工廠數(shù)字化建設(shè)在涂裝車間的應(yīng)用與發(fā)展

　　前言：

　　數(shù)字化工廠是伴隨著自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的飛速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的，尤其是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的普及使得一些傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場控制和管理技術(shù)有了革命性突破。通過它可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、成本和設(shè)備管理的高效化和便捷化。工廠數(shù)字化將來也會成為工廠規(guī)劃和建設(shè)的典范。通過國內(nèi)大多汽車涂裝生產(chǎn)線的比較，奇瑞汽車股份有限公司第二涂裝車間是目前國內(nèi)涂裝行業(yè)較為先進(jìn)的數(shù)字化工廠之一;主要工藝處理流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化可視化管理。下面我們從三個(gè)方面來闡述我們第二涂裝工廠數(shù)字化建設(shè)以及具體應(yīng)用。

　　1.工廠數(shù)字化建設(shè)思路

　　1.1 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)裝備數(shù)字化

　　工廠數(shù)字化的前提是構(gòu)建安全、快速的系統(tǒng)平臺，目前車間由計(jì)算機(jī)主機(jī)平臺、網(wǎng)絡(luò)平臺、數(shù)據(jù)庫平臺等所組成的系統(tǒng)平臺為信息的傳遞建成了一條信息“高速公路”，計(jì)算機(jī)的廣泛普及使它們成為全體管理人員和機(jī)臺操作人員日常工作的工具。

　　1.2 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字化

　　從開關(guān)機(jī)，前處理、電泳，油漆噴涂，烘干過程、能源消耗消耗過程、質(zhì)量控制過程到設(shè)備管理和保障過程的每個(gè)環(huán)節(jié)都將通過計(jì)算機(jī)自動采集現(xiàn)場信息控制來實(shí)現(xiàn)，既是一個(gè)提高效率的過程又是一個(gè)規(guī)范操作的過程。

　　1.3 實(shí)現(xiàn)分析應(yīng)用數(shù)字化

　　對主要工藝處理和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及相關(guān)的參數(shù)編制實(shí)時(shí)的控制圖可以使對現(xiàn)場生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這類控制圖在上位機(jī)進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)反應(yīng)生產(chǎn)情況的波動;對重要采集的工藝參數(shù)以趨勢圖方式提供趨勢分析，使管理人員能對其的發(fā)展趨勢有所了解，更易對遇到的問題進(jìn)行處理。

　　2.數(shù)字化工廠架構(gòu)

　　架構(gòu)一般可分為3層，即基礎(chǔ)設(shè)備層，設(shè)備控制層和可視管理層。以二涂車間為例我們采用西門子SIMATIC先進(jìn)的控制技術(shù),對現(xiàn)場設(shè)備的控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行多層次有效劃分，在投入少、工期短，性價(jià)比高的情形下，解決數(shù)字化工廠建設(shè)需求問題。

　　2.1 基礎(chǔ)設(shè)備層-執(zhí)行器件

　　是指那些處于只能被動接收指令的原始元器件或基礎(chǔ)設(shè)施。如泵、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、接近開關(guān)、光柵、傳感器件(如電磁閥、氣動單元、光電傳感器、流量計(jì))等及其現(xiàn)場執(zhí)行器件。

　　2.2 設(shè)備控制層--現(xiàn)場總線

　　設(shè)備控制層由主控制PLC400(如西門子S5、S7系列)、PU操作控制臺、MOVIMOT，REDIS，變頻器并通過現(xiàn)場總線ProfiBus使之組成有機(jī)的設(shè)備控制層。所有分布式I/O產(chǎn)品都按一定的控制范圍安裝于分布式I/O控制箱內(nèi)，盡可能減少硬件布線及故障點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也方便了今后系統(tǒng)的維護(hù)。

　　2.3 監(jiān)控管理層現(xiàn)--工業(yè)以太網(wǎng)

