中國汽車行業標杆數字化車間-上汽大衆汽車有限公司安亭汽車三廠——油漆車間

Part.01

概述

上汽大衆120JPH油漆車間項目選址嘉定區安亭鎮上汽大衆基地，總投資18.6億元，規劃年産能60萬輛。于2018年10月土建動工，2019年6月設備進場安裝，2020年1月投料完成開始調試優化，3月首台調試車下線，4月首台MEB純電動車下線，8月正式投産。是世界首創120JPH塗裝車間，用于替代原汽車三廠兩個油漆車間以及新建MEB工廠油漆車間，共包含：主車間、注蠟車間、總裝預裝車間及各單體之間的連廊，建築面積總計144848平方米，是全球生産規模最大的單體汽車塗裝車間。新車間突破了業界塗裝車間常見的30JPH單線生産工藝布局模式，首次采用3*40JPH的柔性工藝布局。同標准化塗裝車間相比，投資降低15%，建築面積降低12%，設備總量是標准化車間的2.5倍，工業機器人協作機器人數量共346台，自動化率達到73%。生産三種平台（MEB\MQB\MLB）的車型，同時供應兩個工廠，汽車三廠MQB、MLB兩種平台7款車型（包括豪華品牌Audi），MEB工廠5款車型。

120JPH油漆車間集智能制造、節能環保爲一體，大規模應用領先的制造技術，實現制造全過程的智能化和數字化。通過矽烷薄膜技術、SDM液體阻尼墊工藝、余熱回收技術、智能能源管理系統等節能環保措施，打造上汽大衆最具環境友好型塗裝車間，實現5項環保KPI相較于公司平均水平下降20%。

120JPH油漆车间在産品制造领域广泛采用了最新的工业自动化技术，重点建设了三层网络基础设施，特别是率先实现工业无线WIFI通讯设施全覆盖，为信息系统的开发、设备模式的更新奠定基础。信息系统集成方面，信息系统的应用覆盖到了加工全过程、産品物流、管理活动、质量控制、成本控制等各个业务环节，形成了以智能生产管理、设备管理、质量管理、项目管理和智能安保等为主题的信息系统平台。

120JPH油漆車間是上汽大衆在工廠的數字化、網絡化及智能化方面的首次大規模實踐。

Part.02

總體架構

上汽大衆120JPH油漆車間雖然是目前國內最大建築面積和産能的單體塗裝車間，但卻具備大衆集團乃至全球最好的生産效率和柔性生産能力。這得益于它在規劃就定位于“柔性和高效”的設計理念。

一、多平台的柔性工藝生産布局

120JPH油漆車間可混合生産多達3種平台（MEB\MQB\MLB）的車型，可覆蓋緊湊型、中性、大型的SUV和轎車尺寸。它突破了業界塗裝車間常見的30JPH單線生産工藝布局模式，首次采用3*40JPH的柔性工藝布局。

如下图1在生产工艺上，120JPH油漆车间采用成熟稳定的VW2010免中涂工艺，包含预处理、电泳、底部密封、细密封、色漆、清漆、注蜡等。在产线布局上，根据産品的平台特点设计“平台+混合”的布线方式。通常情况下，産品根据自己的平台属性（如MEB电动平台、或MQB、MLB传统平台）进入各自专属生产线进行最高效和最经济生产任务，同时也可以根据特殊情况（如产能平衡、流水线故障、自定义需求等）进行混线生产，以提高生产抗风险能力。为此整个油漆车间配置多达300多个RFID和MOBY组成的自动识别节点以实现对産品的物流追踪或者流向控制，同时配置了10个工艺分岔路的人工物流决策点进行批量干预。

特殊的工藝布局和RFID等技術廣泛使用使得多平台柔性生産在120JPH車間成爲可能，預計最近一年內能混合生産多達11款車型。

图 1 工艺布局

二、完善的信息化、數字化應用平台

除了擁有行業同級最高數量的自動化生産設備以及先進制造技術，120JPH油漆車間在信息化、數字化的軟實力建設也具有顯著的成果，從而助力車間向智能制造轉型。

120JPH油漆的信息化數字化建設強調分層的管理模式，分別是設備層、網絡層、過程執行、運營管理和應用交互層，見下圖2。

设备层：是直接面向産品的各类制造设备和工业控制系统，他们具有高度的自动化和向上的自主通讯能力，如各类机器人等。除此以外也包括各类感知元件，如设备状态检测传感器，工艺参数传感器以及各类计量表具等。在120JPH油漆车间中，多达数十万的各类数据采集点实时抓取生产过程中各类运行数据，为上层的信息平台建设奠定基础。

