1　項目背景

作為海馬汽車(chē)發(fā)展道路上具有深遠意義的里程碑，海馬汽車(chē)總投資20余億元精心打造的智能工廠(chǎng)——鄭州三工廠(chǎng)于2018年11月底正式投產(chǎn)，新工廠(chǎng)占地面積約45萬(wàn)平方米，規劃產(chǎn)能30萬(wàn)輛，一期建設產(chǎn)能15萬(wàn)輛。在工業(yè)4.0理念下，海馬汽車(chē)智能工廠(chǎng)完全按照智能制造標準進(jìn)行規劃、設計和建設，擁有焊裝、涂裝、總裝三大車(chē)間，全面采用了菲尼克斯電氣融合IT技術(shù)的自動(dòng)化系統和創(chuàng )新的汽車(chē)行業(yè)電氣標準。

2　項目目標

新工廠(chǎng)在堅持高標準、高品質(zhì)的基礎上，通過(guò)全面采用菲尼克斯電氣融合IT技術(shù)的自動(dòng)化系統和量身定制的汽車(chē)行業(yè)電氣標準，實(shí)現高度的自動(dòng)化，并被賦予更多智能化元素。涂裝實(shí)現全自動(dòng)化，各種先進(jìn)的制造工藝和設備，確保高品質(zhì)的產(chǎn)品產(chǎn)出。整個(gè)焊裝車(chē)間按照工業(yè)4.0理念一次規劃分步實(shí)施，焊接自動(dòng)化率達到90%，實(shí)現焊接參數、品質(zhì)管理、設備管理、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)同平臺通過(guò)RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識別系統）系統實(shí)現生產(chǎn)計劃自動(dòng)排序、不同車(chē)型參數的自動(dòng)調取、在制庫存及異常車(chē)輛管理等；通過(guò)計劃隊列校核、人工選擇確認、設備自動(dòng)防錯等多方聯(lián)控確保差異件及車(chē)型切換的準確性。涂裝車(chē)間采用國際領(lǐng)先水性漆B1B2工藝，實(shí)現100%自動(dòng)化噴涂。作為智能化車(chē)間管理的重要方式，系統數據分析在涂裝車(chē)間被廣泛應用，主要體現在PMS（生產(chǎn)管理系統）、PMC（生產(chǎn)及物料控制）、ANDON和RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識別系統）?？傃b車(chē)間占地24,000平方米，主要包括內飾線(xiàn)、底盤(pán)線(xiàn)、動(dòng)力總成分裝線(xiàn)、前懸后橋分裝線(xiàn)、車(chē)門(mén)分裝線(xiàn)、儀表分裝線(xiàn)、前端模塊分裝線(xiàn)，同時(shí)還具備獨立整車(chē)檢測車(chē)間，單臺配送率超過(guò)90%，智能化質(zhì)量檢測保障高品質(zhì)交付。

3　項目實(shí)施與應用

菲尼克斯電氣作為專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)化系統提供商，基于在汽車(chē)行業(yè)長(cháng)期積累的專(zhuān)業(yè)知識，以及對工業(yè)4.0和智能制造理念的深刻理解，為海馬汽車(chē)第三工廠(chǎng)的設計建設獻計獻策，提供了完整的自動(dòng)化系統解決方案，全面應用于新工廠(chǎng)的焊裝、總裝和涂裝車(chē)間?；诜颇峥怂闺姎釶LC和軟件庫量身定制的汽車(chē)制造電氣標準，幫助海馬汽車(chē)建立起最先進(jìn)的自動(dòng)化平臺，確保了項目的高質(zhì)量水平、整個(gè)系統的高可用性和靈活性，最大限度地減少投資和運營(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(chē)智能工廠(chǎng)項目提供了深度融合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，將所有設備集成到基于以太網(wǎng)的系統中，實(shí)現系統一網(wǎng)到底，實(shí)現現場(chǎng)層、設備層、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(xiě)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(shù)。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(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品的選型標準及主要功能；PLC的參數標準；現場(chǎng)I/O的選型標準；PROFINET安裝規范；工位操作站解決方案；車(chē)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(chǎng)的三大車(chē)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(yè)以太網(wǎng)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(jìn)行控制，通過(guò)直接集成的以太網(wǎng)接口與SCADA、MES、車(chē)輛追蹤系統等進(jìn)行實(shí)時(shí)數據通信。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。交換機具有優(yōu)先處理PROFINET報文的能力，同時(shí)支持MRP、LLDP、SNMP協(xié)議等功能。

