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1　項(xiàng)目背景

作為海馬汽車發(fā)展道路上具有深遠(yuǎn)意義的里程碑，海馬汽車總投資20余億元精心打造的智能工廠——鄭州三工廠于2018年11月底正式投產(chǎn)，新工廠占地面積約45萬(wàn)平方米，規(guī)劃產(chǎn)能30萬(wàn)輛，一期建設(shè)產(chǎn)能15萬(wàn)輛。在工業(yè)4.0理念下，海馬汽車智能工廠完全按照智能制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)，擁有焊裝、涂裝、總裝三大車間，全面采用了菲尼克斯電氣融合IT技術(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)和創(chuàng)新的汽車行業(yè)電氣標(biāo)準(zhǔn)。

2　項(xiàng)目目標(biāo)

新工廠在堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)全面采用菲尼克斯電氣融合IT技術(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)和量身定制的汽車行業(yè)電氣標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化，并被賦予更多智能化元素。涂裝實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，各種先進(jìn)的制造工藝和設(shè)備，確保高品質(zhì)的產(chǎn)品產(chǎn)出。整個(gè)焊裝車間按照工業(yè)4.0理念一次規(guī)劃分步實(shí)施，焊接自動(dòng)化率達(dá)到90%，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)、品質(zhì)管理、設(shè)備管理、物流配送等各方面的自動(dòng)化管理。生產(chǎn)管理方面，生產(chǎn)協(xié)同平臺(tái)通過(guò)RFID（無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)排序、不同車型參數(shù)的自動(dòng)調(diào)取、在制庫(kù)存及異常車輛管理等；通過(guò)計(jì)劃隊(duì)列校核、人工選擇確認(rèn)、設(shè)備自動(dòng)防錯(cuò)等多方聯(lián)控確保差異件及車型切換的準(zhǔn)確性。涂裝車間采用國(guó)際領(lǐng)先水性漆B1B2工藝，實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)化噴涂。作為智能化車間管理的重要方式，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析在涂裝車間被廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在PMS（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、PMC（生產(chǎn)及物料控制）、ANDON和RFID（無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)）。總裝車間占地24,000平方米，主要包括內(nèi)飾線、底盤線、動(dòng)力總成分裝線、前懸后橋分裝線、車門分裝線、儀表分裝線、前端模塊分裝線，同時(shí)還具備獨(dú)立整車檢測(cè)車間，單臺(tái)配送率超過(guò)90%，智能化質(zhì)量檢測(cè)保障高品質(zhì)交付。

3　項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用

菲尼克斯電氣作為專業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)提供商，基于在汽車行業(yè)長(zhǎng)期積累的專業(yè)知識(shí)，以及對(duì)工業(yè)4.0和智能制造理念的深刻理解，為海馬汽車第三工廠的設(shè)計(jì)建設(shè)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，提供了完整的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案，全面應(yīng)用于新工廠的焊裝、總裝和涂裝車間。基于菲尼克斯電氣PLC和軟件庫(kù)量身定制的汽車制造電氣標(biāo)準(zhǔn)，幫助海馬汽車建立起最先進(jìn)的自動(dòng)化平臺(tái)，確保了項(xiàng)目的高質(zhì)量水平、整個(gè)系統(tǒng)的高可用性和靈活性，最大限度地減少投資和運(yùn)營(yíng)成本，具有十足的創(chuàng)新意義。

3.1　深度融合IT技術(shù)的自動(dòng)化解決方案

菲尼克斯電氣為海馬汽車智能工廠項(xiàng)目提供了深度融合IT技術(shù)的自動(dòng)化解決方案，該方案全面支持工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET協(xié)議，將所有設(shè)備集成到基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一網(wǎng)到底，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層、設(shè)備層、管理層之間的無(wú)縫高速通信。所有的控制器產(chǎn)品均直接集成PROFINET接口，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行程序編寫和上位機(jī)通信，直接集成OPC、FTP、TCP/IP、HTTP、SMTP、SNTP、SQL、SNMP等多種IT技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)配置方案，包含了這些內(nèi)容：控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)洌痪W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的選型標(biāo)準(zhǔn)及主要功能；PLC的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)場(chǎng)I/O的選型標(biāo)準(zhǔn)；PROFINET安裝規(guī)范；工位操作站解決方案；車輛跟蹤系統(tǒng)解決方案；大屏顯示系統(tǒng)和中央管理監(jiān)視系統(tǒng)通信規(guī)范等。