網絡層：網絡設施建設是120JPH車間實現信息化的核心步驟。車間按不同應用場景建設了3種網絡設施，分別是車間級工業以太網以實現現場設備的通訊、監控和控制等功能。無線WIFI網絡覆蓋車間3層幾乎所有人員作業和通道區域，配合各類信息平台，以實現移動端作業和無紙化辦公的需求。

過程執行層：集成了各類直接面向生産過程的三大信息管理平台，按業務特點可以分爲智能生産管理、設備管理、質量管理等。三大管理系統把日常的生産活動進行信息化和流程化，也初步實現管理過程的透明化、可視化。

運營管理層：包含項目管理、能源管理和智能安保等間接管理場景，以提高車間人員、成本、合規等的績效表現。

應用交互層：通過手機、PAD等流行工具實現人員對信息管理平台和生産過程的互聯互通。目前120JPH油漆車間可借助于BI等商業可視化等工具對車間整個運營過程種産生的6個數據進行關鍵運營指標的分析、展示和預測。

图 2 120JPH油漆车间数字化系统架构图

Part.03

建設方案

根據系統圖2重點展開描述如下：

一、先進制造裝備情況

120JPH油漆车间以“高效+精益”的理念进行顶层设计，由国际知名供应商杜、ABB等公司进行承包建设，设备初期达到18亿元人民币。广泛采用先进工业制造设备和工艺，按SAIC标准自动化率高达73%，其中西门子最新一代博图控制器S1500共计144套，ABB工业和喷涂机器人346台，DURR公司最新Rodip-M 360°翻转输送4套，17万风量废气净化设备6套，图像识别定位系统15套，自动膜厚缺陷检测3套等，共计单体设备8300多个

二、網絡基礎設施建設

除了生産現場廣泛采用Profinet等實時生産網絡外，120JPH油漆車間重點建設了三層車間或公司級工業以太網。其主要布局圖見下圖3：

图 3 120JPH 车间级工业以太网架构

图 4 通讯服务器布局

工廠級網絡通過兩組機房連接到公司級辦公網內，做到硬件上互聯互通，並配置了多種行業領先的功能服務器，實現不同的業務需求：

WEB Application 服务器：中控室界面的网页发布服务器。

ITAC服務器：用于車輛和質量信息收集轉發的後台應用服務器。

PMON服務器：用于和FIS系統通信獲取車輛信息後台應用服務器。

DB服務器：用于存儲所有生産信息相關的數據庫服務器。

DATA Acquisition服务器：用于对现场PLC数据收集。

BI服务器：用于制作Power BI数据报表的数据库服务器。

Maintaince服務器：用于點巡檢保養任務網站發布和數據庫服務器。

質量分析服務器：用于質量分析的網站發布和數據庫服務器。

三、業務管理信息系統

在信息應用平台層，120JPH油漆車間主要構建了6大核心信息系統：包括智能生産管理、設備管理、質量管理、項目管理、能源管理和智能安防系統等，共同組成了車間級MES系統。

3.1 智能生产管理

在智能生産管理系統中核心的功能有：

CCR SCADA数据收集及监控：120JPH油漆车间采用了Durr公司DXQ和ITAC的工厂解决方案，收集工厂层的千兆级别字节的传感器数据，如温度、压力、故障点位等工艺设备数值。这些信息是提高设备开动率OEE的数据基础。车间使用SCADA可视化界面来展示并且控制设备的状态，车身的流向等,见图5。

图 5 物流SCADA

RFID物流控制及FIS系统：120JPH油漆车间的特殊性，需要向两个工厂输送不同类型的车身，制造过程需要使用到不同的工艺颜色，因此输送有共通性和差异性。通过RFID标签，MOBY物流来控制输送，使産品可固定流向可高自由度的混线等形式向下一道工序流转，也可为车间以及工厂的生产订单流转率提升提供重要的技术保障。

分布式呼叫ACC：基于车间使用的移动设备Android PAD，我们使用了一套APP用于故障的推送，Alarm Control Center（简称ACC）。该系统可以对故障进行分区管理，对应区域的停线性故障定向推送到该区域维修人员的PAD上，并响起特定的声响以便提醒维修人员及时前往处理，提高故障处理效率见图6。

图 6 PAD端报警信息

3.2 设备运维管理

設備運維管理以車間設備資産基本信息爲主線，集成設備設施的靜態信息，包括BOM設備層次結構，狀態信息，備件BOM信息，電子檔案、故障維修履曆、保養維護履曆等。重點以預防性和預測性理念構建了可動態調整的電子點檢流程、保養流程，並借助WIFI網絡和數百個移動端操作，實現無紙化、移動式作業及辦公。

