工厂数字化建设的应用与发展

前言：

　　数字化工厂是伴随着自动控制技术和网络应用的飞速发展而应运而生的，尤其是现代互联网的普及使得一些传统方式难以实现的现场控制和管理技术有了革命性突破。通过它可以实现生产、成本和设备管理的高效化和便捷化。工厂数字化将来也会成为工厂规划和建设的典范。通过国内大多汽车涂装生产线的比较，奇瑞汽车股份有限公司第二涂装车间是目前国内涂装行业较为先进的数字化工厂之一；主要工艺处理流程和设备运行状态已经实现数字化可视化管理。下面我们从三个方面来阐述我们第二涂装工厂数字化建设以及具体应用。

1.工厂数字化建设思路

　　1.1 实现基础装备数字化

　　工厂数字化的前提是构建安全、快速的系统平台，目前车间由计算机主机平台、网络平台、数据库平台等所组成的系统平台为信息的传递建成了一条信息“高速公路”，计算机的广泛普及使它们成为全体管理人员和机台操作人员日常工作的工具。

　　1.2 实现生产过程数字化

　　从开关机，前处理、电泳，油漆喷涂，烘干过程、能源消耗消耗过程、质量控制过程到设备管理和保障过程的每个环节都将通过计算机自动采集现场信息控制来实现，既是一个提高效率的过程又是一个规范操作的过程。

　　1.3 实现分析应用数字化

　　对主要工艺处理和设备运行状态以及相关的参数编制实时的控制图可以使对现场生产情况进行实时监控，这类控制图在上位机进行开发实现，通过实时数据处理，实时反应生产情况的波动；对重要采集的工艺参数以趋势图方式提供趋势分析，使管理人员能对其的发展趋势有所了解，更易对遇到的问题进行处理。

2.数字化工厂架构

　　架构一般可分为3层，即基础设备层，设备控制层和可视管理层。以二涂车间为例我们采用西门子SIMATIC先进的控制技术,对现场设备的控制系统、网络系统和人机界面监控系统进行多层次有效划分，在投入少、工期短，性价比高的情形下，解决数字化工厂建设需求问题。

　　2.1 基础设备层－执行器件

　　是指那些处于只能被动接收指令的原始元器件或基础设施。如泵、电机、风机、接近开关、光栅、传感器件（如电磁阀、气动单元、光电传感器、流量计）等及其现场执行器件。

　　2.2 设备控制层--现场总线

　　设备控制层由主控制PLC400（如西门子S5、S7系列）、PU操作控制台、MOVIMOT，REDIS，变频器并通过现场总线ProfiBus使之组成有机的设备控制层。所有分布式I/O产品都按一定的控制范围安装于分布式I/O控制箱内，尽可能减少硬件布线及故障点，提高整个系统的稳定性，同时也方便了今后系统的维护。

　　2.3 监控管理层现--工业以太网

　　监控管理层采用工业以太网的方式实现，连接着主控制PLC与上层工控设备，编程设备以及相关设备。工业以太网卡在PLC上为CP443接口模板,工控机为8针网口接口模板。工业组态软件通过工业以太网与主控PLC交换数据。本方案中采用工业以太网充分考虑到了其具有的协议通用性、数据传输速率高等特点以及开发应用程序周期短优点。采用工业以太网方式实现的监控管理层主要由主控制PLC、HMI及其编程设备组成，通过TCP/IP方式实现与监控计算机进行数据交换。同时可更方便地向上组成工厂生产控制系统（FIS），顺应了当前汽车行业订单制造的发展趋势。

3.涂装车间数字化系统应用

　　涂装车间数字化系统应用是一个基于计算机来工作的可视化数字化操作系统。这个系统建立在工业以太网的基础上，可以安装在MS WINDOWS 2000SP4或MS WINDOWS XPSP2以上版本。其组态画面我们采用全球著名Intouch软件生成，它是Wonderware公司开发的世界上第一个集成的、基于组件的MMI系统——Factory Suite 2000中的一个核心组件。它具有世界领先的HMI和面向对象的图形开发环境，便于高效、快捷地配置用户的应用程序。软件专用于可视化和控制工业生产过程，它提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程开发人员能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。也广泛应用于包括食品加工、石油、汽车、半导体、化工、制药、纸浆和造纸、交通等在内的全球众多纵向市场。

