新能源柔性焊接主线智慧控制系统的开发及应用

蔡 燕，姚 磊

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 技术中心自动化部，广西 柳州 545007）

0 引言

造老百姓喜爱的车，造人民的代步车，多品种多配置变化快，品质牢靠低成本高价值，是SGMW 的特色[1]，正因为如此，随着市场需求变化，车型和配置不断丰富，产品快速更新迭代，个性化定制，订单化生产和少批量频繁切换等需求对传统生产线的挑战日渐彰显，以及随着生产线自动化率和柔性化不断提升，传统自动化柔性线的弊端日益彰显，期望依靠智能来解决相关痛点。SGMW 在新能源车身线建设的探索和创新实践中，通过智慧控制系统的开发应用集成，打造以现代智能传感技术、网络技术、自动化技术、信息化技术IOT 跨界融合等先进技术为基础的数字化智慧生产线，有效提升柔性自动化焊接线的生产效率。

1 智慧控制系统的研究现状

SGMW 新能源柔性焊接主线，2019 年建设于SGMW 宝骏基地并投产，设计规划为高柔性车身线，节拍为40JPH，采用机器人焊接和搬运，自动化率高达99%，焊接自动化率100%，人员主要负责零件配送及质量检查工作。生产采用N+1 生产模式，目前已兼容投产生产5 种车型，10 余种配置的新能源车，后续还将快速导入更多新品种。车型及配置切换采用在线自动切换+离线切换双结合的模式，最大化的兼容不同平台不同车型。主线主要负责完成零件搭接定位及固定焊接，补焊和调整统一在补焊线和调整线完成，补焊和调整为公共线体，兼容所有车型，对自动化设备如机器人等最大化利用[2]。

该线体在工艺方案&柔性工装&控制系统集成等方面集成了SGMW 大量专家资源，通过核心技术工艺仿真、工装夹具、图纸和程序等自主开发设计，结合引进国内外先进产品和技术，在攻克生产效率、质量提升、安全管控方面取得了良好的成效，尤其在控制系统集成领域，取得了突破性的创新成果，使得高自动化率高柔性高效率高质量透明化生产得以实现[3]。以下主要围绕构建新型控制系统（创新网络架构和智能传感技术）、首创智慧ANDON 大数据分析系统、建立过程安全及质量管控MSQ 流程以及所取得的成效进行阐述。

传统生产线控制系统只能满足设备动作的检测和逻辑，线体配备简易ANDON，只能满足拉动生产班段长响应，生产信息和故障信息等依赖人工记录，数据不准确，无法为生产有效提供决策和提升[4]。原来的处理模式弊端突显：效率分解/导入周期/导入成本/能耗情况，如何量化，以及趋势分析决策。由此面临两大问题亟待解决：

（1）如何提升智慧匹配控制，实现生产线的高柔性快速切换快速响应及维护，对生产线和设备方案创新尤为迫切。

（2）高自动化率生产线生产运行效率低于设计目标效率90%，往往浮动小于88%，如何快速分解和有效提升，为设计和管理提供依据及决策，也是很大的考验。

2 智慧控制系统的创新研发及应用

新能源焊接线主线的开发，在智慧提升方面，主要围绕两大方向进行探索和改进：

（1）系统整体网络架构上采用了新型以太网架构，在底层控制技术要大胆开拓，应用多项新型智能传感技术，实现多车型多配置共线生产的高柔性要求。

（2）在完成生产线本身的运行控制基础上，从PLC中自动采集出设备运行数据进行分解分析，建立智慧ANDON 系统，对生产线运行指标和设备健康状态评估分析，消除瓶颈，及时判断提供决策，从而有效提升自动化柔性线的生产效率。

2.1 网络架构

据生产及维修统计，控制系统运行问题中，网络故障维修时间总体占比大于30%，影响的因素很多，排查困难，单次平均维修时间大于15 min，可以说网络故障是控制系统运行中的拦路虎，也是现场维修最大的痛点。新能源线控制系统总结和完善SGMW 十余年总线网络设计使用经验教训，结合行业内主流架构技术，提取创新Enthernet IP 设备层网络结构设计，采用就近分布，极简布线，杜绝网络风暴，性价比高等原则以此最大限度的达到了低成本高稳定性易维护的效果，系统架构如图1 所示。系统投产运行一年，根据生产维修故障统计报告，该新型网络架构故障率大幅降低。

