智能制造在轨道交通装备企业的研究与应用

郑小花，周胜强

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着第四次工业革命的到来，现代工业的发展直观地反映出两大趋势：数字化和智能化，更加强调设备与设备之间的智能感应，实现自动分析、推理、决策、控制的功能。以德国“工业4.0”计划为代表，包括美国的“再工业化”和日本的“复兴战略”，都有着共同的核心理念：数字化和智能化贯通工业生产的各个环节，打破了产品设计和制造之间的鸿沟，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各个方面的功能，降低设计到生产制造之间的不确定性，从而缩短产品设计到生产的转化时间，并且提高产品的可靠性和生产灵活性。

根据我国的国情，国家实施了“两化融合”策略，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化道路，其核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。在“两化融合”的基础上，国家又启动了“中国制造2025”计划的准备工作。中车株洲电力机车有限公司通过实施智能制造项目，充分利用现有生产制造资源，实现资源管理的数字化、智能化以及生产过程的精益化和信息化等提质改造升级，有效提升关键零部件转向架的生产制造，率先实现由技术跟随到技术引领的转变，同时通过信息技术的拓展，达成工业化和信息化的深度融合，推动工业新的革命性变革，建成资源节约型、环境友好型企业。

1 目前存在的问题

目前虽然已经构建了整个企业的信息化平台框架，但还没有得到全面的深层次应用，依然存在一系列信息孤岛。此外，由于产品制造工艺流程长、工序分散、制造质量要求高、产品种类繁多，制造精度和稳定性也难以达到日益提高的产品精度的要求，已经不能适应目前的生产模式。主要问题集中在制造资源、信息技术以及质量管控手段落后等方面，具体问题如下。

1)基础设施配套能力不足。生产设备老旧，数字化改造成本高，风险高，无法纳入数字化柔性制造的生产体系，严重影响了生产效率和产品质量稳定性，严重制约了整机和系统的集成能力。

2)信息系统应用程度不够。三维工程化平台和ERP系统总体框架已经覆盖了转向架制造单元管理与生产的主要范围，但在应用深度上还有不足，与实现智能化工厂目标还有一定差距，各种管理与生产系统功能还有待进一步扩展与完善。

3)信息数据流未彻底打通。各业务板块均有信息系统，且已经实现了生产计划和物料信息向操作者的自动下发，但各设备仍然是信息孤岛，既不接收来自三维工程化平台和ERP系统的数据，也不实时采集数据反馈到其他系统，数字化平台的集成度不够，存在信息孤岛现象。

4)物料配送齐套性差。生产物料主要通过人工和半自动化形式流转，物流准时率、准确率较低，停工待料的情况时有发生。

5)质量控制和追溯难度大。现有质量管控模式难以满足市场和业主的需求。质量数据手工填写，现场纸质记录较多，未实现质量在线检测，检测数据不能自动输出；产品质量管控和追溯难度较大。

2 解决方案

2.1 总体技术思路

智能制造整体技术结构框架如图1所示。

图1 总体技术思路

通过实施智能制造，贯通设计与生产的各个环节，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各个方面的功能，降低设计到生产制造之间的不确定性，提高产品质量的可靠性。

2.1.1 新建智能化生产线

以工位制为基础，新建自动化程度和信息化集成程度较高的生产线，主要由轮轴智能化生产线、构架焊接生产线、制动盘组装生产线、总成生产线等组成。采购了先进的加工设备，如机械手、焊接机器人，自动拧紧机、立体仓库，AGV小车等设备。

诸如车轮智能化生产线各设备均能实现自动定心夹紧。整个生产线可实现加工过程实施追踪可视化。生产计划、尺寸检测数据和设备参数等制造信息由生产线中控系统与MES系统实现自动采集和传输，生产过程通过MES系统进行统一管控。

装配生产线以工位制进行合理设计和布局，配置主要由AGV运输系统、螺栓自动拧紧系统等工艺装备。通过AGV进行各工位之间物料的转运。整个生产线信息系统具备产品信息数据、检测数据、扭矩数据等信息的采集与处理等功能。实现节拍化流水线作业，提高生产效率。