電子巡檢：包括維修工和生産人員每日進行的日常點檢和專業點檢。電子巡檢系統也包含標准管理、點檢工單管理和可視化統計分析等功能。此外，操作工人通過掃描二維碼來獲得設備的相關技術說明和操作指導。

图 7 移动端电子巡检

電子保養：根據供應商的保養標准文件提供靜態日常保養計劃，也可以通過停産作息和設備故障情況提供動態保養計劃，産生的保養工單通過移動端進行維護，具備統計、報警、追溯等功能，確保設備日常保養任務有效落實。維修人員利用車間的生産網絡將故障記錄和保養發布到車間內的服務器上，維修人員通過PAD連接生産無線網絡進行當周保養內容的查看和記錄。

图 8 移动端电子保养

3.3 质量管理系统

EWPK缺陷录入系统：实现车间人工工位的全覆盖：从车身工艺到报交打磨，每一个岗位站点，由专业生产人员识别车身各类质量缺陷并完成录入，达到基础数据的收集的目的，为之后的质量预测大数据分析提供坚实的数据基础。系统中可展示的报表、蝴蝶图可以很形象地为技术人员展示目前産品的缺陷对比，高频缺陷位置，辅助其对缺陷故障原因的判断以及生产工艺的优化见图9和图10。

图 9 在线缺陷录入

图 10 缺陷统计

質量預測系統：質量預測系統基于大數據及深度學習等AI人工智能技術，EWPK專業生産人員錄入的質量缺陷信息，結合車身訂單數據，以及與車身綁定的自動化系統中的一些傳感器的關鍵參數，比如氣溫、材料黏度、定量機流量、空氣壓力、流水線故障等等，識別其隱藏的相關性，提供給技術人員關于工藝、設備的改進建議以及決策參考，優化生産，見圖11。

图 11 质量缺陷预测（在建）

3.4 运营及项目管理

TPM持續改善和項目管理是120JPH油漆車間日常業務活動。爲滿足這個兩個特定需求，Agile-paint系統以“問題驅動、流程導向”的原則，使用雲服務和工作流等技術搭建了全員協作平台，見圖12。其中，項目管理模塊針對新設備技術改造場景。項目相關方可使用問題單功能，借助手機移動終端，實現質量問題的高效流轉，提高設備改造質量。其主要界面見下圖12。TPM模塊以“檢查和改善”的主要方法，把日常的各個TPM活動進一步信息化、流程化。

图 12 Agile-paint管理系统功能

图 13 问题管理系统界面

3.5 能源管理

智能能源管理系统通过SSIS数据同步工具将本地数据湖中的能耗数据写入SQL SERVER 数据库中存储，通过Power BI Desktop工具将报表发布到云端Power BI Embed Service，见图14和图15。此外其功能还包括：1、能耗监控：依靠现场的600多只智能表具，本系统实时统计车间的每日能源消耗量，自动生成能源消耗的每日报表和月度报表。2、能源报警：系统对车间基础耗能和重点用能设备耗能进行实时监控，对用能量超过目标值的，自动发出报警。3、能源预测：系统后期还将根据历史用量、排产计划、外界气温等因素，自动学习预测下阶段的用能数据，为车间更加合理的组织排产提供参考。

图 14 能源数据采集与处理

图 15 能源管理平台展示

3.6 智能安防

120JPH油漆車間智能安全管理系統由安全管理系統web端、預約管理小程序以及應用APP端組成。系統小程序用于來訪人員進入車間預約管理，外來人員也即訪客在預約小程序中完成預約後，在門崗處領卡並綁定卡片。通過系統APP，用戶或管理者可以實時查看車間現場的安全作業信息及報警信息，同時對巡更情況進行管理；管理人員還可以在位置功能中查看地圖上查看對象的位置分布以及曆史軌迹，巡更人員可以通過APP對現場安全設備進行巡更作業，功能見圖16和圖17。

图 16 智能安防系统功能

图 17 智能安防界面

Part.04

技術難點與創新點

根据公司战略，120JPH油漆车间在规划之初定位于大体量和多産品共线生产的制造车间，同时面对行业降本增效的发展趋势，如何实现柔性生产和精益生产是120JPH车间在规划和运营过程中面临最大挑战。

为实现3种平台11款车型30种颜色的共线生产，项目团队抛弃德国标准化工厂模板，设计全新3*40JPH新流水线布局。首次使用Plant simulation和3Dstudio等仿真软件进行工厂级的物流和产量模拟和优化，初步积累的大型车间数字化、模型化规划能力。