在新工廠的三大車間，共采用了500多臺(tái)菲尼克斯電氣的SMN、SMCS和FL SWITCH 2000等系列的交換機(jī)，將所有設(shè)備均接入到PROFINET和工業(yè)以太網(wǎng)中，由菲尼克斯電氣安全PLC系統(tǒng)RFC 470S PN 3TX和高性能的AXIOLINE控制器AXC3050進(jìn)行控制，通過(guò)直接集成的以太網(wǎng)接口與SCADA、MES、車輛追蹤系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。為了提高PROFINET網(wǎng)絡(luò)的高可用性，采用基于媒介冗余協(xié)議MRP（Media Redundancy Protocol）的環(huán)網(wǎng)冗余。交換機(jī)具有優(yōu)先處理PROFINET報(bào)文的能力，同時(shí)支持MRP、LLDP、SNMP協(xié)議等功能。

焊裝車間要求不停歇地焊接各種不同型號(hào)的車體且不影響生產(chǎn)周期，生產(chǎn)節(jié)拍快，控制器高速處理，確保信息流暢通，從而有效地提高生產(chǎn)力、生產(chǎn)靈活性和產(chǎn)品質(zhì)量。焊裝車間工藝段包含側(cè)圍、縱梁、前后底板、底板總成、機(jī)艙、下部線、主線、四門，輸送系統(tǒng)包括側(cè)圍輸送和WBS（白車身輸送），由6家不同的線體商負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成，共使用了23套R(shí)FC 470S PN 3TX控制器，用來(lái)控制228臺(tái)ABB焊接機(jī)器人、200個(gè)IP20的I/O子站、800多臺(tái)IP67設(shè)備、179臺(tái)變頻器和139個(gè)SMC閥島。RFC 470S PN 3TX控制器性能強(qiáng)大，支持PROFISAFE，由普通PLC以及安全PLC雙核構(gòu)成，并相互單獨(dú)運(yùn)行。安全程序不會(huì)受到普通PLC運(yùn)行周期的限制，普通PLC的問(wèn)題不會(huì)對(duì)安全PLC有任何影響。

在涂裝車間的許多區(qū)域，必須以高度自動(dòng)化的方式不間斷地進(jìn)行運(yùn)輸、處理和噴涂等作業(yè)。涂裝過(guò)程中，在不同的環(huán)境條件下使用多種材料。為確保涂裝材料的質(zhì)量以及涂裝工作的高效率，必須保證材料數(shù)據(jù)的透明性和工業(yè)通信技術(shù)的靈活性。新工廠的涂裝車間分為機(jī)運(yùn)區(qū)域、工藝設(shè)備和噴涂線，由中汽工程負(fù)責(zé)總集成，ABB分包噴涂機(jī)器人。機(jī)運(yùn)區(qū)域有11條線，工藝設(shè)備主要有前處理、電泳、烘干（3條）、輸調(diào)漆供膠、純水超濾、廢氣處理、余熱回收等，分別由30多套AXC3050控制器來(lái)控制。使用了5套R(shí)FC 470S PN 3TX控制器，用來(lái)控制42臺(tái)ABB噴涂機(jī)器人。

總裝車間使用了100多臺(tái)物流AGV，配合自動(dòng)化輸送線，使得總裝車間90%的物料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配送。升降設(shè)備、輸送系統(tǒng)等采用了16臺(tái)AXC3050控制器進(jìn)行控制。AXC3050控制器處理速度極快，適用于中大型控制系統(tǒng)處理任務(wù)，同時(shí)支持PROFINET I/O控制器和PROFINET設(shè)備，可進(jìn)行本體或分布式IO擴(kuò)展，因此靈活性極高。

用于PROFINET和PROFISAFE傳輸標(biāo)準(zhǔn)的INLINE I/O，安裝于控制柜中，用于連接現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器。模塊種類多樣，擴(kuò)展靈活方便，具有LED故障診斷功能，而且更換模塊無(wú)需重新接線。

安全技術(shù)是設(shè)備操作和人身安全的重要保障，除了安全PLC和PROFISAFE安全模塊，菲尼克斯電氣的安全橋Safety Bridge技術(shù)、安全網(wǎng)關(guān)和安全繼電器等在現(xiàn)場(chǎng)都有成功應(yīng)用。菲尼克斯電氣的安全PLC編程軟件SafetyProg提供所有的安全功能塊。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用了菲尼克斯電氣的PN/PN安全網(wǎng)關(guān)FL PN/PN SDIO-2TX/2TX進(jìn)行PLC與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)，可發(fā)送128個(gè)字節(jié)的PROFINET標(biāo)準(zhǔn)I/O過(guò)程數(shù)據(jù)以及11個(gè)字節(jié)的PROFIsafe安全I(xiàn)/O過(guò)程數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化和操作，現(xiàn)場(chǎng)使用了大量的工業(yè)PC。具有Core-i7處理器的BL PPC 3000平板電腦用作工位操作站，靈活地安裝在員工最佳可見(jiàn)的位置。工位操作站預(yù)裝了PC Worx工程軟件和控制器診斷，以及PROFINET系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和可視化軟件GraphWorx32。