2.1.2 扩展ERP系统与三维工程化平台

2.1.2.1 企业ERP系统扩展方案

对ERP系统进行扩展，就是为信息化与工业融合提供一个可落地的管理平台，为公司经营管理者提供一个最实时、最简洁、最有效的管理工具。

1)实现产品履历、质量检验记录、不合格品NCR处理等控制管理，有效对产品的构成、加工过程、维保等进行完整记录，把隐形问题显性化，把车间问题透明化，提升异常事件处理效率和处理质量，并可实时查看处理过程和处理结果，建立正向、逆向追溯体系，快速定位质量物料的状态和范围。

2)实现按设备能力计划排程，在生产计划下达之前，实现获知设备的加工能力，合理安排设备的运作，将会对生产计划的合理性、保障计划按预定节拍的生产提供极大帮助。

3)实现与数控设备的对接，获取设备实时状态，参数是进行按设备能力排程、监控生产进程、管控产品质量的必要保证。

2.1.2.2 三维工程化平台扩展方案

三维工程化平台将从平台优化完善和推广应用两方面开展工作，推广应用设计、工艺一体化TC系统平台，在运行的同时优化软件系统技术及产品数据管理流程。

1)推广应用。分别用机车产品、城轨产品在TC平台上运行。

2)平台完善与优化。完善技术平台功能模块，优化既有软件系统技术及产品数据管理流程。

(1)工艺体系TCM平台完善与优化。全面梳理公司工艺工作各环节的技术、管理业务流程和技术规范，结合TCM系统平台的功能模块，完善各项工艺设计标准模版、签审体系、编码体系，将工艺设计工作与管理流程固化在TCM系统平台内，以平台为载体实现工艺工作的系统化、标准化。

标准工艺、工位、工步建立与应用：在某项目试运行的基础上，分专业分产品提炼标准工艺、工位、工步。整理试运行中出现的软件系统问题，完善软件功能及改进UI，方便用户操作，优化程序代码使得TCM系统运行安全、稳定。

(2)数据结构完善与优化。BOM功能优化：EBOM、PBOM、MBOM数据同源，通过状态标识实现多个BOM数据的隔离。BOM全配置研究：根据模块化设计状况，研究EBOM、PBOM、MBOM配置化管理，ERP中的制造BOM实现订单配置。

(3)工艺仿真平台应用。推进焊接、装配等工艺仿真技术深入应用，完善产品工艺验证，逐步解决产品实物工艺验证存在的成本高、周期长等问题；开展数字化厂房虚拟规划，实现整个厂房布局、工艺路线、物流路线的仿真模拟；搭建工艺系统工艺仿真专用服务器，建立工艺仿真管理平台和产品仿真数据库。

3)重点突破。围绕智能制造项目，结合生产线的数字化提质升级以及物流配送自动化，在产品数据层面全面应用设计、工艺、制造一体化数据平台，在生产制造中实现产品数据、工艺数据、制造数据、现场数据采集数据链的关联应用。

2.1.3 集成数字化平台

数字化平台方案构架以MES系统作为核心，对制造单元内的制造资源、计划、流程等进行管控，与产品设计紧密关联，通过系统集成，与企业层和设备控制层交换数据，形成制造决策、执行和控制等信息流的闭环。

1)MES系统方案。通过MES系统接收ERP生产订单，结合实际生产能力进行APS高级排程生产现场作业执行计划，运用智能手机终端、Wi-Fi技术实现移动收货、派工、开工、完工及报故障等内容。同时，通过MES系统与三维工程化平台系统对接，实现工艺作业指导书、工艺文件、三维图纸、立体装配演示等内容的无纸化传递。MES系统业务构架如图2所示。

图2 MES系统业务构架

2)制造资源管理系统方案。制造资源的状态、能力等信息的获得是生产数字化的前提和基础，制造资源的信息通过设备数据采集卡、二维条码、RFID射频、摄像头、传感器等手段进行采集，通过局域网、无线网、RFID射频等方式进行数据传输，汇总到制造资源管理系统，形成对设备管理、工装工具、运输设备、人力资源等制造资源在生产过程中信息的实时获取或管理，并实时反馈给MES系统进行生产计划规划。

