮胎厂内轮胎的品号和条码始终贯穿其中，我们所有的设计思路都是围绕轮胎的品号和条码号展开的，品号相当于轮胎的型号，是唯一标示，条码可以让我们追溯任意一条轮胎的生产质量信息。

基础信息管理：帮助客户将所有品号对应的规格、轮辋、品号等轮胎的基础信息维护到服务器，所有信息只需要维护一次即可，所有的基础信息均为常量，不会发生变化，客户需要用到这些基础信息来制定相应的生产计划。

计划管理：帮助客户根据品号制定每个品号对应的生产计划，物流线会根据制定好的生产计划来自动管理线上每一条轮胎流向。

条码站接口：与条码站软件webservice接口。检测设备接口：通过中间表实现。

在检测计划中，我们可以为任意品号设定计划数量，当某种品号的轮胎实际数量达到计划数量时，我们认为此种品号的轮胎免检，之后如果再次遇到这种品号的轮胎，我们认为此品号的轮胎检测数量已达标，剩余此品号的轮胎可以不用进行检测，指定它走免检通道。我们生产计划细分为，班计划、日计划、周计划和月计划，并且制定计划的优先级为：班计划＞日计划＞周计划＞月计划，即如果同时设置了班计划和日计划，那么按照班计划执行，其他情况依次类推。

对于MES服务器与检测设备的接口，是通过中间表的方式实现的，在MES服务器中建立7张中间表用来和检测设备进行通讯。

MES服务器软件系统是完全围绕着轮胎的品号进行工作的，用户需要先维护好所有工厂内的所有轮胎品号及其对应的参数信息，再根据不同的品号制定不同的生产计划和路由决策依据，对于检测设备，也需要MES能根据不同的品号维护不同的检验标准，并且能够将检验标准下传至检测设备。

条码站是连接读码设备、输送线控制设备以及条码服务器的桥梁。条码站为一台研华IPC-610H工控机。它配置了两个串口，两个网口。条码站通过读码设备获取轮胎的条码号，通知服务器当前条码信息，获取当前轮胎路由信息，通知输送线PLC当前轮胎路由信息。条码站软件有如下功能：通过串口获取轮胎的条码和称重信息，通过webservice接口从服务器获取轮胎的路由信息，通过OPCServer将轮胎的路由信息发送至PLC ，将轮胎的信息保存至本地CSV表格文件。

3 结束语

工厂自动化和信息化是不可分割的，相互支撑，全自动化的实现依赖信息化的完善，而信息化的完善是建立在高度自动化基础之上。

(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，毕业于南京航天航空大学机电工程专业，主要从事机械设计工作。

2016-09-12