图1 新能源主线网络框架

2.2 智能传感技术

（1）线体输送采用SGMW 自主研发的高速滚床，变频器结合外置电子标签进行精确定位控制，输送精度达到±1.6 mm，配合二次升降定位，精度达到±0.15 mm。

（2）多车型滑橇支撑在线自动切换，切换采用视觉图像识别控制，取代传统传感器识别方案包含车型支撑识别，车身锁紧识别，以及落销识别（传统方案工位需要布置大量传感器，每种新车型导入均需要增加检测，一个工位5 种车型约30+个传感器），识别采用摄像头+二次软件开发的模式，1 套视觉实现多种识别功能。最大限度减少现场的安装工作以及新车型导入周期，解决现场多车型导入后安装空间不足难点，缩小线体占地面积。

（3）程序自主开发设计，采用标准化，部分关键模块化设计，由专家资源完成标准和模块框架设计，支持批量导入和快速修改，年轻工程师完成输入输出映射及新车型导入设计，导师带徒快速成长，资源最大化利用，同时确保系统的长期运行稳定性和新车型导入改造快速复制。

（4）车型识别采用电子标签+工位逻辑传递相互校验方式，冗余检测大幅提升运行稳定性，达到系统识别0 出错率，当硬件故障时也可助力现场维修快速判断和切换单种识别模式，恢复生产。人工上件工位，通过自动检测防错，结合辅助车型自动目视化实时提醒和预提醒，实现智能防错。

（5）自主研发两种类型的自动快插装置，助力柔性高效切换：机器人抓手切换创新开发低成本自制I/O 快插；工装拼台切换创新开发自制网络及电源快插。该自动对接快插取代了传统人工插拔手工快插的模式，使得生产切换效率有效提升，1 个工位切换平均缩短120 min。该研发属于同行业中自主首创产品。

（6）限制区域安全门创新采用指纹识别自动控制，提高线体防护等级，取代人工名单限制管理模式。

（7）多位置升降机采用激光位移测距替代传统传感器检测，传统升降机位置检测采用电子接近开关检测方式，1 个位置3 个开关，滑橇离线升降机需要6个位置，本次创新使用激光位移实时检测，1 个检测替代传统约20 个开关的安装调试，大幅减少安装布线和调试。

（8）离线人工分总成线体ANDON 创新采用无线无源传感器及呼叫按钮，真正意义实现工位0 布线免安装。

综上，正是由于有了这些智能传感技术的开发应用，线体才得以实现真正意义的自动化，也是将来无人化智能化工厂实现的底层基石。

3 智慧ANDON 大数据分析系统的创新研发及应用

随着技术迭代更新，大数据及数字化发展，相应更多的技术可以创新和应用。在宝骏新能源焊接线，首次创新建立智慧ANDON 大数据监控系统，让生产线长出“大脑”和“嘴巴”，使得生产和设备信息透明化，也是数字化工厂发展的缩影。

新能源线通过生产线设备大数据采集分析系统的开发建设，可以实现对当前正在运行的产线的健康和潜力及时评估，实现工位平衡，同时也在推进基于质量的预测性模型建设，实现建立产线综合诊断平台中心，主要解决生产线及设备效率低的问题。整个系统覆盖产线全生命周期，透视产线，类似于人类心电图诊断健康原理，高速采集运行中的“设备心电图”，打开工厂生产过程的黑箱，将工厂生产过程透明化，从而协助诊断线体健康状态，提供智能监控，产能提升，故障预警等功能。

