复兴号中国标准动车组制动控制装置气控模块智能柔性生产线的研究与应用*
时间：2023-06-05 08:15:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙广合
（中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081）
在我国智能制造不断深入推进的大背景下，制造业生产过程的数字化、网络化、智能化水平全面提升，随着新技术、新装备快速发展，催生出一大批新应用、新业态和新模式，驱动了制造业的优化升级［1-2］。轨道交通装备制造过程具有多品种、小批量、质量要求高等特点，应用智能柔性装备提升生产系统的生产效率和生产质量成为一种可行的解决方案，行业内的相关企业也进行了一定程度的探索和应用，如株洲时代的IGBT无人化产线，中车浦镇的自动化物流系统等［3］都取得了良好的应用效果。智能柔性装备在轨道交通行业的生产制造过程中已经取得了一定的应用成果。
因此，为提高复兴号动车组制动控制装置气控模块生产效率及产品质量，文中结合我国先进智能柔性装备的设计应用经验，对复兴号动车组制动控制装置气控模块智能柔性生产线进行研究与应用，旨在提升系统生产效率和生产质量。
1.1 生产现状分析
由于复兴号中国标准动车组制动控制装置气控模块多品种、小批量的生产特性，目前其生产过程具有以下特性：作业人员无固定作业位置；
作业人员无固定作业内容；
组装作业无统一作业节拍。
这样的生产模式存在以下问题：
（1）各作业人员工作负荷不均衡，生产节拍模糊，生产无节奏感，呈现松懈和散漫，OPE低下，造成了大量的工时浪费，生产效率低。
（2）各模块生产工作台、工作人员不固定，现场无法进行“三定5S”管理。
（3）各作业环节标准化程度低，产品制程质量监控较为困难，无有效防错手段，存在出现质量问题大规模爆发的风险，产品质量无法保障。
1.2 生产模式研究
针对以上生产问题，需要改变目前的生产模式，对生产流程、生产装备、生产组织方式进行优化，进而改善生产系统的效能。根据精益生产线流程导向、拉动系统、零缺陷、灵活性、消除浪费的生产原则，并结合制动控制装置气路模块的产品特性，选择多品种单件流混线生产模式［4］进行生产，该模式的具体优势如下：
（1）生产周期短：单件流生产采取分工原则，根据节拍和生产工时得知完成产量所需总周期，根据目标差异灵活应对，保障及时交货。
（2）在制品少：单件流生产是连续流动生产，突出特点是在制品得以极大压缩。
（3）场地占用少：单件流生产极大的削减了在制品，工厂空间得以释放。
（4）灵活性大，柔性高：单件流生产方式，企业在制品总量极少，原材料的投入短周期内就转化为成品，对于客户需求变化的应对能力明显提高，对于不同产品品种转换的时间大幅削减。
（5）避免批量质量缺陷：由于是单件产品流转，发现质量问题可及时叫停生产。
1.3 基于模特排时法的产线节拍及工位划分研究
1.3.1 标准工时计算
标准工时是产线节拍计算及工位划分的基础。对于产线生产的7个类型产品，利用国际通用模特排时法结合秒表法进行标准工时计算。
（1）现场实测工时统计：通过对现场作业过程的实时记录，根据标准工时作业范畴的定义，将其中非作业工时的部分除去，得到现场实测工时
OT。
（2）现场人员作业水平的评定：选取现场作业过程中几个标准化程度较高的动作，实测其作业时间为T11、T12、T13……；
利用模特工时计算方法，计算这几个作业动作的模特工时为MOD11、MOD12、MOD13……，通过模特工时与实测工时比，确定评比系数η计算公式为式（1）：
η=（MOD11+MOD12+MOD13+……）/（T11+T12+T13+……） （1）
（3）确定宽放系数：考虑操作者个人需要和各种不可避免的延迟因素所耽误的时间，正常工时需要考虑一定的宽放系数，标准工时计算公式为式（2）：
