MES在汽车制造中的应用之业务篇(1) -- 冲压与PMC

汽车制造是一个资金密集型的行业。

比如全新开发一款乘用车，约需要投入5亿的研发费用和20亿的生产费用。

研发费用大项主要包括：造型设计、工程设计、整车标定、整车试验、零件试验、样车试制、零件开发。

生产费用主要包括：厂房基建、设备及安装、投产准备。

在生产费用中，设备及安装约占3/4，而冲压车间占用了约35%的设备安装费用。

在冲压车间费用中，设备相关费用约占1/3，模具相关费用约占2/3。

假设某款车投产后非常畅销，销量超出了工厂的设计产能，那么能否通过扩建厂房及增加设备来实现呢？

从冲压车间的角度来看，是相当困难的。

首先由于冲压机对地面的平整度及抗压性要求极高，因此厂房建设时间较长。此外，模具的加工、修整也需要较长的时间。

因此，充分利用现有设备、三班倒全天候生产是提高产能的关键。

冲压车间的分段工艺包括：拆垛、抓料、送料、对中、上料、清洗、涂油、冲压、检验，多数工艺自动化完成，工人主要做一些辅助的操作。

因此，生产、设备、系统都要围绕着设备为中心，服务好设备：

-          工人要配合好设备，确保作业连续；

-          设备工程师要维护好设备，出现问题要及时解决；

-          系统要及时发现故障及报警，通知相关工程师。

因此，在冲压车间，MES的主要功能是PMC设备监控。

PMC全称是Production Monitoring and Control，即生产监视及控制，但在MES领域，PMC模块主要关心设备的监视。

PMC主要采集以下几类信息：

1)       设备的运行状态；

2)       设备的异常，如报警代码、故障代码；

3)       计数类的统计信息，如当班产量、缓冲区数量；

4)       计时类的统计信息，如累计停线时间；

5)       设备的关键工艺参数；

6)       正在加工的产品信息，如序列号、料号、机型；

7)       生产节拍信息，如装配时间、等待时间、堵塞时间；

8)       线体运行速度、节拍。

从技术上来说，MES主要通过PLC采取设备数据。

PLC全称是Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，是设备的逻辑层和应用接口层。

PLC按照和MES的接口约定，把PMC对应的业务数据存储在指定的数据块中，然后MES通过OPC从PLC获取数据。

OPC即OLE for Process Control，即面向过程控制的对象链接与嵌入，能够把PLC数据块中的数据映射成OPC服务器上的内存变量。MES通过OPC客户端或物联网网关实现和OPC的通信，下图显示了PMC数据数：

图2.1-1：PMC数据流

我们可以看到，OPC从PLC收集到设备数据后，对数据有2个用途：

1)       OPC将数据传输给SCADA服务器，再通过SCADA客户端输出实时数据。

2)       OPC将数据传输给MES服务器，归档到数据库，再通过报表输出统计数据。

在车间现场，工人和工程师看的主要是实时数据。

SCADA全称是Supervisory Control And Data Acquisition，即监控和数据采集。制造工程部门可以通过SCADA软件实现远程监视和控制操作，而IT主要通过SCADA采集和显示数据。

目前应用较为广泛的SCADA产品为：Siemens WinCC，Rockwell FTView，GE Cimplicity。

SCADA服务器可以从OPC服务器上快速同步数据，通常刷新频率为250ms~1000ms，然后SCADA客户端从SCADA服务器上同步数据，再输出到现场的大屏电视机或LED屏上。

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(4) -- 变速器制造工艺

变速器的制造过程与发动机类似，由三大工艺组成：机加、装配、检测。

图1.4-1显示了变速器工厂的主要作业流程：

图1.4-1：变速器主要作业流程

在机加车间，进行变速器壳体(变壳)、离合器壳体(离壳)、齿轮、齿轮轴的机械加工。

变壳、离壳的加工主要是将毛坯分步骤精细加工，通常上线后就打刻激光二维码，然后在整个加工过程中都可以通过此二维码进行精确追溯。

而齿轮和轴通常都是批次加工的，机床会同时加工多件产品，而这些产品在下线时才会打刻激光二维码，因此在加工过程中通常是批次、模糊追溯，比如在某些工序中可能出现车、箱的批次形式。