　　監(jiān)控管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，連接著主控制PLC與上層工控設(shè)備，編程設(shè)備以及相關(guān)設(shè)備。工業(yè)以太網(wǎng)卡在PLC上為CP443接口模板,工控機(jī)為8針網(wǎng)口接口模板。工業(yè)組態(tài)軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC交換數(shù)據(jù)。本方案中采用工業(yè)以太網(wǎng)充分考慮到了其具有的協(xié)議通用性、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)以及開發(fā)應(yīng)用程序周期短優(yōu)點(diǎn)。采用工業(yè)以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控管理層主要由主控制PLC、HMI及其編程設(shè)備組成，通過TCP/IP方式實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)可更方便地向上組成工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)(FIS)，順應(yīng)了當(dāng)前汽車行業(yè)訂單制造的發(fā)展趨勢。

　　3.涂裝車間數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用

　　涂裝車間數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)來工作的可視化數(shù)字化操作系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)建立在工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，可以安裝在MS WINDOWS 2000SP4或MS WINDOWS XPSP2以上版本。其組態(tài)畫面我們采用全球著名Intouch軟件生成，它是Wonderware公司開發(fā)的世界上第一個(gè)集成的、基于組件的MMI系統(tǒng)——Factory Suite 2000中的一個(gè)核心組件。它具有世界領(lǐng)先的HMI和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，便于高效、快捷地配置用戶的應(yīng)用程序。軟件專用于可視化和控制工業(yè)生產(chǎn)過程，它提供了一種易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，使工程開發(fā)人員能夠快速地建立、測試和部署強(qiáng)大的連接和傳遞實(shí)時(shí)信息的自動化應(yīng)用。也廣泛應(yīng)用于包括食品加工、石油、汽車、半導(dǎo)體、化工、制藥、紙漿和造紙、交通等在內(nèi)的全球眾多縱向市場。

　　3.1 涂裝車間數(shù)字化系統(tǒng)功能

　　1)生產(chǎn)信息的管理及設(shè)備監(jiān)控功能

　　不同設(shè)備，不同車型，工藝參數(shù)也不同。為適應(yīng)不同車型的混線生產(chǎn)，該系統(tǒng)建立了設(shè)備狀態(tài)信息收集和噴涂工藝數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)能夠進(jìn)行工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)與管理,可以在線或離線進(jìn)行工藝參數(shù)的局部或全部修改;如溫濕度，液位壓力、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、流量、成形空氣、高壓值等并自動記錄所有參數(shù)修改記錄，方便的車身處理工藝參數(shù)日后查詢分析。該系統(tǒng)能夠?qū)υ诰€生產(chǎn)的所有車身進(jìn)行分類查詢?nèi)畿囆汀㈩伾⑼ㄟ^時(shí)間等。還可以顯示目前所有車身在制狀況以及車身目前位置以及及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器開關(guān)狀態(tài)、手自動模式，動能消耗、當(dāng)前位置等。

　　2)系統(tǒng)自診斷、報(bào)警系統(tǒng)

　　采用NAD分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)操作人員可以再現(xiàn)場的任一終端站點(diǎn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障源。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無論手動或自動控制模式，只要故障發(fā)生系統(tǒng)將顯示故障報(bào)警并提示故障產(chǎn)生的可能原因。操作者可對報(bào)警進(jìn)行應(yīng)答及排除故障后復(fù)位，并通過顏色區(qū)分哪些報(bào)警已做了復(fù)位，哪些報(bào)警只是做了應(yīng)答，并形成故障報(bào)警及修復(fù)記錄。

　　3)用戶管理

　　通過DPIS系統(tǒng)管理人員操作人員的權(quán)限可以分發(fā)到指定的機(jī)器，并規(guī)定其操作范圍和操作權(quán)限最大程度地保護(hù)人員以及設(shè)備的安全。也可以通過預(yù)先對用戶設(shè)置定義并管理。所有的操作者可以瀏覽目前使用的工藝參數(shù)、生產(chǎn)及設(shè)備狀態(tài)，但不可以進(jìn)行修改。除非他被賦予足夠的權(quán)限，通過輸入個(gè)人密碼確認(rèn)后，才能進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的修改。所有的修改也將形成歷史修改記錄，以備追溯。　　

3.2 現(xiàn)場數(shù)字化實(shí)際應(yīng)用(EMOS和ECOSCREEN)

