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1　項目背景

作為海馬汽車發展道路上具有深遠意義的里程碑，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，新工廠占地面積約45萬平方米，規劃產能30萬輛，一期建設產能15萬輛。在工業4.0理念下，海馬汽車智能工廠完全按照智能制造標準進行規劃、設計和建設，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技術的自動化系統和創新的汽車行業電氣標準。

2　項目目標

新工廠在堅持高標準、高品質的基礎上，通過全面采用菲尼克斯電氣融合IT技術的自動化系統和量身定制的汽車行業電氣標準，實現高度的自動化，并被賦予更多智能化元素。涂裝實現全自動化，各種先進的制造工藝和設備，確保高品質的產品產出。整個焊裝車間按照工業4.0理念一次規劃分步實施，焊接自動化率達到90%，實現焊接參數、品質管理、設備管理、物流配送等各方面的自動化管理。生產管理方面，生產協同平臺通過RFID（無線射頻識別系統）系統實現生產計劃自動排序、不同車型參數的自動調取、在制庫存及異常車輛管理等；通過計劃隊列校核、人工選擇確認、設備自動防錯等多方聯控確保差異件及車型切換的準確性。涂裝車間采用國際領先水性漆B1B2工藝，實現100%自動化噴涂。作為智能化車間管理的重要方式，系統數據分析在涂裝車間被廣泛應用，主要體現在PMS（生產管理系統）、PMC（生產及物料控制）、ANDON和RFID（無線射頻識別系統）。總裝車間占地24,000平方米，主要包括內飾線、底盤線、動力總成分裝線、前懸后橋分裝線、車門分裝線、儀表分裝線、前端模塊分裝線，同時還具備獨立整車檢測車間，單臺配送率超過90%，智能化質量檢測保障高品質交付。

3　項目實施與應用

菲尼克斯電氣作為專業的自動化系統提供商，基于在汽車行業長期積累的專業知識，以及對工業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計建設獻計獻策，提供了完整的自動化系統解決方案，全面應用于新工廠的焊裝、總裝和涂裝車間。基于菲尼克斯電氣PLC和軟件庫量身定制的汽車制造電氣標準，幫助海馬汽車建立起最先進的自動化平臺，確保了項目的高質量水平、整個系統的高可用性和靈活性，最大限度地減少投資和運營成本，具有十足的創新意義。

3.1　深度融合IT技術的自動化解決方案

菲尼克斯電氣為海馬汽車智能工廠項目提供了深度融合IT技術的自動化解決方案，該方案全面支持工業以太網和PROFINET協議，將所有設備集成到基于以太網的系統中，實現系統一網到底，實現現場層、設備層、管理層之間的無縫高速通信。所有的控制器產品均直接集成PROFINET接口，通過以太網進行程序編寫和上位機通信，直接集成OPC、FTP、TCP/IP、HTTP、SMTP、SNTP、SQL、SNMP等多種IT技術。標準化的系統配置方案，包含了這些內容：控制系統整體結構拓撲；網絡產品的選型標準及主要功能；PLC的參數標準；現場I/O的選型標準；PROFINET安裝規范；工位操作站解決方案；車輛跟蹤系統解決方案；大屏顯示系統和中央管理監視系統通信規范等。

在新工廠的三大車間，共采用了500多臺菲尼克斯電氣的SMN、SMCS和FL SWITCH 2000等系列的交換機，將所有設備均接入到PROFINET和工業以太網中，由菲尼克斯電氣安全PLC系統RFC 470S PN 3TX和高性能的AXIOLINE控制器AXC3050進行控制，通過直接集成的以太網接口與SCADA、MES、車輛追蹤系統等進行實時數據通信。為了提高PROFINET網絡的高可用性，采用基于媒介冗余協議MRP（Media Redundancy Protocol）的環網冗余。交換機具有優先處理PROFINET報文的能力，同時支持MRP、LLDP、SNMP協議等功能。

焊裝車間要求不停歇地焊接各種不同型號的車體且不影響生產周期，生產節拍快，控制器高速處理，確保信息流暢通，從而有效地提高生產力、生產靈活性和產品質量。焊裝車間工藝段包含側圍、縱梁、前后底板、底板總成、機艙、下部線、主線、四門，輸送系統包括側圍輸送和WBS（白車身輸送），由6家不同的線體商負責系統集成，共使用了23套RFC 470S PN 3TX控制器，用來控制228臺ABB焊接機器人、200個IP20的I/O子站、800多臺IP67設備、179臺變頻器和139個SMC閥島。RFC 470S PN 3TX控制器性能強大，支持PROFISAFE，由普通PLC以及安全PLC雙核構成，并相互單獨運行。安全程序不會受到普通PLC運行周期的限制，普通PLC的問題不會對安全PLC有任何影響。