焊裝車(chē)間要求不停歇地焊接各種不同型號的車(chē)體且不影響生產(chǎn)周期，生產(chǎn)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(chǎn)力、生產(chǎn)靈活性和產(chǎn)品質(zhì)量。焊裝車(chē)間工藝段包含側圍、縱梁、前后底板、底板總成、機艙、下部線(xiàn)、主線(xiàn)、四門(mén)，輸送系統包括側圍輸送和WBS（白車(chē)身輸送），由6家不同的線(xiàn)體商負責系統集成，共使用了23套RFC 470S PN 3TX控制器，用來(lái)控制228臺ABB焊接機器人、200個(gè)IP20的I/O子站、800多臺IP67設備、179臺變頻器和139個(gè)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(huì )受到普通PLC運行周期的限制，普通PLC的問(wèn)題不會(huì )對安全PLC有任何影響。

在涂裝車(chē)間的許多區域，必須以高度自動(dòng)化的方式不間斷地進(jìn)行運輸、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，必須保證材料數據的透明性和工業(yè)通信技術(shù)的靈活性。新工廠(chǎng)的涂裝車(chē)間分為機運區域、工藝設備和噴涂線(xiàn)，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(xiàn)，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(lái)控制。使用了5套RFC 470S PN 3TX控制器，用來(lái)控制42臺ABB噴涂機器人。

總裝車(chē)間使用了100多臺物流AGV，配合自動(dòng)化輸送線(xiàn)，使得總裝車(chē)間90%的物料實(shí)現自動(dòng)配送。升降設備、輸送系統等采用了16臺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處理任務(wù)，同時(shí)支持PROFINET I/O控制器和PROFINET設備，可進(jìn)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(chǎng)的傳感器和執行器。模塊種類(lèi)多樣，擴展靈活方便，具有LED故障診斷功能，而且更換模塊無(wú)需重新接線(xiàn)。

安全技術(shù)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(shù)、安全網(wǎng)關(guān)和安全繼電器等在現場(chǎng)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(gè)網(wǎng)絡(luò )系統中，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之間的數據交換。通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)，可發(fā)送128個(gè)字節的PROFINET標準I/O過(guò)程數據以及11個(gè)字節的PROFIsafe安全I/O過(guò)程數據。

為了實(shí)現系統的可視化和操作，現場(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。工位操作站預裝了PC Worx工程軟件和控制器診斷，以及PROFINET系統網(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，通過(guò)軟件將信息和數據抽取出來(lái)進(jìn)行整合分析，以反映產(chǎn)線(xiàn)運轉的真實(shí)情況，這是汽車(chē)制造業(yè)從自動(dòng)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(shí)現信息互聯(lián)互通，大數據管理極為重要。而菲尼克斯電氣在海馬汽車(chē)鄭州三工廠(chǎng)的一體化生產(chǎn)協(xié)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(chǎn)數據通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，下發(fā)給線(xiàn)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(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)數據，其中包括：

·額定生產(chǎn)數量；

·車(chē)輛識別VIN碼；

·車(chē)型的基本數據；

·每種車(chē)型對應的高、中、低配置信息等。

完成生產(chǎn)后，還要第一時(shí)間將對應的生產(chǎn)數據實(shí)時(shí)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(chē)型數據以及生產(chǎn)數據的傳遞自然少不了RFID技術(shù)。在海馬汽車(chē)鄭州三工廠(chǎng)的焊、涂、總三大車(chē)間，生產(chǎn)過(guò)程數據采集技術(shù)覆蓋整個(gè)工廠(chǎng)制造現場(chǎng)，保證海量現場(chǎng)數據的實(shí)時(shí)、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(jìn)行控制與調配。在焊裝車(chē)間中，側圍輸送與主線(xiàn)的銜接處、下部線(xiàn)與主線(xiàn)的連接處以及主線(xiàn)的各工位，所有RFID采集點(diǎn)由2臺AXC3050進(jìn)行控制；涂裝車(chē)間里，輸送系統在每個(gè)工藝設備的銜接處都布有RFID采集設備，將主要數據發(fā)送給PLC；總裝車(chē)間同樣在每條線(xiàn)體上布有多達50個(gè)RFID信息采集點(diǎn)，全部由AXC3050進(jìn)行最終的數據處理。

3.3　量身定制的汽車(chē)制造電氣標準

在整個(gè)工廠(chǎng)中，開(kāi)放的標準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(chē)制造提供一個(gè)靈活的基于平臺化的前提條件。菲尼克斯電氣在汽車(chē)行業(yè)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(cháng)期積累的應用專(zhuān)業(yè)知識建立起的軟件功能庫，從而為海馬汽車(chē)量身定制一套電氣標準，打造高水準的自動(dòng)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(dòng)生成可視化的基礎，將功能塊實(shí)例中所需的所有數據封裝給出一個(gè)面向對象的一致性數據模型，通過(guò)對象名稱(chēng)訪(fǎng)問(wèn)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(chē)間和輸送系統的電氣規范，是各個(gè)線(xiàn)體商進(jìn)行系統集成的規范和指導，確保按照項目文件管理標準進(jìn)行。這個(gè)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(kāi)發(fā)軟件PCWORX的程序結構及標準配置、安全程序開(kāi)發(fā)軟件 SafetyPROG的結構與功能塊、上位軟件GraphWORX的結構與自動(dòng)生成標準等。