　　涂裝車間EMOS系統(tǒng)是一種友好的大型人機(jī)交互系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)開關(guān)機(jī)自動手動操作、適時(shí)故障報(bào)警通知、溫度濕度范圍調(diào)節(jié)、油漆車身定色以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。在生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)過程中起著重要作用。系統(tǒng)界面包括輸送和熱工設(shè)備占據(jù)車間的大部分區(qū)域，如：空調(diào)供風(fēng)、烘房、輸送滾床、RODIP、電泳整流等將分布于車間不同層面的大范圍區(qū)域現(xiàn)場設(shè)備有機(jī)的組合起來，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以做到所有關(guān)鍵設(shè)備和工藝過程一覽無余。同時(shí)也是為了更方便工作人員操作各機(jī)組而設(shè)置的可視化和標(biāo)準(zhǔn)化簡易操作工具。由于其范圍較大所以在現(xiàn)場安裝有網(wǎng)絡(luò)柜將分散的區(qū)域通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集中控制。子網(wǎng)采用SIMATIC網(wǎng)絡(luò)將底層執(zhí)行器件連接起來。如下圖所示：

　　Emos子網(wǎng)采用先進(jìn)的SIMATIC網(wǎng)絡(luò)能使得不同層次的設(shè)備通訊快速響應(yīng)。

　　3.3 EMOS關(guān)鍵工藝及設(shè)備參數(shù)的管理

　　噴漆室是涂裝作業(yè)的重要場所，不管是對車身質(zhì)量還是人員的操作環(huán)境都有很大影內(nèi)顯得尤為重要，通過此界面我們可以實(shí)時(shí)的了解當(dāng)前噴漆室溫濕度狀況。如下圖所示：

　　涂裝車間ECOSCREEN側(cè)重于精確控制，主要負(fù)責(zé)車身油漆噴涂通過霧化裝置使得油漆附著在白車身表面。其頂部應(yīng)用程序?qū)釉试S用戶與整個(gè)系統(tǒng)交互式地工作,圖形用戶界面(可視化)提供功能來控制整個(gè)系統(tǒng)及其各部件并且顯示狀態(tài)和錯(cuò)誤信息。并通過以太網(wǎng)通信系統(tǒng)連接到層次結(jié)構(gòu)中間層上的控制器。該中間應(yīng)用程序?qū)又饕杏糜谶^程和安全控制的控制器，這些控制器是不帶鍵盤和屏幕的專用計(jì)算機(jī)，也就是說它們不適用于直接用戶通信，由各個(gè)程序控制，它們進(jìn)行安全控制(安全PLC)、過程控制(過程PLC作為總線主設(shè)備)以及子過程控制(EcoRC2)，它們相互連接并通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)與底層部件連接，通過SERCOS通信系統(tǒng)與驅(qū)動裝置連接。底層部件用于物理機(jī)械裝備控制例如軸線和計(jì)量泵驅(qū)動裝置電子氣動部件和高電壓部件。如下圖所示：

　　4.工廠數(shù)字化建設(shè)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

　　總之?dāng)?shù)字化工廠的建設(shè)，離不開運(yùn)用各類先進(jìn)的技術(shù)，但是這幾年的實(shí)際應(yīng)用告訴我們，千萬不要片面追求技術(shù)的高、新、全，關(guān)鍵是要選擇合適的、恰到好處的技術(shù)。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是功能方面，另一個(gè)是推廣方面，功能方面要先了解自己的應(yīng)用有哪些，只要夠用即可，不要新建了一個(gè)項(xiàng)目，結(jié)果只用了其中的最簡單功能，這是對資源的極大浪費(fèi);在推廣性方面就更重要了，一個(gè)產(chǎn)品如果技術(shù)含量很高，但只能在局部范圍使用，無法推廣，它的價(jià)值就無法體現(xiàn)出來，也就失去了意義。

　　同時(shí)隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，信息化技術(shù)已深入到制造業(yè)的各個(gè)層面。從廣義上來講數(shù)字化工廠就是覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化，并最終通過集成實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠數(shù)字化。對于設(shè)備控制層的數(shù)字化越來越多地采用嵌入式系統(tǒng)，并以現(xiàn)場總線為其信息通道，和上層以Internet/Intranet為基礎(chǔ)的制造信息分析和處理層結(jié)合，形成的數(shù)字化工廠信息構(gòu)架，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠、企業(yè)之間的數(shù)字化。從當(dāng)前國內(nèi)形勢來看企業(yè)也越來越重視制造業(yè)的信息化和數(shù)字化應(yīng)用。