在涂裝車間的許多區域，必須以高度自動化的方式不間斷地進行運輸、處理和噴涂等作業。涂裝過程中，在不同的環境條件下使用多種材料。為確保涂裝材料的質量以及涂裝工作的高效率，必須保證材料數據的透明性和工業通信技術的靈活性。新工廠的涂裝車間分為機運區域、工藝設備和噴涂線，由中汽工程負責總集成，ABB分包噴涂機器人。機運區域有11條線，工藝設備主要有前處理、電泳、烘干（3條）、輸調漆供膠、純水超濾、廢氣處理、余熱回收等，分別由30多套AXC3050控制器來控制。使用了5套RFC 470S PN 3TX控制器，用來控制42臺ABB噴涂機器人。

總裝車間使用了100多臺物流AGV，配合自動化輸送線，使得總裝車間90%的物料實現自動配送。升降設備、輸送系統等采用了16臺AXC3050控制器進行控制。AXC3050控制器處理速度極快，適用于中大型控制系統處理任務，同時支持PROFINET I/O控制器和PROFINET設備，可進行本體或分布式IO擴展，因此靈活性極高。

用于PROFINET和PROFISAFE傳輸標準的INLINE I/O，安裝于控制柜中，用于連接現場的傳感器和執行器。模塊種類多樣，擴展靈活方便，具有LED故障診斷功能，而且更換模塊無需重新接線。

安全技術是設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、安全網關和安全繼電器等在現場都有成功應用。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。整個網絡系統中，使用了菲尼克斯電氣的PN/PN安全網關FL PN/PN SDIO-2TX/2TX進行PLC與PLC之間的數據交換。通過安全網關，可發送128個字節的PROFINET標準I/O過程數據以及11個字節的PROFIsafe安全I/O過程數據。

為了實現系統的可視化和操作，現場使用了大量的工業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的位置。工位操作站預裝了PC Worx工程軟件和控制器診斷，以及PROFINET系統網絡和可視化軟件GraphWorx32。

3.2　自動化與軟件的融合

高度的自動化向來需要與之相配套的軟件系統，通過軟件將信息和數據抽取出來進行整合分析，以反映產線運轉的真實情況，這是汽車制造業從自動化走向智能化的第一步。面對高度智能化的設備和龐大的運行參數，如何實現信息互聯互通，大數據管理極為重要。而菲尼克斯電氣在海馬汽車鄭州三工廠的一體化生產協同平臺MES控制系統中起到了非常重要的作用。

MES系統將所有生產數據通過以太網傳輸，下發給線體對應的PLC。 菲尼克斯電氣的PROFINET高性能控制器不僅要對高節拍的生產流程進行全面的控制，同時還要實時地接收并解析生產數據，其中包括：

·額定生產數量；

·車輛識別VIN碼；

·車型的基本數據；

·每種車型對應的高、中、低配置信息等。

完成生產后，還要第一時間將對應的生產數據實時上傳至MES系統。這些工作全部在PLC中完成，對設備的響應能力得到了極大的考驗。

車型數據以及生產數據的傳遞自然少不了RFID技術。在海馬汽車鄭州三工廠的焊、涂、總三大車間，生產過程數據采集技術覆蓋整個工廠制造現場，保證海量現場數據的實時、準確、全面的采集。所有RFID設備都是由菲尼克斯電氣PROFINET控制器AXC 3050進行控制與調配。在焊裝車間中，側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采集點由2臺AXC3050進行控制；涂裝車間里，輸送系統在每個工藝設備的銜接處都布有RFID采集設備，將主要數據發送給PLC；總裝車間同樣在每條線體上布有多達50個RFID信息采集點，全部由AXC3050進行最終的數據處理。

3.3　量身定制的汽車制造電氣標準

在整個工廠中，開放的標準確保了所使用的組件的高可用性和兼容性，自動化技術為汽車制造提供一個靈活的基于平臺化的前提條件。菲尼克斯電氣在汽車行業的解決方案都是基于標準化接口而定制，基于廣泛應用案例和長期積累的應用專業知識建立起的軟件功能庫，從而為海馬汽車量身定制一套電氣標準，打造高水準的自動化平臺。