1.3.2 生产线节拍计算及工位划分
在计算产线节拍之前需要确定客户节拍时间Customer Takt（简 称：TT），计 算 公 式 为 式（3）～式（5）：
规定每月有效生产时间为26天×8小时，根据式（3）～式（5）计算OEE为85%，则得出，
客户节拍TT=499.2（min）
以目标节拍计算操作人员数为式（6）：
根据标准工时计算出的总操作时间OT，再根据式（6）得出操作人员数为3人。
故生产线需要最少设计3个工位。
1.4 数字化精益装配管控系统研究
由于生产线为多品种单件流混线生产，需结合工艺可视化、工具监控系统、物料防错系统、智能拧紧系统、RFID射频识别系统等智能装备和系统，来确保生产过程中的智能化及柔性化。
建立的数字化精益管控系统如图1所示。
图1 数字化精益管控系统
（1）虚拟化资源和可重构配置：对产线运行所需的人、机、料、法、环等资源进行虚拟化。资源可根据生产工艺及生产过程管控要求，建立面向主工艺路线（工序集）的资源可重构配置模型，实现多种类产品智能柔性化生产。
（2）匹配式推送和目视化管理：加载与实时工况相匹配的基础数据及知识规则并推送到数字化作业终端；
通过文字、图片、颜色等方式，实现目视化管理和在线作业指导，提高作业标准化。
（3）自动化防错和透明化跟踪：通过数字化精益工作台上所部署的物理防错装置及管控系统实现产品作业过程中的生产防错和异常报警；
基于实时采集的生产数据，支撑生产过程的透明化跟踪，对产品进行有效的制程控制，提高产品质量。
2.1 生产线机械结构设计
（1）线体工位及关键尺寸设计
根据前文1.2及1.3所述，产线设计3个操作工位，线体整体结构如图2所示，根据最大的模块A的尺寸大小及其所需物料盒的尺寸大小，确定工件组装托盘尺寸为400 mm×640 mm，物料托盘尺寸为400 mm×320 mm，则组装线及物料线的线体输送宽度为400 mm，各线体总宽度≤450 mm。
图2 线体整体结构示意图
生产模式采用组装托盘与物料托盘随行的模式，考虑到人机工程学中关于操作人员双手活动范围的定义，单工位长度设计为1 900 mm。
由于组合托盘的特殊结构，结合人机工程学中最适宜操作人员作业的高度，设计线体高度为1 140 mm（地面到托盘下表面），且地脚采用高度可调方式，调节高度为±30 mm［5］。
（2）线体运输方向设计
由于采用组装托盘与物料托盘随行的模式，以利右手作业人员的作业习惯为基准将物料托盘放置于组装托盘的右侧，则工位间的运转方向为从右向左运行。
（3）线体组成结构设计
生产线由物料线及组装线2条双层自动输送线并列构成，线体两端各设置双通道提升机，使物料托盘及组装托盘能够实现各自封闭循环，同时，物料托盘通过横架在组装线与物料线上的横移机构实现物料流转。
2.2 生产线物流布局设计
物流配送应遵循以下原则：
（1）物流路线应避免交叉、反复等状况。
（2）物流路线应尽量设计为一个流，从而减少搬运距离，达到提高生产效率、降低物流成本的目的。
（3）配送位置应该明确清晰。
（4）配送位置物流状况可视化。
遵循以上原则，生产线物流路线设计如图3所示。
图3 生产线物流路线示意图
该设计整体物流路线清晰，搬运距离较短，且库房人员在送料的过程中，可以同时从成品缓存区向库房运送成品，去程回程均为增值运送过程。
2.3 数字化精益装配管控系统设计
2.3.1 基于PLC系统的硬件架构
以“一个中央单元、分散控制”的概念［6］构建PLC系统控制架构。在线体中设置一个PLC作为中央控制单元，负责系统的总体控制，采取分散控制的方式，利用上位机和控制器等对产线内各个工位和关键设备进行控制。根据生产线功能设计，将PLC控制系统划分为3个层级：执行层级、中央控制层级、上位控制层级，如图4所示。