120JPH設備數量和自動化程度突破了大衆以往車間的水平，也對車間的運維管理和質量管理提出大的挑戰。爲此車間在設計時重點關注信息化和數字化建設、積極探索智能化技術的落地和使用。如車間在3層工業以太網基礎設施的建設基礎上，構建了圍繞設備管理、質量管理、生産控制等模塊的車間級MES信息系統。MES系統的應用也進一步提升了車間無紙化管理的進程，並在BI技術的應用下信息系統的運營數據成了業務效率分析、創新的新的突破口，進一步提高技術人員和領導層管理效率。車間也提前部署了數十萬個傳感設備，其中能源計量類傳感元件600多個，爲後續進一步開展設備預測性維護、大數據分析和創新奠定硬件基礎。

油漆車間向來是能耗大戶，爲了從基因上控制車間的運營成本，120JPH油漆車間廣泛使用最新的節能技術：如智能照明系統、空調余熱回收、智能烘房等，配合能源管理系統使得車間的能源費用更加高效。

Part.05

解決的重大問題

120JPH油漆車間是一個多車型多平台的高産能和數字化的電動車和傳統動力車塗裝車間，整個車間有MEB/MQB/MLB三種車型平台，多達11種車型，每小時生産120台車身，車間産能是標准塗裝車間的兩倍。如何通過有效的設備運維、過程質量控制和生産管理組織以達到精益生産、低能耗管理、低成本管理是車間管理者和員工面臨的難題。

在车间工业网络和WIFI网络架构的支持下，在CCR SCADA系统中，维修人员可通过PAD实时获取现场设备的故障信息和设备状态，及时对现场故障做出响应，突发故障通过ACC系统准确推送，做到故障响应0延时；同时维修人员利用PAD进行现场设备巡检和问题记录，相应的巡检结果精准推送到执行人员；维护保养通过EPMS系统对保养计划和保养内容智能优化，确保保养内容无遗漏，完全做到了现场与管理的无缝连接，设备运行的OEE可以达到95%以上。共给能源管理系统的运用，从季节变化到每班生产，做到了柔性开机，从水、电、压缩空气等重点能耗方面精准控制，降低能耗费用10%。

120JPH油漆车间生产过程中，员工通过质量管理系统EWPK，利用现场PAD对过程质量数据进行录入，经过服务器的大数据收集与智能AI运算，将记录的质量结果与産品数据和过程数据绑定，以识别其隐藏的相关性，提供工艺改进方向及决策参考，同时将过程质量进行实时反馈给前后到工序，做到过程质量的实时性和追溯性，最终优化生产过程，使过程质量问题快速解决和改进更加有效，提升一次报交合格率15%，同时通过过程质量数据的积累，为后期质量预测奠定了基础。

120JPH油漆車間利用數字化網絡平台，將工藝技術文檔、維護保養手冊、各類點巡檢文檔、生産交接班信息、生産計劃與排産信息等整合到管理軟件中，實現了過程與管理的無紙化，每年可減少打印紙張20萬張，實現了生産、設備、工藝、運營、成本的在線管理，爲生産制造活動提供及時的指導、響應及報告，使對變化的情況能夠立即快速反應，從而使生産作業及流程更加高效。

Part.06

國內外同行業對比

目前120JPH油漆車間在先進制造技術和信息化集成和應用程度方面處于行業領先地位。

一、高自動化率和柔性生産能力行業領先

据统计120JPH油漆车间设备单体达8300多个，按SAIC标准计算自动化率达73%，远高于大众集团的自动化程度；设备综合开动率96%~99%也高于大多数整车厂。在关键制造工艺段，车间广泛使用高精度高稳定性的领先自动化解决方案，如在喷涂和PVC工艺段使用多达318台ABB最近一代的机器人和喷涂设备，实现生产、检查、分析的全过程自动化制造，在保证産品品质同时，整个生产节拍只需57秒。

除了高密度的自动化设备群，120JPH油漆车间也在行业内引入数个行业内最新技术和工艺解决方案。如即将上线的面漆缺陷检测系统，通过最新的图像识别技术可实现秒级的车身缺陷的识别和定位。最新一代的小颜色换色系统的首次应用大大丰富了公司産品的颜色库，在进一步满足客户颜色定制的同时，也最大程度降低制造费用。在工艺方面，在中国大众使用首次使用SDM水性阻尼垫工艺，进一步提高産品的防震和隔音效果等。

在大规模自动化设备群和基于RFID技术物流布局助力下，车间可同时生产大众集团3种平台3个品牌的産品，未来一年内投产11款全新车型，同时可以定制喷涂多达30种颜色，向柔性化生产迈出一大步。