　　3.1 涂装车间数字化系统功能 　　1）生产信息的管理及设备监控功能 　　不同设备，不同车型，工艺参数也不同。为适应不同车型的混线生产，该系统建立了设备状态信息收集和喷涂工艺数据库，系统能够进行工艺参数数据库的维护与管理,可以在线或离线进行工艺参数的局部或全部修改；如温湿度，液位压力、电流、电压、转速、流量、成形空气、高压值等并自动记录所有参数修改记录，方便的车身处理工艺参数日后查询分析。该系统能够对在线生产的所有车身进行分类查询如车型、颜色、通过时间等。还可以显示目前所有车身在制状况以及车身目前位置以及及设备运行状况进行监控，实时显示机器开关状态、手自动模式，动能消耗、当前位置等。 　　2）系统自诊断、报警系统 　　采用NAD分布式网络系统当有故障报警时操作人员可以再现场的任一终端站点及时发现故障源。当设备运行时，无论手动或自动控制模式，只要故障发生系统将显示故障报警并提示故障产生的可能原因。操作者可对报警进行应答及排除故障后复位，并通过颜色区分哪些报警已做了复位，哪些报警只是做了应答，并形成故障报警及修复记录。 　　3）用户管理 　　通过DPIS系统管理人员操作人员的权限可以分发到指定的机器，并规定其操作范围和操作权限最大程度地保护人员以及设备的安全。也可以通过预先对用户设置定义并管理。所有的操作者可以浏览目前使用的工艺参数、生产及设备状态，但不可以进行修改。除非他被赋予足够的权限，通过输入个人密码确认后，才能进行相应权限的修改。所有的修改也将形成历史修改记录，以备追溯。　　3.2 现场数字化实际应用（EMOS和ECOSCREEN） 　　涂装车间EMOS系统是一种友好的大型人机交互系统，主要负责生产开关机自动手动操作、适时故障报警通知、温度湿度范围调节、油漆车身定色以及生产数据统计等。在生产和设备维护过程中起着重要作用。系统界面包括输送和热工设备占据车间的大部分区域，如：空调供风、烘房、输送滚床、RODIP、电泳整流等将分布于车间不同层面的大范围区域现场设备有机的组合起来，通过鼠标点击就可以做到所有关键设备和工艺过程一览无余。同时也是为了更方便工作人员操作各机组而设置的可视化和标准化简易操作工具。由于其范围较大所以在现场安装有网络柜将分散的区域通过以太网实现集中控制。子网采用SIMATIC网络将底层执行器件连接起来。如下图所示： 　　Emos子网采用先进的SIMATIC网络能使得不同层次的设备通讯快速响应。

　　3.3 EMOS关键工艺及设备参数的管理 　　喷漆室是涂装作业的重要场所，不管是对车身质量还是人员的操作环境都有很大影内显得尤为重要，通过此界面我们可以实时的了解当前喷漆室温湿度状况。如下图所示：
　　涂装车间ECOSCREEN侧重于精确控制，主要负责车身油漆喷涂通过雾化装置使得油漆附着在白车身表面。其顶部应用程序层允许用户与整个系统交互式地工作,图形用户界面(可视化)提供功能来控制整个系统及其各部件并且显示状态和错误信息。并通过以太网通信系统连接到层次结构中间层上的控制器。该中间应用程序层主要有用于过程和安全控制的控制器，这些控制器是不带键盘和屏幕的专用计算机，也就是说它们不适用于直接用户通信，由各个程序控制，它们进行安全控制(安全PLC)、过程控制(过程PLC作为总线主设备)以及子过程控制(EcoRC2)，它们相互连接并通过现场总线系统与底层部件连接，通过SERCOS通信系统与驱动装置连接。底层部件用于物理机械装备控制例如轴线和计量泵驱动装置电子气动部件和高电压部件。如下图所示：
4.工厂数字化建设与应用经验总结 　　总之数字化工厂的建设，离不开运用各类先进的技术，但是这几年的实际应用告诉我们，千万不要片面追求技术的高、新、全，关键是要选择合适的、恰到好处的技术。这主要体现在两个方面，一个是功能方面，另一个是推广方面，功能方面要先了解自己的应用有哪些，只要够用即可，不要新建了一个项目，结果只用了其中的最简单功能，这是对资源的极大浪费；在推广性方面就更重要了，一个产品如果技术含量很高，但只能在局部范围使用，无法推广，它的价值就无法体现出来，也就失去了意义。 　　同时随着电子信息技术的进步，信息化技术已深入到制造业的各个层面。从广义上来讲数字化工厂就是覆盖产品的整个生命周期的数字化技术，实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化，并最终通过集成实现整个工厂数字化。对于设备控制层的数字化越来越多地采用嵌入式系统，并以现场总线为其信息通道，和上层以Internet/Intranet为基础的制造信息分析和处理层结合，形成的数字化工厂信息构架，从而实现整个工厂、企业之间的数字化。从当前国内形势来看企业也越来越重视制造业的信息化和数字化应用。作者简介： 　　孙成建，男，现任奇瑞汽车涂装车间设备工程师　　王青，男，现任奇瑞汽车涂装车间设备工程师　　叶显松，男，现任奇瑞汽车涂装车间设备工程师