這套標準采用面向對象的結構，包括硬件結構、編程和可視化。對象和功能塊是自動生成可視化的基礎，將功能塊實例中所需的所有數據封裝給出一個面向對象的一致性數據模型，通過對象名稱訪問數據，最大可能地集成不同的工藝或功能，因此對于可視化不需要為數據處理做額外的工作。

用于焊裝車間和輸送系統的電氣規范，是各個線體商進行系統集成的規范和指導，確保按照項目文件管理標準進行。這個標準定義了EPLAN電氣圖規范、軟件版本、變量及IP地址分配命名管理規則、PLC程序開發軟件PCWORX的程序結構及標準配置、安全程序開發軟件 SafetyPROG的結構與功能塊、上位軟件GraphWORX的結構與自動生成標準等。

PCWORX軟件庫包含了250多個標準功能塊，實現的功能包括：邏輯功能；設備通信驅動，例如機器人、變頻器等；診斷功能，包括PROFINET診斷、系統診斷等；故障報警處理；手動操作；細節畫面的信息以及診斷功能，例如輸入/輸出狀態的可視化上位功能；用于管理系統的統計數據信息處理功能；安全功能的集成，例如機械安全以及人身安全等。軟件庫還包含了PLC如何與車輛跟蹤系統、大屏顯示系統、中心管理監視系統等進行實時數據交互。

自動生成程序和可視化系統，保證一個工廠內所有設備具有相同的界面和風格，無論是來自哪個供應商，都會節省大量的開發和調試時間。為此，我們幫助客戶開發了大量的可視化對象，并與PLC應用程序進行關聯。通過PCWORX中的VisWiz工具和預先定義好的映射文件，只需進行簡單的設置，即可在幾分鐘內自動創建好GraphWORX32的上位機畫面。PLC與上位機之間通過OPCSERVER進行通信，OPC變量連接在畫面生成時即自動完成。

雖然控制工藝和控制設備有很大的不同，但焊裝車間的設計思路同樣適用于涂裝車間。菲尼克斯電氣為其開發了完善的涂裝車間電氣規范，包括功能塊、VisWiz模板、可視化對象庫等，在涂裝機運區域和工藝設備上得到成功使用。

4　效益分析

海馬汽車第三工廠按照工業4.0和智能制造標準進行規劃、設計和建設，實現了高度的自動化和數字化，并引入了眾多的智能元素，具有多個創新點。焊裝車間規劃四車型柔性共線，投入250臺機器人，配備博世中頻自適應焊機和尼瑪克焊鉗，它們能夠全權接管點焊、搬運、弧焊、涂膠等工序，單班可以減少275名作業人員，相比傳統焊裝車間人數大幅降低。涂裝車間采用國際領先水性漆B1B2工藝，清漆采用了業內高品質的2K體系，采用了42臺ABB噴涂機器人，擦凈采用了駝鳥毛擦凈機，開關門也實現了機器人控制，噴漆線實現了100%自動化噴涂。總裝車間還分布著100多臺“貼地飛行”的物流AGV，配合自動化輸送線，使得總裝車間90%的物料實現自動配送。風擋玻璃涂膠采用機器人自動涂膠，檢測采用德國杜爾檢測設備。

新工廠使用了300臺工業機器人、116臺物流AGV、RFID、傳感器、PLC、數據采集器、工業交換機等智能裝備，同時集成MES、工業網、大數據應用、人工智能、知識工作自動化等軟件手段，實現人、機、物、信息的互聯互通，進而實現產品制造智能化，最終目標是實現品質制造、交付精準、成本最優。

制造的智能化最終是為了實現產品的高品質制造，同時，工廠的智能化水平越高，提效降本的效應也就越明顯。海馬智能工廠的先進制造工藝，將為海馬8S的高品質打下堅實的基礎，也是其產品競爭力的重要保障。

隨著工業4.0和智能制造理念的不斷深入，汽車行業不斷創新發展，向著智能汽車、電動汽車、互聯網汽車等方向轉變，用戶對產品品質和智能化提出更高的期望，市場競爭也越來越激烈。對于汽車生產制造來說，大幅提高自動化水平，引入智能化元素，實現數據的透明傳輸，打造智能工廠，實現數字化轉型，已成為一種趨勢。鄭州三工廠是海馬汽車打造智能工廠、邁向工業4.0的重要一步，標志著海馬汽車智能制造水平邁上了新臺階，這也意味著其智能化和自動化水平躋身汽車行業前列。菲尼克斯電氣融合IT技術的自動化技術和創新的汽車制造電氣標準，將助力更多的汽車企業實現智能轉型。

摘自《自動化博覽》2019年3月刊