机加车间MES应用的重点有：

1) 对壳体毛坯件、半成品序列号进行精确追溯；

2) 对齿轮和轴进行批次追溯；

3) 对机器设备的状态监控；

4) 对关键设备工艺参数(如热处理加热炉的温度)的监控；

5) 对试漏等检测数据的收集；

6) 零件报废处理。

MES的总体需求和发动器非常类似，难点主要是对齿轮和轴的追溯实现。

如下表是变速器的一级结构：

而齿轮1(序列号为C1201709270021) 在各工位的批次追溯关系为：

装配车间的主要作业有：

1) 壳体分装；

2) 轴齿分装；

3) 差速器分装(差速器通常外购，然后在工厂加装零件)；

4) 主线装配。

装配车间的主要工艺有：压装、拧紧、测量、试漏等。

MES对应的功能主要有：计划管理、装配防错、质量管理、设备监控、数据采集等。

装配车间主要采用滚道输送线，变速器在每个工位的装配过程中处于静止状态，因此通常在托盘上安装RFID TAG，然后在每个工位加装RFID READER，从而实现PLC与RFID的实时通信，然后MES通过OPC实现与PLC的实时通信。借助此技术，MES可在每个工位实时识别产品，从而实现在每个装配工位的装配参数下发和生产数据上传。

检测线由线体供应商提供软硬件一体化安装集成，采用专用软件，并将检测数据记录到自带数据库中。检测线系统可以通过IT层接口(如WEB SERVICE/MQ)实现和MES的数据交换。

MES主要从检测线收集检测程序号、检测参数、检测值、检测结果等，这些数据主要是用于未来的追溯分析。

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(3) -- 发动机制造工艺

发动机的制造过程由三大工艺组成：机加、装配、检测。

在机加车间，进行缸体、缸盖、曲轴的机械加工。机加车间采用高精度的数控机床，将金属毛坯件通过切削加工等方式，加工成缸体、缸盖、曲轴零件。

机加车间MES应用的重点有：

1)       对毛坯件序列号进行追溯；

2)       对机器设备的状态监控；

3)       对关键设备工艺参数的监控；

4)       对试漏等检测数据的收集；

5)       零件报废处理。

由于机加车间通常按照库存安排生产，因此一般不需要通过系统管理计划。

此外，机加车间一旦出现质量问题，往往报废处理，因此不会通过系统进行质量缺陷管理。

对设备的监控是为了及时响应生产现场的异常情况。

对毛坯件进行序列号追溯、对工艺参数进行追溯，并结合装配车间的追溯管理，是为了实现全过程追溯，特别是当出现严重质量问题时，通过系统实现批量召回。

装配车间的主要作业有：

1)       缸盖分装；

2)       活塞连杆分装；

3)       内装；

4)       外装；

5)       冷试(发动机不启动时检测相关指标)。

装配车间通常按照计划安排生产，如果有多机型混线的话，还涉及到现场物料的及时推送。此外，装配车间最主要的两类工位是装配和拧紧工位，因此，MES的应用重点包括：

1)       计划自动下发给上线工位；

2)       物料防错；

3)       零件装配追溯关系建立；

4)       拧紧防错及拧紧值记录；

5)       过站记录及广播，并触发物料推送；

6)       设备监控；

7)       质量呼叫；

8)       质量缺陷管理；

9)       间隙检测、冷试等检测数据归档。

热试是指将发动机加油并启动后，模拟正常工况、恶劣工况等，从而记录其运行数据。

热试通常采用专用测试台及配套软件，MES通过接口归档关键检测数据。

图1.3-1显示了发动机工厂的主要作业流程：

图1.3-1：发动机主要作业流程

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(2) -- 商用车制造工艺

商用车是相对乘用车而言的，一般包括货车、客车、越野车等。

商用车通常采用非承载式车身，即由车架提供承载，而车身起辅助作用。通常由厚钢板焊接或铆接成大梁，而底盘件则安装到大梁上。比如有的卡车驾驶舱可以往上掀起，甚至有的无人驾驶卡车是没有驾驶舱的。