3.1 系统构成和功能

整个系统硬件及软件构成秉承SGMW“低成本，高价值”理念，精益化设计，通过自主+集成商联合开发的以及数据本地部署模式，保障工控信息安全为前提，实现数据的挖掘利用。系统搭配根据PLC 运行特性和数据需求定制开发的高速软采集器，实时从PLC控制器获取数据，1 个高速采集周期< 30 ms，从源头保障数据的准确性和实时性。

系统从功能上主要分为4 大模块：工艺节拍线平衡分析、生产综合效率分析、生产信息及质量追溯、设备健康状态分析。系统能够实时直观反应生产线运行的状态拉动响应，通过设备和人工操作时间分析快速锁定瓶颈位置，对总体运行效率（OEE、MTTR、MBTF、JPH、生产开动率等）进行分析和损失分解，同时对设备参数实时检测（负载电流曲线、运行时长心电图、超时趋势、故障频次和时间）和点检优先级推送，与此同时通过车身跟踪码查询生产过站信息以及检测在线质量凿检进行辅助质量查询和追溯。系统的整体硬件&软件框架如图2 所示，系统数据流向和功能描述如图3 所示。

图2 系统硬件和软件架构组成

图3 系统输入输出数据源流程及功能

结合车身车间新车型导入不断改造的特点，设备不断动态变化，整个系统采用模块化开发，支持界面简单批量导出和导出功能，只需对输入和输出就行编辑修正，即可完成对应线体变化的修正，而复杂系统平台后台代码和程序不需要修正，减少新车型导入或者线体改造导致的工作量和专家资源需求。

3.2 系统功能及亮点

（1）停线情况，自动采集，精准拆解。把10%左右的停线率，自动记录和具体分解到空满位、缺件、设备、质量、人员操作等上面，通过标准化客观的分析统计，提供客观依据，便于寻求有效的解决方案（工艺优化、设备整改、质量追溯及反馈、人员响应等），准确抑制停线情况，最终确保工艺设计效率以及提升效率，措施和方法如图4 所示。

图4 线平衡数据采集方法

（2）设备状态，自动采集，精准检修。通过设备报警信息日志和停线记录，设备每次动作时间（汽缸、电机、控制器等每次动作时间情况），关键核心设备的关键性能参数采集（如电流电压、温度、振幅振频等），根据经验值及状态趋势情况，有针对性的识别设备健康情况，经过专家诊断自动推送设备PM 和TPM，设备维修检修能够有的放矢，有效规避较长时间停线故障、频次较多的设备停线问题。措施和方法如图5 所示。

图5 设备健康数据采集方法

3.3 实际运行状态及效果

系统自2019 年6 月建设完成投入使用，至今已有一年多时间，运行反馈效果良好，深得车间和维修用户的好评。经过大数据采集系统的介入，生产线不再是冷冰冰的设备，而是一个生命体，它的每一次“脉搏”，都被系统及时记录，从而真实了解生产线的状态。通过数据量化分析支撑，可以快速实现新产品上市，占据市场主动性。系统随着生产线建设完成第一个车型投产时投入使用测试，通过大数据系统辅助，快速提升瓶颈工位，发现和解决亚健康设备问题，为后续的新车型导入起到生产爬坡周期由传统单个车型的35 天，优化至14 天完成，有效提升了50%以上的效率。

在产线爬坡阶段，自动化生产线的节拍稳定提升周期可缩短超30%以上，不需要额外的设备投资，就可以实现设备开动率/生产效率提升2%以上，在日常运维阶段，结合数字化手段和模式创新，可以实现非常高效的运维，生产用户将不用花费过多的人力物力在运维方面，运维人员成本将降低20%以上，设备也因为有了量化的分析，提前干预实现故障率降低30 %以上。

4 结语

宝骏新能源线智慧ANDON 的面向工程技术人员、现场车间和维修工程师，主要用于针对性的精准解决生产效率问题，提供工艺设计依据参考。在此基础上，SGMW 控制团队也获得了经验积累和技术沉淀，下一步将总结改进和推广，面向管理和生产规划决策，逐步提升系统的层次。目前焊装全车间生产总控系统正在开发测试中，未来我们将完成整个系统的建设和推广，打造数字化智慧焊装车间。