图4 生产线硬件架构图
（1）执行层级主要是各类功能部件根据PLC控制单元指令进行动作，并实时进行数据交互。按照通讯协议的不同，主要分为3类：PROFIBUS连接（主要包括RFID系统）、PROFINET连接（主要包括智能拧紧系统）、ETHERNET连接（主要包括扫码系统及各工位可视化系统）。
（2）中央控制层级主要由以太网交换机、PLC控制单元构成。以太网交换机接收各个通讯协议传来的数据，经过转化，传输给PLC进行数据处理、控制等工作；
PLC指令及下发数据经由路由器转化下发至各执行层级部件；
PLC控制单元主要实现线体控制、数据处理等功能。
（3）上位控制层级主要由上位机服务器构成。上位机服务器接收由路由器发送来的各类数据，然后进行汇总，并通过路由器向中央控制层级下达指令及下发相关生产数据。同时，上位控制层级与公司级网络连接，实现生产订单下发、配置管理、报工、生产状态实时监控等功能。
2.3.2 PC上位系统架构
生产线PC上位系统分为主服务器控制软件和工作站显示软件2部分。软件通过OPC SERVER软件读写PLC内部数据，获取PLC控制设备的工作状态、生产数据、条码，并保存在数据库中。上位系统工作流程图如图5所示。
图5 上位系统工作流程图
（1）工作站显示软件
工作站显示软件主要为操作人员提供以下几方面可视化信息：①操作人员信息（包括操作人员工号、照片等）；
②当前工件信息（当前工件的名称、序列号、组装托盘号等基本内容）；
③当前工件所属的订单信息（包括订单号、订单数量、已完成数量等内容）；
④可视化工艺显示（系统根据工件读取到的工件信息，自动将对应的工艺步骤及组装示意图下发至对应工位）；
⑤装配过程关键信息显示（组装过程中通过扫码获取的关键部件二维码信息及通过电动拧紧枪获取的部件拧紧信息会显示在“条码扭矩追溯”信息栏，以便操作人员查看）。
（2）主服务器控制软件
主服务器上的控制软件主要包括以下几个功能：各工位信息监控、工艺设置、生产计划设置、生产历史数据查询、生产统计信息查询、生产日志信息查询、系统报表查询等，操作者可以通过该界面监控各个工站的加工状态。
结合生产模式设计和生产线设计方案对复兴号动车组制动控制装置模块分装生产线进行实施和应用，其实时运行场景如图6所示。
图6 复兴号动车组制动控制装置模块分装生产线
（1）生产效率提升
由于生产过程中存在各类损失，导致每日实际产能与理论产能存在差别，随机选取产能爬坡阶段的实际产能进行分析，产能爬坡过程如图7所示。
图7 生产线产能爬坡示意图
从产能提升的过程来看，实际产能比计划产能提升慢，但理论产能比计划产能提升快，说明生产过程中的各种损失影响了产能的提升，就单位时间产能而言，能够达到理想效果。产线产能提升效果见表1。
表1 产线产能提升效果表
（2）产品质量提升
通过工装自动化改造和作业标准化设计，尤其是配备了数字化精益装配管控系统，使得生产过程具备了完善的防呆防错手段，实现产品制程信息实时监控，大大减少了人工出错的概率，提高了产品的质量。
文中针对复兴号中国标准动车组制动控制装置气控模块生产存在问题及产品特性，结合当前我国智能柔性生产线的应用经验，进行了适用于复兴号中国标准动车组制动控制装置各类型气控模块生产的智能柔性生产线的方案研究及设计，并进行了生产应用验证。
通过上述智能柔性生产线的应用，复兴号动车组制动控制装置气控模块生产过程发生以下改变：
（1）生产效率有了显著的提升，实现了以流程为导向的单件流生产，作业人员可减少2人，人均生产效率提高104%以上；
同时，紧凑的工位设计，使得生产面积节省50%以上。
（2）作业标准化程度大大提高，防呆防错功能进一步完善；
产品制程可实时监控，生产制程数据采集率高，追溯性强，产品质量得到有效提升。