采用非承载式车身车辆的特点是质量重、缓冲性好、容易改装成特殊用途车辆。

比如城市SUV通常采用承载式车身，而越野车一般采用非承载式车身。

商用车的制造过程包括：车身的冲、焊、涂，车架的冲、铆、涂，以及车辆的总装。

车身的冲、焊、涂工艺和乘用车是类似的，而在总装车间，车辆底盘的装配较复杂。

商用车工厂的特点是年产量相对小、工位节拍时间长、工位间距大，因此对装配及时性、自动化程序要求相对较低。

而商用车特别是货车使用年限长、行驶里程长，因此对零件的耐久性要求高，对装配的搞疲劳性要求高，因此除了采用铆接工艺外，对拧紧部件有严格的扭矩控制要求。

总装车间MES的主要功能有：

1) PBS车身调度；

2) 车辆位置监控和广播；

3) 装车单打印；

4) 作业指示；

5) 关键件追溯及防错；

6) 质量及缺陷管理。

图1.2-1显示了总装的主要作业流程：

图1.2-1：总装主要作业流程

图1.2-2显示了商用车制造的总体工艺：

图1.2-2：商用车总体制造工艺

MES在汽车制造中的应用之工艺篇(1) -- 乘用车制造工艺

乘用车通常包括家庭轿车、运动型多功能车(SUV)、多乘员车(MPV)。

乘用车通常采用承载式车身，即由钢板焊接成的车身形成车辆的主体结构，底盘、发动机、变速器、内饰等都是安装在车身上的。车身通常采用冲压成型的钢材经由焊接成型，目前使用较为广泛的是笼式车身，即车辆钢板、钢梁、肋条通常焊接形成一个类似笼子的结构。笼式车身的特点是安全性高、抗冲击性强、对乘客保护好、空间大、车重轻。

乘用车的制造过程主要由4大工艺组成：冲压、焊接、喷涂、总装。

乘用车通常使用3D CAD软件进行车辆的造型设计，并使用3D CAD进行车辆的钣金设计、夹具设计等。

在冲压工艺段，工艺工程师根据3D CAD模型设计各钣金件的冲压模具，冲压作业时，压机加载成卷钢板和模具，通过冲压成型的方式形成各种类型的冲压零件。此工艺段的钢板厚度和模具精确度对车辆安全有重大影响。在冲压车间，MES的主要功能是监控设备的实时运行状态，因为设备的可用性直接决定了生产效率。

在焊接工艺段，焊接机器人将冲压件焊接形成车身主体结构，并附加强化钢梁和肋条。此工艺段的焊接质量、焊点分布均匀度对车辆安全有重大影响。在质量管理方面，通常会通用专业软件比对设计焊点位置和实际焊点位置，生成统计分析报表。焊接完成的车身会运送到焊装缓冲区WBS(Welded Body Store)。

焊接工艺的主要作业有：

1) 焊接发动机舱、前地板、后地板(又称三大件)。

2) 将三大件焊成车辆的骨架。

3) 焊接左右侧围。

4) 将侧围焊到车辆骨架上，并形成ABC柱。

5) 焊接车门及肋条，并安装到车身。

图1.1-1显示了车身的主要结构。

图1.1-1：车身主要结构

图1.1-2显示了焊接的主要作业流程：

图1.1-2：焊接主要作业流程

在焊接车间，MES的主要功能是自动下发工单给上线工位，如三大件和左右侧围。目前整车厂基本上都根据订单来安排生产，也就是订单的顺序决定了车辆的生产顺序。因此在上线工位，设备并不知道下一台车的车型和配置信息，需要由MES自动下发给设备PLC。

在喷涂工艺段，车辆要涂底部防腐蚀层、中部过渡层、表面油漆层，并配合前处理、干燥等辅助工艺。喷涂的大部分作业由设备自动完成，通常设备都安装在空中；而人工的检查、辅助喷漆放在地面层；此外喷涂车间还有2个输送层，1层用于车辆缓存，1层用于空撬返回。喷涂完成的车辆会运送到喷涂缓冲区PBS(Painted Body Store)。

喷涂车间有几十道较独立的工艺段，而大部分工艺段以设备自动作业+人工维修的形式完成，由于作业人员较少，因此需要将问题车辆自动移送到维修区，MES提供质量路由模块配合PLC完成此项功能。

图1.1-3显示了喷涂的主要作业流程：

图1.1-3：喷涂主要作业流程

在总装工艺段，车辆要装配内饰(Trim)、底盘(Chassis)，并进行终装(Final)，所以有的工厂把总装又称作TCF – 由Trim/Chassis/Final的首字母组成。

总装工艺段的主要作业有：

1) 根据一定的调度规则，从PBS调用车辆。

2) 在前内饰线，安装乘客舱、仪表盘、天窗等设备。

3) 在底盘线，安装底盘、发动机、变速器等设备。

4) 在后内饰线，安装轮胎、座椅、车门等设备。

5) 在完成线，安装附件、加注液体、检查外观等。

6) 在检测线，进行软件刷写，并检测四轮定位、大灯、尾气等。

7) 另外还有车门、仪表盘、发动机等分装线。

总装车间以人工装配为主，涉及大量的物料配送，因此MES的主要功能包括：装配指示、装配防错、物料拉动、设备集成等。

图1.1-4显示了总装的主要作业流程：

图1.1-4：总装主要作业流程

图1.1-5是一个典型主机厂的整体布局：

图1.1-5：乘用车总体制造工艺