3)自动化物流管理系统方案。通过内部物联网建立，实现物流信息采集智能化；引入自动化立体仓库、仓储管理系统(WMS)、AGV小车控制系统与物流仿真系统等现代化物流设备设施，通过对接MES系统接收物流配送计划，通过二维码和RFID射频标签进行物料的自动识别、分拣和记录，实现物料在立体仓库的自动化存储和到工位的自动化配送；同时能够对生产过程中异常工位缺料进行即时响应，并通过对物料数据的历史分析，实施在线仿真的智能调度，实现物流可视化；智能匹配生产计划和物料需求计划，进行工位缺料报警和库存缺料报警，以及进行库房统计分析和报表输出。

4)质量过程控制系统方案。质量过程控制系统关键在于建立产品的电子履历，实现制造过程中产品质量的可追溯性。由现场作业人员按照企业质量检测标准进行质量数据采集、检验，检验结果通过移动应用端进行实时记录，并根据物料、产品与作业人员的二维条码标签进行数据关联，建立产品对应的质量电子履历，将数据反馈到MES系统中进行体现，实现质量电子履历数据的记录、查询、汇总和分析功能，实现质量过程检测的实时性和可追溯性。

5)现场目视化信息管理系统方案。现场目视化信息管理系统主要由中央控制室、显示终端和各种显示屏看板组成。中央控制室将来自MES系统的生产系统数据与三维模型进行关联后实现整个制造单元的运行仿真，并且对生产异常情况能够进行实时调用查看，能够通过摄像头直接查看生产异常位置的现场实际情况；各种看板主要用来数据化反馈生产过程中的进程、物料、设备等方面的信息，并能通过云技术实现手机移动看板的展示，满足现场动态随时随地掌控生产信息的需求。

2.1.4 物流配送智能化

智能化物流配送系统包括：自动化立体仓库、AGV控制系统、内部物联网和集成化物流管理控制系统WMS、物流仿真平台。

2.1.4.1 自动化立体仓库

建立自动化立体仓库(见图3)，仓库主要包括两大部分：高层货架、巷道堆垛机。轮对驱动装置组装所需的大部分物料(如齿轮箱、环类件等)均通过自动化立体仓库堆垛机在库房进行工位工序物料托盘单元化自动存储和取货。

图3 自动化立体仓库

自动化立体仓库对物料采用高架自动存取方式，通过巷道堆垛机对物料进行自动存取，提高了出入库作业效率。堆垛机的控制系统通过无线网络与其他控制设备进行数据通信，对堆垛机运行进行实时监控，随时掌握堆垛机系统的运行状态和作业参数，保证巷道堆垛机高效、稳定、可靠地运行。

立体仓库设计为存储2天生产任务所需的物料，以此作为生产物料的缓冲区域，有效避免物料异常对生产进度的影响。

2.1.4.2 AGV控制系统

AGV小车由控制系统根据现场生产节拍实现物料从自动化立体仓库自动配送到现场各工位，生产区预留专门物料通道。生产过程中如出现缺料现象，通过人工触发按钮向仓储系统传送缺料请求，系统会在相应的位置发出声光报警提醒，AGV小车根据人工呼叫要求配送相应的物料，包括将空托盘运回指定区域。AGV小车配送能实现柔性运输，使整个制造单元的物流运输通畅、快捷、有序。

2.1.4.3 内部物联网和集成化物流管理控制系统WMS

内部物联网是通过各种信息传感设备及信息自动采集与识别技术(包括条码、RFID等)、智能终端定位跟踪与仿真技术等的使用，按通信协议，通过MES、ERP等各种系统接入进行信息交换，以实现物料智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

集成化物流管理控制系统WMS接受来自ERP系统和MES系统的任务，并通过管理和调度所有物流设备有条不紊地去完成物流系统中各种特定的任务。

1)通过二维码和RFID射频标签实现物料流转过程中数据采集。依托二维码技术和RFID射频识别技术获取入库、检验、出库、仓位、工位配送运输和自制件加工流转各个环节的物料信息。通过数据收集，系统能够准确掌握生产物料、配送设备和自动化立体仓库的即时信息。

