汽車零部件企業(yè)數(shù)字化車間管理系統(tǒng)概況分析

謝綏萍，周后文

（內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

近年來中國汽車零部件制造企業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，但是距離世界先進的汽車零部件制造企業(yè)還有很大的差距。根據(jù)《美國汽車新聞》對外公布的2022 年全球汽車零部件供應商百強榜的排名中可以發(fā)現(xiàn)：全球前20 大車企中，中國有5 家，但全球前20 大汽車零部件企業(yè)中，中國卻只有1 家。中國貢獻了全球31%的汽車產(chǎn)量，但全球前100 家零部件企業(yè)中，中國只占12%。中國零部件企業(yè)理應發(fā)展?jié)摿薮?，然而，最近幾年全球?jīng)濟增長放緩，汽車行業(yè)整體增長也隨之減速，利潤收窄，為中國零部件企業(yè)平添了多重壓力[1]。一方面是發(fā)展的潛力，另一方面是轉(zhuǎn)型的壓力，中國零部件企業(yè)在賽道切換的過程中實現(xiàn)換道超車難度可想而知。中國頭部汽車零部件企業(yè)正紛紛采取拓展多元化客戶結(jié)構(gòu)、推進產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級、積極尋找海外并購機會等手段[2-3]。然而，傳統(tǒng)降本增效手段收效甚微、供應鏈不確定性上升、新賽道投資需求增大、傳統(tǒng)研發(fā)與供應鏈合作模式過時、大型并購整合經(jīng)驗和能力不足等挑戰(zhàn)層出不窮，中國汽車零部件企業(yè)想在轉(zhuǎn)型中快速成長絕非易事[4]。

中國政府也在大力推進以數(shù)字化轉(zhuǎn)型為整體驅(qū)動的生產(chǎn)和經(jīng)濟各個方面的變革，并且2021 年通過了《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》，其中明確了數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為中國國家的戰(zhàn)略目標。因此，中國汽車零部件企業(yè)需要重新審視數(shù)字化轉(zhuǎn)型的價值，制定數(shù)字化轉(zhuǎn)型路線圖，建立以業(yè)務價值為導向的數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)，同時變革管理架構(gòu)、思維與能力[2]。制定數(shù)字化轉(zhuǎn)型路線圖和清晰的數(shù)字化目標。全面評估數(shù)字化的潛力，設立清晰的數(shù)字化目標，從公司層面制定清晰的轉(zhuǎn)型路線圖。避免各部門盲目摸索，簡單試點，從而造成進退兩難的局面。建立以業(yè)務價值為導向的數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)。將數(shù)字化轉(zhuǎn)型覆蓋從生產(chǎn)管理至質(zhì)量管理、設備管理、供應鏈管理等價值鏈環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)管理方面引入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Production Executive System，PES）[3]，在質(zhì)量管理方面引入質(zhì)量管理系統(tǒng)（Quality Data Analysis，QDA）[4]，在設備管理方面引入智能預防性維護系統(tǒng)（Intelligentpreventivemaintenancesystem，IPMS）[5]。同時，還需要整合各數(shù)字化平臺將IT 系統(tǒng)與各個數(shù)據(jù)模塊進行聯(lián)通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)—傳感器—機器學習—自動化設備的閉環(huán)。

1 數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)整體架構(gòu)和系統(tǒng)集成

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，從頂層設計到實施方案及落地應用。在面向全車間管理環(huán)節(jié)的綜合集成應用及在多個系統(tǒng)應用的場景過程中，對制造全流程質(zhì)量管理能力、工業(yè)數(shù)據(jù)管理能力、預測優(yōu)化能力等要求越來越高，而實現(xiàn)拓展及落地的關(guān)鍵就是先進技術(shù)牽引[6]。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)采用了新一代信息技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能技術(shù)等多項先進技術(shù)，擁有生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（PES）、質(zhì)量管理系統(tǒng)（QDA）、智能預防性維護系統(tǒng)（IPMS）等多個先進系統(tǒng)，實現(xiàn)了人、機、料、法和環(huán)等關(guān)鍵要素的互聯(lián)互通，規(guī)避了生產(chǎn)不清、庫存不準、效率不高等制造業(yè)普遍存在的問題，使企業(yè)在數(shù)字化、智能化、綠色化發(fā)展領域始終保持行業(yè)領先水平。

