大中型電機(jī)智能工廠建設(shè)研究

李云生，簡(jiǎn)金權(quán)，龍罡，張甲輝，周建榮

(1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

《中國(guó)制造2025》圍繞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，明確指出提高國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新能力和深度融合信息化、工業(yè)化等戰(zhàn)略任務(wù)，自此制造業(yè)信息化、智能化已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。根據(jù)日、美、歐共同發(fā)起實(shí)施的“智能制造國(guó)際合作研究計(jì)劃”中對(duì)智能制造的定義：智能制造系統(tǒng)是一種在整個(gè)制造過(guò)程中貫穿智能活動(dòng)，并將這種智能活動(dòng)與智能機(jī)器有機(jī)融合，將整個(gè)制造過(guò)程從訂貨、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到市場(chǎng)銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來(lái)的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)。電機(jī)歷來(lái)以工業(yè)動(dòng)力之源的形象出現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)，是中國(guó)制造業(yè)的重要組成部分，是智能制造裝備、新能源汽車、航空航天裝備等高端裝備制造業(yè)的核心裝備。而我國(guó)電機(jī)制造企業(yè)存在著諸多痛點(diǎn)：（1）典型的以小批量、多品種為代表的離散型制造模式；（2）設(shè)備繁多但是數(shù)據(jù)共享困難，信息孤島林立；（3）缺乏高端人才和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新能力不足。針對(duì)電機(jī)行業(yè)制造現(xiàn)狀，順應(yīng)《中國(guó)制造2025》的戰(zhàn)略目標(biāo)，本文提出了一種大中型電機(jī)智能工廠建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制造向自動(dòng)化、智能化、柔性化邁進(jìn)，帶動(dòng)電機(jī)制造業(yè)整體技術(shù)水平的提升。

1 大中型電機(jī)智能工廠建設(shè)方案

1.1 技術(shù)路線

智能工廠建設(shè)技術(shù)路線，從數(shù)字化建模、廠房建設(shè)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、智能設(shè)備和生產(chǎn)線安裝、信息化平臺(tái)部署、調(diào)試、優(yōu)化、驗(yàn)收等方面開(kāi)展。技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 智能工廠建設(shè)技術(shù)路線圖

1.2 數(shù)字化建模

數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化和智能化的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能化的前提條件。數(shù)字化工廠以制造資源(resource)、生產(chǎn)操作(operation)和產(chǎn)品(product)為核心，以產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等，是產(chǎn)品在生產(chǎn)工位、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線以及整個(gè)工廠中的所有真實(shí)活動(dòng)虛擬化，并對(duì)加工和裝配過(guò)程進(jìn)行仿真、試驗(yàn)、分析、優(yōu)化的一種集成組織方式。

數(shù)字化建模主要包含三維工廠建模、智能設(shè)備建模、工藝仿真三部分。

（1）三維工廠建模。三維廠房包含廠房和公用設(shè)備，屬于工業(yè)建筑范疇，目前主流建模技術(shù)為BIM。BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文縮寫，BIM是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象（如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息。借助這個(gè)包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。常用的BIM設(shè)計(jì)軟件有Revit、ArchiCAD、Bentley System、Tekla Structures。

（2）智能設(shè)備建模。生產(chǎn)設(shè)備模型復(fù)雜、建模要求高。通過(guò)人工獲取生產(chǎn)設(shè)備的的外形數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工拼接，通過(guò)建模的方式加以整理，將各個(gè)孤立的單視角三維數(shù)字模型無(wú)縫集成。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)調(diào)研和自主研發(fā)目前大、中型電機(jī)行業(yè)智能裝備、生產(chǎn)線和基于工業(yè)機(jī)器人的柔性生產(chǎn)單元主要有以下幾種：

①高壓線圈成型柔性生產(chǎn)線。高壓線圈成型柔性生產(chǎn)線是由三維桁架機(jī)器人、繞線機(jī)、包保護(hù)帶機(jī)、漲型機(jī)、包帶機(jī)、數(shù)控包防暈帶機(jī)，包鼻端工作臺(tái)等組成，其工藝流程為：繞線→包保護(hù)帶→漲型→拆白布帶→包云母帶和包鼻端。通過(guò)智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線圈成型全過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)。

②電機(jī)島式裝配線。電機(jī)島式裝配線，以RGV小車為電機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)工具，在RGV小車運(yùn)行軌道兩旁按裝配工位設(shè)置裝配島，RGV小車在呼叫器指揮小自動(dòng)將電機(jī)從被呼叫工位轉(zhuǎn)運(yùn)到呼叫工位

③電機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線。電機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線由機(jī)座定子裝配島、轉(zhuǎn)子軸承裝配島、人工裝配區(qū)域、AGV物流島和電機(jī)自動(dòng)測(cè)試房組成。

④端蓋柔性化生產(chǎn)單元。端蓋柔性化生產(chǎn)單元由1臺(tái)六軸工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)上下料，3臺(tái)數(shù)控機(jī)床負(fù)責(zé)端蓋各個(gè)工序加工，實(shí)現(xiàn)一個(gè)柔性生產(chǎn)單元完成端蓋所有加工工序。

⑤電機(jī)軸柔性化生產(chǎn)單元。電機(jī)軸柔性化生產(chǎn)單元由軸上、下料輸送機(jī)、六軸工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床組成，實(shí)現(xiàn)一個(gè)柔性生產(chǎn)單元完成電機(jī)軸所有加工工序。

⑥多機(jī)型定子鐵芯機(jī)器人疊片系統(tǒng)。近年來(lái)有很多大型的定子鐵芯機(jī)器人疊片系統(tǒng)研制出來(lái)，該系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、硅鋼片定位模具、硅鋼片自動(dòng)上料系統(tǒng)和工業(yè)相機(jī)組成，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)疊片。