2)通过搭建仓库到车间现场的无线网络全覆盖，开发移动客户端应用直接访问ERP、WMS等系统，使得员工可以直接使用平板电脑，通过无线网络连接信息系统，在作业现场完成相应的数据处理，达到物料流转全过程的数据实时处理，实现信息流与实物流的完美统一。

3)实现库存齐套性分析功能，通过工序二维码、物料二维码标签，在物料配送至生产单位前进行工序(工位)物料的齐套性分析，以便及时响应设计变更以及生产计划变更的需求。

4)通过移动终端应用实现运输转运数字化。根据ERP系统下达的生产计划和MES系统制定的配送计划，将物料配送计划传输至各AGV小车的信息接收平台，实现物料输送信息自动记录，及时反馈，提高可追溯性。

2.1.4.4 物流仿真系统

物流模拟仿真系统从整个制造单元的仓储和物流进行仿真，厂房物流通道物流量分析、路口拥堵时间分析、生产产能验证和优化、生产过程中的物流瓶颈仿真和优化等，通过实时的数据监控、对比分析，验证物流配送规划的合理性和配送效率，能够对物流过程与调度进行不断优化，对生产单元异常需求作出及时响应。

2.1.4.5 MES与WMS集成

1)MES系统按照生产计划将物料需求计划通过系统接口传递至WMS系统中。

2)WMS系统应按照物料需求计划，提前按最小配送单元(原则上应是工序)的物料进行整合并存放在同一储存容器(托盘等)中，若需要存放多个储存容器中，系统自动记录该工序物料存放的所有储存容器。

3)WMS系统依据MES系统传递过来的物料需求计划，设置好配送提前期(即依据需求时间提前多少时间开始进行自动配送)制订物料配送计划，并自动发送相应的配送指令给自动化立体库。

4)自动化立体库依据配送计划，将配送指令传输至各AGV小车的信息接收平台，实现工序物料的自动配送。

5)AGV小车将物料配送至指定工位地点后，通过RFID技术自动完成配送。

6)有设计变更时，MES系统提前将变更信息传输至WMS系统中，WMS系统依据设计变更信息进行最小配送单元物料的调整。

2.1.5 质量控制智能化

通过智能传感器、二维码、RFID射频和MES系统实现产品质量在线检测和过程控制。

1)通过在生产线上设置传感器、测控系统实现在线监控，检测数据实现实时归档与反馈到系统，可及时发现不合格品，调整工序加工能力，提高产品质量。

2)通过二维码、RFID射频自动采集工件与物料信息，通过MES系统技术实现工件在线监控，防止工件加工错误和装配错误；建立产品对应的质量电子履历，将数据反馈到MES系统中进行体现，支持质量电子履历数据的记录、查询、汇总和分析功能，实现质量过程检测的实时性和可追溯性。

3)数字化质量记录终端。半自动化和人工质检的工序采用数字化终端，质检人员直接将产品检测数据录入移动终端，移动终端通过二维码或RFID射频标签自动完成对产品、操作者、加工设备和其他生产信息的识别，自动完成产品质量记录电子履历，并将质量数据汇总，通过SPC质量分析管理系统进行处理后反馈到MES系统，实时发布到移动终端。

3 取得的成效

1)效率提升。实现集中式工艺分区、精益化工位设计，工艺流程更为紧凑，工序间距缩短，物料流转更加迅速，生产效率提升了约30%。

2)柔性制造能力。解决多品种、小批量的生产在同一产线内的柔性和混线生产能力，小批量试制与大批量投产同步进行能力加强；设备柔性制造能力加强。

3)环境改善。改善生产作业环境，降低工人劳动强度，强调人机工程，充分体现绿色智造。

4)经济效益。每年质量损失率减少10%，运营成本降低18%。

4 结语

在既有的三维工程化平台和ERP平台基础上进行扩展，构建智能制造信息化平台，实现了设计、工艺、制造一体化，以及制造过程、信息采集、物料配送、产品质量管控的智能化。不仅显著提升了制造管控水平、生产与物流系统的柔性能力，提高了产品质量和生产效率，削减了人力成本，而且极大地改善了作业环境，降低了安全隐患。通过智能制造研究与应用，有助于该领域智能化工厂建设的标准体系和智能化生产管控标准流程的建立，对整个轨道交通装备制造业具有非常重大的示范意义。