1.1 數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

首先，數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)需要符合公司的發(fā)展愿景。其次，該系統(tǒng)需要與公司現(xiàn)有的運營體系，如精益生產(chǎn)體系、質(zhì)量管理體系進行有機的結(jié)合[7]。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)是應該以獨立的雙機熱備份服務器為運算存儲處理中心，將數(shù)字化車間分為4 個層次：現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)采集層、運營監(jiān)控層和企業(yè)經(jīng)營層。

1.2 數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)集成

B 汽車零部件公司屬于離散型的制造企業(yè)，并且是按照從原材料加工一直到成品組裝的全工藝鏈布置生產(chǎn)車間布局，其中吹塑和機加工中心屬于工藝鏈中成本投入較大、管理精度要求高且產(chǎn)品附加值高的工藝類型。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)包含生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（PES）、質(zhì)量管理系統(tǒng)（QDA）、智能預防性維護系統(tǒng)（IPMS）等多個先進系統(tǒng)。

按ISA-95 標準，數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)可分為4 層，自下而上分別為：現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)采集層、運營監(jiān)控層和企業(yè)經(jīng)營層。

1.2.1 現(xiàn)場設備層

B 公司數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的現(xiàn)場設備層包含吹塑機、集成一體化機加工中心、氦氣檢測氣密性設備等大量先進設備，以及大型轉(zhuǎn)臺機、工業(yè)機器人等復雜設備和系統(tǒng)集成。如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場設備層

B 公司的產(chǎn)品為吹塑產(chǎn)品，其具有重量輕、安全性高、防腐能力強等優(yōu)勢，且綜合成本相較鐵質(zhì)油箱更有競爭力。B 公司采用的吹塑設備性能穩(wěn)定、可靠性強，并采用了多項先進的控制技術(shù)，如螺桿清洗自動啟動技術(shù)、關(guān)鍵參數(shù)采集技術(shù)、液壓及成型系統(tǒng)預測性維護技術(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠和設備的無故障運行。

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量的絕對可靠，產(chǎn)品在下線前100%進行氣密性測試，采用業(yè)內(nèi)最精密的氦檢方式。氦檢設備擁有獨立的數(shù)據(jù)庫記錄檢測過程的所有數(shù)據(jù)。服務器上的預防性軟件從PLC 讀取數(shù)據(jù)，通過采集每個產(chǎn)品的泄露率、本底值、抽空時間、填充時間和檢測壓力等過程參數(shù)，綜合分析產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，同時根據(jù)過程參數(shù)的變化趨勢，通過大數(shù)據(jù)來判斷設備的健康狀態(tài)，做到及時預判設備能力。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集層

公司所有設備均可通過現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，對PLC 數(shù)據(jù)進行采集[8]。同時加裝大量先進傳感器并利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行采集，如對吹塑機電機加裝振動傳感器監(jiān)測其震動情況，對焊接工位的熱電偶加裝溫度傳感器監(jiān)控焊接溫度等。B 公司所有原料、半成品、成品均有二維碼標識，可掃碼采集、確認相關(guān)物料信息，進行自動出入庫操作，實現(xiàn)防錯、自動報產(chǎn)等追溯與確認功能。