3.2　自動(dòng)化與軟件的融合

高度的自動(dòng)化向來(lái)需要與之相配套的軟件系統(tǒng)，通過(guò)軟件將信息和數(shù)據(jù)抽取出來(lái)進(jìn)行整合分析，以反映產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的真實(shí)情況，這是汽車制造業(yè)從自動(dòng)化走向智能化的第一步。面對(duì)高度智能化的設(shè)備和龐大的運(yùn)行參數(shù)，如何實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通，大數(shù)據(jù)管理極為重要。而菲尼克斯電氣在海馬汽車鄭州三工廠的一體化生產(chǎn)協(xié)同平臺(tái)MES控制系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。

MES系統(tǒng)將所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，下發(fā)給線體對(duì)應(yīng)的PLC。 菲尼克斯電氣的PROFINET高性能控制器不僅要對(duì)高節(jié)拍的生產(chǎn)流程進(jìn)行全面的控制，同時(shí)還要實(shí)時(shí)地接收并解析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中包括：

·額定生產(chǎn)數(shù)量；

·車輛識(shí)別VIN碼；

·車型的基本數(shù)據(jù)；

·每種車型對(duì)應(yīng)的高、中、低配置信息等。

完成生產(chǎn)后，還要第一時(shí)間將對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至MES系統(tǒng)。這些工作全部在PLC中完成，對(duì)設(shè)備的響應(yīng)能力得到了極大的考驗(yàn)。

車型數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳遞自然少不了RFID技術(shù)。在海馬汽車鄭州三工廠的焊、涂、總?cè)筌囬g，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)覆蓋整個(gè)工廠制造現(xiàn)場(chǎng)，保證海量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的采集。所有RFID設(shè)備都是由菲尼克斯電氣PROFINET控制器AXC 3050進(jìn)行控制與調(diào)配。在焊裝車間中，側(cè)圍輸送與主線的銜接處、下部線與主線的連接處以及主線的各工位，所有RFID采集點(diǎn)由2臺(tái)AXC3050進(jìn)行控制；涂裝車間里，輸送系統(tǒng)在每個(gè)工藝設(shè)備的銜接處都布有RFID采集設(shè)備，將主要數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC；總裝車間同樣在每條線體上布有多達(dá)50個(gè)RFID信息采集點(diǎn)，全部由AXC3050進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。

3.3　量身定制的汽車制造電氣標(biāo)準(zhǔn)

在整個(gè)工廠中，開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)確保了所使用的組件的高可用性和兼容性，自動(dòng)化技術(shù)為汽車制造提供一個(gè)靈活的基于平臺(tái)化的前提條件。菲尼克斯電氣在汽車行業(yè)的解決方案都是基于標(biāo)準(zhǔn)化接口而定制，基于廣泛應(yīng)用案例和長(zhǎng)期積累的應(yīng)用專業(yè)知識(shí)建立起的軟件功能庫(kù)，從而為海馬汽車量身定制一套電氣標(biāo)準(zhǔn)，打造高水準(zhǔn)的自動(dòng)化平臺(tái)。

這套標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，包括硬件結(jié)構(gòu)、編程和可視化。對(duì)象和功能塊是自動(dòng)生成可視化的基礎(chǔ)，將功能塊實(shí)例中所需的所有數(shù)據(jù)封裝給出一個(gè)面向?qū)ο蟮囊恢滦詳?shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)象名稱訪問(wèn)數(shù)據(jù)，最大可能地集成不同的工藝或功能，因此對(duì)于可視化不需要為數(shù)據(jù)處理做額外的工作。

用于焊裝車間和輸送系統(tǒng)的電氣規(guī)范，是各個(gè)線體商進(jìn)行系統(tǒng)集成的規(guī)范和指導(dǎo)，確保按照項(xiàng)目文件管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了EPLAN電氣圖規(guī)范、軟件版本、變量及IP地址分配命名管理規(guī)則、PLC程序開(kāi)發(fā)軟件PCWORX的程序結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)配置、安全程序開(kāi)發(fā)軟件 SafetyPROG的結(jié)構(gòu)與功能塊、上位軟件GraphWORX的結(jié)構(gòu)與自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)等。