PCWORX軟件庫包含了250多個(gè)標準功能塊，實(shí)現的功能包括：邏輯功能；設備通信驅動(dòng)，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(dòng)操作；細節畫(huà)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(chē)輛跟蹤系統、大屏顯示系統、中心管理監視系統等進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交互。

自動(dòng)生成程序和可視化系統，保證一個(gè)工廠(chǎng)內所有設備具有相同的界面和風(fēng)格，無(wú)論是來(lái)自哪個(gè)供應商，都會(huì )節省大量的開(kāi)發(fā)和調試時(shí)間。為此，我們幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)了大量的可視化對象，并與PLC應用程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過(guò)PCWORX中的VisWiz工具和預先定義好的映射文件，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置，即可在幾分鐘內自動(dòng)創(chuàng )建好GraphWORX32的上位機畫(huà)面。PLC與上位機之間通過(guò)OPCSERVER進(jìn)行通信，OPC變量連接在畫(huà)面生成時(shí)即自動(dòng)完成。

雖然控制工藝和控制設備有很大的不同，但焊裝車(chē)間的設計思路同樣適用于涂裝車(chē)間。菲尼克斯電氣為其開(kāi)發(fā)了完善的涂裝車(chē)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(chē)第三工廠(chǎng)按照工業(yè)4.0和智能制造標準進(jìn)行規劃、設計和建設，實(shí)現了高度的自動(dòng)化和數字化，并引入了眾多的智能元素，具有多個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)。焊裝車(chē)間規劃四車(chē)型柔性共線(xiàn)，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(diǎn)焊、搬運、弧焊、涂膠等工序，單班可以減少275名作業(yè)人員，相比傳統焊裝車(chē)間人數大幅降低。涂裝車(chē)間采用國際領(lǐng)先水性漆B1B2工藝，清漆采用了業(yè)內高品質(zhì)的2K體系，采用了42臺ABB噴涂機器人，擦凈采用了駝鳥(niǎo)毛擦凈機，開(kāi)關(guān)門(mén)也實(shí)現了機器人控制，噴漆線(xiàn)實(shí)現了100%自動(dòng)化噴涂?？傃b車(chē)間還分布著(zhù)100多臺“貼地飛行”的物流AGV，配合自動(dòng)化輸送線(xiàn)，使得總裝車(chē)間90%的物料實(shí)現自動(dòng)配送。風(fēng)擋玻璃涂膠采用機器人自動(dòng)涂膠，檢測采用德國杜爾檢測設備。

新工廠(chǎng)使用了300臺工業(yè)機器人、116臺物流AGV、RFID、傳感器、PLC、數據采集器、工業(yè)交換機等智能裝備，同時(shí)集成MES、工業(yè)網(wǎng)、大數據應用、人工智能、知識工作自動(dòng)化等軟件手段，實(shí)現人、機、物、信息的互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現產(chǎn)品制造智能化，最終目標是實(shí)現品質(zhì)制造、交付精準、成本最優(yōu)。

制造的智能化最終是為了實(shí)現產(chǎn)品的高品質(zhì)制造，同時(shí)，工廠(chǎng)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(chǎng)的先進(jìn)制造工藝，將為海馬8S的高品質(zhì)打下堅實(shí)的基礎，也是其產(chǎn)品競爭力的重要保障。

隨著(zhù)工業(yè)4.0和智能制造理念的不斷深入，汽車(chē)行業(yè)不斷創(chuàng )新發(fā)展，向著(zhù)智能汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)等方向轉變，用戶(hù)對產(chǎn)品品質(zhì)和智能化提出更高的期望，市場(chǎng)競爭也越來(lái)越激烈。對于汽車(chē)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)現數據的透明傳輸，打造智能工廠(chǎng)，實(shí)現數字化轉型，已成為一種趨勢。鄭州三工廠(chǎng)是海馬汽車(chē)打造智能工廠(chǎng)、邁向工業(yè)4.0的重要一步，標志著(zhù)海馬汽車(chē)智能制造水平邁上了新臺階，這也意味著(zhù)其智能化和自動(dòng)化水平躋身汽車(chē)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(chē)制造電氣標準，將助力更多的汽車(chē)企業(yè)實(shí)現智能轉型。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年3月刊