B 公司通過引入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（PES）實現(xiàn)了生產(chǎn)全過程的產(chǎn)品單件追溯，產(chǎn)品從第一道工序吹塑檢測合格后即由設備自動生成二維碼，由員工貼在產(chǎn)品上。此后每一個環(huán)節(jié)均需設備掃描產(chǎn)品的唯一條碼后再進行相應操作，從而實現(xiàn)全過程的單件精確追溯。追溯的內(nèi)容包括物料信息、工藝參數(shù)、質(zhì)檢結(jié)果、批次和人員等，包含了產(chǎn)品所有相關(guān)的關(guān)鍵信息。依靠追溯系統(tǒng)，有質(zhì)量問題的產(chǎn)品無法流入下一工序，也無法打出客戶標簽，從而防止流入客戶端。各工位可以通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的按燈功能，實現(xiàn)可由操作人員觸發(fā)實現(xiàn)報修、求助等功能，并可在車間大屏動態(tài)顯示各工位按燈狀態(tài)。

1.2.3 運營監(jiān)控層

B 公司數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)中的運營監(jiān)控層采用達索的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（PES）對生產(chǎn)進行管理和監(jiān)控。PES 應用集成技術(shù)，通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，能夠建立起物料、設備、人員、工具、半成品和成品之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證信息的繼承性與可追溯性。PES 能夠提供實時的數(shù)據(jù)，可以向生產(chǎn)管理人員提供車間作業(yè)和設備的實際生產(chǎn)情況，同時也能向不同的部門提供客戶的訂單生產(chǎn)情況。這樣各部門的生產(chǎn)信息就能實現(xiàn)共享，減少大量的統(tǒng)計工作，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)統(tǒng)計的全面性和可靠性，實現(xiàn)完整的產(chǎn)品追溯體系。

1.2.4 企業(yè)經(jīng)營層

B 公司數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)中的運營監(jiān)控層采用了SAP 系統(tǒng)，使企業(yè)在“供應商—原料倉儲配送—生產(chǎn)制造—成品發(fā)運—客戶收貨”的價值鏈上實現(xiàn)水平整合，在“技術(shù)研發(fā)—產(chǎn)品開發(fā)—工藝設計—批量生產(chǎn)—客戶反饋”的創(chuàng)新過程中實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期整合[9]。將SAP 與PES 打通，可實現(xiàn)自動報工、設備資產(chǎn)管理、產(chǎn)品全價值流追溯等多模塊聯(lián)動功能。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的4 級架構(gòu)中各層級有效協(xié)同，形成從生產(chǎn)現(xiàn)場到企業(yè)運營各個職能間的有效垂直整合。最終，形成了以數(shù)字化運營、數(shù)字化質(zhì)量、預測性設備維護等組成的數(shù)字化管理系統(tǒng)。

2 數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的設計與應用

2.1 智能感知與數(shù)據(jù)采集

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的智能感知與數(shù)據(jù)采集在設備PLC 數(shù)據(jù)采集的基礎上，增加了檢測設備部件運行狀態(tài)的工業(yè)專業(yè)傳感器，然后通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，對關(guān)鍵部件的狀態(tài)進行采集、分析與監(jiān)控。工業(yè)級專業(yè)傳感器包括震動傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等，可對相應參數(shù)進行高頻率的專業(yè)數(shù)據(jù)采集。

PLC 數(shù)據(jù)通常通過總線或以太網(wǎng)協(xié)議采集，采集頻率與傳輸帶寬往往達不到預測性應用的要求，時序數(shù)據(jù)存儲、查詢、提取和整合的工作也無法通過普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有效完成。因此，數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)需要采用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫、分析平臺和應用程序等全套解決方案。如圖2 所示。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)挖掘工作需要整合多維度的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品信息、訂單信息、客戶信息、質(zhì)量信息、設備信息和物料信息等等，而且數(shù)據(jù)類型多樣，包含時序數(shù)據(jù)、照片聲音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等，這是大數(shù)據(jù)分析的典型特征[10]。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)采用了先進的數(shù)據(jù)分析平臺技術(shù)，并使用Grafana 數(shù)據(jù)分析工具，對采集到的數(shù)據(jù)進行清洗、提取、整合和轉(zhuǎn)化，綜合成多維數(shù)據(jù)[11]。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)的利用上也分為不同層次，既有邊緣側(cè)的即時監(jiān)控也有綜合報表分析，同時還有支持機器學習的數(shù)據(jù)挖掘，然后形成數(shù)據(jù)洞察。