生產(chǎn)設(shè)備建模軟件有SolidWorks、UG、Pro/Engineer。

⑦工藝仿真。在廠房和智能設(shè)備建模完成的基礎(chǔ)上，采用Flexsim和Visual Component兩種主流仿真軟件同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行真實(shí)模仿，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到各種工況的仿效記錄，進(jìn)而驗(yàn)證項(xiàng)目的有效性、合理性和優(yōu)化效果。

1.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出給智能制造、智能工廠提供了一個(gè)新的突破口。工業(yè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。電機(jī)企業(yè)的整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可分為四層，分別是：硬件設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層、基礎(chǔ)架構(gòu)層、工廠應(yīng)用層，在電機(jī)行業(yè)智能工廠的車間，每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)很多形式的分析，包括設(shè)備開(kāi)機(jī)率、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)率、主軸負(fù)載率、運(yùn)行率、故障率、生產(chǎn)率、設(shè)備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質(zhì)量百分比等。在生產(chǎn)工藝改進(jìn)方面，在生產(chǎn)過(guò)程中使用這些大數(shù)據(jù)，就能分析整個(gè)生產(chǎn)流程，了解每個(gè)環(huán)節(jié)是如何執(zhí)行的。一旦有某個(gè)流程偏離了標(biāo)準(zhǔn)工藝，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)，能更快速地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或者瓶頸所在，也就能更容易解決問(wèn)題。

1.4 智能設(shè)備組網(wǎng)集成方式

（1）硬件方式。硬件方式集成是指通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的方式配合對(duì)應(yīng)的總線通訊硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接。電機(jī)工廠設(shè)備中的控制器種類繁多，如三菱、西門子、臺(tái)達(dá)、歐姆龍等等。涉及的通訊協(xié)議種類有CC-Link、Profibus-DP、RS-485、PROFINET、TCP/IP、Ethernet等。

（2）軟件方式。設(shè)備集成方式為各個(gè)單機(jī)設(shè)備通過(guò)與設(shè)備控制器對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議的將控制系統(tǒng)連接至工控機(jī)或者專用服務(wù)器。通過(guò)在工控機(jī)或者是服務(wù)器開(kāi)發(fā)API（應(yīng)用接口程序）實(shí)現(xiàn)與單機(jī)設(shè)備的通訊。再通過(guò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)建立系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互進(jìn)行統(tǒng)一管理。而開(kāi)發(fā)API有兩種方式：一種為不同通訊協(xié)議需要定制開(kāi)發(fā)，定制開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，另一種為基于OPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備集成，目前用于數(shù)據(jù)交互的重要的兩個(gè)規(guī)范是OPC DA規(guī)范和OPC UA規(guī)范。

1.5 信息化平臺(tái)部署

針對(duì)大、中型電機(jī)行業(yè)獨(dú)有特點(diǎn)，在信息化建設(shè)方面主要以PDM為主軸，產(chǎn)品信息貫穿制造全過(guò)程；如果企業(yè)已有ERP，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，沒(méi)有則引進(jìn)；引進(jìn)MES，進(jìn)來(lái)起生產(chǎn)系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)的聯(lián)系；引進(jìn)WMS，建立起倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，加強(qiáng)物料可追溯性，實(shí)現(xiàn)智能物料配送，提高物料管理效率。大中型電機(jī)企業(yè)典型的信息化平臺(tái)加工圖見(jiàn)2。

圖2 信息系統(tǒng)平臺(tái)

ERP、PDM和MES三者不可或缺、不可替代，為了保證企業(yè)運(yùn)營(yíng)的最優(yōu)化，需要3個(gè)系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，三者在開(kāi)發(fā)和運(yùn)維過(guò)程中需遵循以下原則：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化：基礎(chǔ)編碼的標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）及時(shí)性：這不僅僅是因?yàn)槿呒?，要求及時(shí)性，就每個(gè)系統(tǒng)自身的運(yùn)行，也要求各種及時(shí)性。

（3）協(xié)同性：3個(gè)系統(tǒng)畢竟是獨(dú)立的系統(tǒng)，自身都有自己一套完整、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪\(yùn)行邏輯和體系，但要做到三者的集成，就要兼顧協(xié)同作用。在任意系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，都要考慮對(duì)其他系統(tǒng)的影響。

2 建設(shè)示范工程及驗(yàn)證實(shí)施效果

示范工程項(xiàng)目在某電機(jī)廠高壓成型線圈車間實(shí)施，車間實(shí)施區(qū)域?yàn)?2米×70米，空間凈高為7.35米。項(xiàng)目實(shí)施了生產(chǎn)線前3個(gè)工位，機(jī)器人實(shí)施長(zhǎng)度為15.75米，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)3。

圖3 某電機(jī)廠示范示范工程

線圈制造管理信息系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)共享，結(jié)合自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的上下料機(jī)器人、線圈抓取機(jī)械手等新設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和各工序設(shè)備的自動(dòng)匹配并完成電機(jī)線圈的自動(dòng)搬運(yùn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整條生產(chǎn)線，對(duì)加工關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)和作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的故障報(bào)警信息和做歸檔記錄，并且預(yù)留和企業(yè)其他信息系統(tǒng)（MES、ERP等）的通信接口。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)智能制造理論進(jìn)行闡述，接著分析了電機(jī)制造企業(yè)現(xiàn)狀及電機(jī)制造向自動(dòng)化、智能化、柔性化發(fā)展的需求，提出了一種大中型電機(jī)智能工廠建設(shè)方案，并通過(guò)建設(shè)示范工程對(duì)方案可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)施效果良好，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證本方案能夠提升電機(jī)制造業(yè)整體技術(shù)水平，有一定的市場(chǎng)推廣意義。