PCWORX軟件庫(kù)包含了250多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能塊，實(shí)現(xiàn)的功能包括：邏輯功能；設(shè)備通信驅(qū)動(dòng)，例如機(jī)器人、變頻器等；診斷功能，包括PROFINET診斷、系統(tǒng)診斷等；故障報(bào)警處理；手動(dòng)操作；細(xì)節(jié)畫面的信息以及診斷功能，例如輸入/輸出狀態(tài)的可視化上位功能；用于管理系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息處理功能；安全功能的集成，例如機(jī)械安全以及人身安全等。軟件庫(kù)還包含了PLC如何與車輛跟蹤系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)、中心管理監(jiān)視系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

自動(dòng)生成程序和可視化系統(tǒng)，保證一個(gè)工廠內(nèi)所有設(shè)備具有相同的界面和風(fēng)格，無(wú)論是來(lái)自哪個(gè)供應(yīng)商，都會(huì)節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。為此，我們幫助客戶開(kāi)發(fā)了大量的可視化對(duì)象，并與PLC應(yīng)用程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過(guò)PCWORX中的VisWiz工具和預(yù)先定義好的映射文件，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，即可在幾分鐘內(nèi)自動(dòng)創(chuàng)建好GraphWORX32的上位機(jī)畫面。PLC與上位機(jī)之間通過(guò)OPCSERVER進(jìn)行通信，OPC變量連接在畫面生成時(shí)即自動(dòng)完成。

雖然控制工藝和控制設(shè)備有很大的不同，但焊裝車間的設(shè)計(jì)思路同樣適用于涂裝車間。菲尼克斯電氣為其開(kāi)發(fā)了完善的涂裝車間電氣規(guī)范，包括功能塊、VisWiz模板、可視化對(duì)象庫(kù)等，在涂裝機(jī)運(yùn)區(qū)域和工藝設(shè)備上得到成功使用。

4　效益分析

海馬汽車第三工廠按照工業(yè)4.0和智能制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和數(shù)字化，并引入了眾多的智能元素，具有多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。焊裝車間規(guī)劃四車型柔性共線，投入250臺(tái)機(jī)器人，配備博世中頻自適應(yīng)焊機(jī)和尼瑪克焊鉗，它們能夠全權(quán)接管點(diǎn)焊、搬運(yùn)、弧焊、涂膠等工序，單班可以減少275名作業(yè)人員，相比傳統(tǒng)焊裝車間人數(shù)大幅降低。涂裝車間采用國(guó)際領(lǐng)先水性漆B1B2工藝，清漆采用了業(yè)內(nèi)高品質(zhì)的2K體系，采用了42臺(tái)ABB噴涂機(jī)器人，擦凈采用了駝鳥(niǎo)毛擦凈機(jī)，開(kāi)關(guān)門也實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人控制，噴漆線實(shí)現(xiàn)了100%自動(dòng)化噴涂。總裝車間還分布著100多臺(tái)“貼地飛行”的物流AGV，配合自動(dòng)化輸送線，使得總裝車間90%的物料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配送。風(fēng)擋玻璃涂膠采用機(jī)器人自動(dòng)涂膠，檢測(cè)采用德國(guó)杜爾檢測(cè)設(shè)備。

新工廠使用了300臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、116臺(tái)物流AGV、RFID、傳感器、PLC、數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)交換機(jī)等智能裝備，同時(shí)集成MES、工業(yè)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能、知識(shí)工作自動(dòng)化等軟件手段，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、信息的互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造智能化，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)品質(zhì)制造、交付精準(zhǔn)、成本最優(yōu)。

制造的智能化最終是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高品質(zhì)制造，同時(shí)，工廠的智能化水平越高，提效降本的效應(yīng)也就越明顯。海馬智能工廠的先進(jìn)制造工藝，將為海馬8S的高品質(zhì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也是其產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要保障。

隨著工業(yè)4.0和智能制造理念的不斷深入，汽車行業(yè)不斷創(chuàng)新發(fā)展，向著智能汽車、電動(dòng)汽車、互聯(lián)網(wǎng)汽車等方向轉(zhuǎn)變，用戶對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和智能化提出更高的期望，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。對(duì)于汽車生產(chǎn)制造來(lái)說(shuō)，大幅提高自動(dòng)化水平，引入智能化元素，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，打造智能工廠，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，已成為一種趨勢(shì)。鄭州三工廠是海馬汽車打造智能工廠、邁向工業(yè)4.0的重要一步，標(biāo)志著海馬汽車智能制造水平邁上了新臺(tái)階，這也意味著其智能化和自動(dòng)化水平躋身汽車行業(yè)前列。菲尼克斯電氣融合IT技術(shù)的自動(dòng)化技術(shù)和創(chuàng)新的汽車制造電氣標(biāo)準(zhǔn)，將助力更多的汽車企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年3月刊