2.3 預測性維護

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的智能預防性維護系統(tǒng)（IPMS）不僅可對設備進行閾值監(jiān)控，而且還可對設備的數(shù)據(jù)進行建模分析，診斷出具體的根因，以及預測設備健康度，為制定最合理的維修與保養(yǎng)策略提供數(shù)據(jù)洞察和理論依據(jù)。例如，對吹塑機電機的震動和溫度進行監(jiān)控，綜合分析電機的質(zhì)量狀態(tài)，同時根據(jù)過程參數(shù)的變化趨勢，通過大數(shù)據(jù)來判斷設備的健康狀態(tài)，做到及時預判設備能力，判定設備是否需要保養(yǎng)或維修，從而提前介入，避免生產(chǎn)過程中的質(zhì)量報廢機設備停機。這一案例中，電機與主軸都屬于高價值、采購周期極長的進口備件。一旦發(fā)生故障需要更換，意味著公司需要長時間停產(chǎn)，損失極大，在以往沒有采用預測性維護解決方案時需要常備至少一套備件，但使用頻率極低，對成本有很大影響。因此，智能預防性維護系統(tǒng)（IPMS）對上述關(guān)鍵部件進行高頻數(shù)采與健康度分析，可以在設備健康度下降的最早期進行識別與預警，根據(jù)備件交付周期、產(chǎn)能利用率等因素綜合給出最合理的維修策略。

2.4 全生命周期質(zhì)量管控

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的質(zhì)量管理系統(tǒng)（QDA）包含了質(zhì)量管理體系和全面質(zhì)量管理，完全滿足汽車行業(yè)對零部件制造企業(yè)的質(zhì)量管理要求，符合IATF 16949 質(zhì)量管理體系與VDA 管理標準。質(zhì)量管理體系可概括為質(zhì)量策劃體系、過程質(zhì)量體系、產(chǎn)品質(zhì)量體系，對設計過程中質(zhì)量、原材料質(zhì)量、生產(chǎn)過程中質(zhì)量和客戶使用時質(zhì)量進行全面管理。

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)中QDA 滿足了質(zhì)量策劃過程中的流程與體系要求，其中集成了設計質(zhì)量模塊，將前期質(zhì)量策劃的流程數(shù)字化，如將失效模式分析、生產(chǎn)過程控制計劃、生產(chǎn)作業(yè)指導書中的要求進行數(shù)字化關(guān)聯(lián)，確保質(zhì)量風險及早識別、質(zhì)量措施第一時間導入。檢測結(jié)果除可靠保存在追溯系統(tǒng)中外，還可生成各類報表進行趨勢分析與過程能力分析。為了深入挖掘質(zhì)量數(shù)據(jù)中蘊藏的知識和根因，質(zhì)量管理系統(tǒng)還包含了預測性分析系統(tǒng)，其對產(chǎn)品質(zhì)量進行診斷性、預測性分析。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

當前世界正處于百年未有之大變局，工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級也伴隨其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)給制造業(yè)帶來新的機遇。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是制造業(yè)，尤其是汽車零部件制造企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)是利用新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)對企業(yè)運營管理進行優(yōu)化改進，提高企業(yè)的運營效率、智能化數(shù)據(jù)管理、智能化設備管理，從而提高企業(yè)的核心競爭力。

3.2 展望

數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的管理范圍不夠完善，后續(xù)需要在倉儲管理、產(chǎn)品全生命周期管理及能源管理方面繼續(xù)提升，即開發(fā)和引入倉儲配送系統(tǒng)（WMS）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、能源管理系統(tǒng)（EMS）[12]。數(shù)字化車間智能制造管理系統(tǒng)的跨行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘和應用還存在不足，例如今后可以將供應商零部件的批次信息、生產(chǎn)人員信息加入到智能預測性維護系統(tǒng)中，從而提高智能預測性維護系統(tǒng)的準確性。