二、生産和管理全業務的信息平台滲透和集成

120JPH油漆车间在産品制造领域广泛采用了最新的工业自动化技术，在此基础上重点建设了三层网络基础设施，特别是率先在业内工业无线WIFI通讯设施的全覆盖为后续信息系统的开发、设备模式的更新奠定基础。在信息系统集成方面，信息系统的应用覆盖到了加工过程、産品物流、管理活动、质量控制、成本控制等各个业务环节，形成了以智能生产管理、设备管理、质量管理、项目管理和智能安保等为主题的信息系统平台。其中以质量预测为核心的质量管理系统运用了大数据和深度学习等人工智能技术，将订单数据和过程数据绑定，以识别器隐藏的相关性，提供工艺改进方向及决策参考，这是涂装行业首次使用人工智能落地使用的项目。

在無紙化辦公方面，在業務數字化的推進下120JPH取消了90%傳統的紙質信息和彙報，廣泛使用PowerBI等業務數據分析工具進一步提高信息處理速度，數據分析廣泛運用到降本、改善等管理活動中，首次實現數據化辦公。

Part.07

實施效果及效益分析

人員優化：項目的實施不但帶來直接人員的優化，更優化了後方間接崗位。在直接人員方面，項目實施前，60JPH産能對應的單班崗位爲252人，且包含了中塗工藝。項目實施後，同步爲CPA3和MEB工廠進行120JPH輸出，折算下60JPH的單班崗位僅爲178人，且取消了中塗工藝，單台消耗工時降低1.23h。在間接人員方面，由于采用智能化控制系統，優化了傳統的4名中控室人員，且信息的溝通和傳遞更加准確、即時和高效。

柔性生産能力：PFA3P油漆車間采用的3條各40JPH的流水線設計，可根據CPA3（滿産60JPH）和MEB工廠（滿産60JPH）的不同産能需求和作息做到柔性化生産，可臨時關閉或開啓不同的生産線，最大程度的節約能源和提高效率。

精益節能：本車間設備體量相當于60JPH標准化工廠的兩倍，但由于采用了大量節能技術，如智慧烘房、智能照明系統、余熱回收、變頻技術、獨立生産線、液體表調、薄膜工藝等，使得本車間的實際能源消耗量比目標值下降10%。例如：智慧烘房技術的應用，使得車間的燃料消耗量下降20%；采用KPR和空調余熱回收，每年爲車間節省20%的熱能費用；智能照明系統的使用，使得車間照明用電量下降1/3。

Part.08

下一步進行智能化改造提升的計劃和思路

根據目前公司發展戰略和市場形勢，120JPH油漆車間的未來幾年的智能化化改造方法圍繞“高效和綠色”主題進行。在這個主題中，油漆車間將進一步通過技術手段提高設備的自動化、制造水平、智能化水平，提高生産效率和質量品質，以減低運營成本。主要手段有：

一、進一步引入先進制造技術，提升自動化效率

目前120JPH油漆车间在成熟工艺中已广泛采用传统工业机械手等进行大批量生产，自动化率已经达到73%。但在部分岗位仍需要人工进行操作，特别质量检查、非标准操作等需要较多依赖工人学习经验等工位。随着协作机器人、工业视觉技术等的逐渐成熟，使用这些技术集成的解决方案具有越来越明显的经济性和替代性。据测算，在一些简易人工检查操作工位，使用协作机器人的技术方案在3年内收回成本，因此使用协作机器人加工人混合作业的方式是通往未来智能化车间道路上更具现实意义的解决方案。目前车间拟定的未来三年使用协作机器人替代或部分替代人工的项目有：车身底部自动擦蜡、PVC底部塑件拆装、车身工装检查等。同时在提升産品质量方面，将大幅开发并导入AI和视觉技术结合的应用，以取代人工或稳定机器人生产质量。目前正在测试或计划投入的项目有：车身面漆缺陷自动检测、PVC涂胶质量在线检测、总装塑件检测等。

二、進一步集成和整合業務管理信息系統

目前120JPH油漆車間已開發並使用了數個信息系統大幅提高了運營效率，但這些系統以解決特定業務爲出發點，所使用的架構和開發方式並不統一，相互數據沒有真正達到互聯互通，存在信息孤島。因此有必要對各自系統開發相應的數據接口實現數據的互聯互通，並進一步開發車間數據湖，爲後續使用大數據分析輔助運營決策奠定基礎。

三、導入前瞻性技術，探索智能化轉型

目前車間各類生産設備裝備了數十萬個各類傳感器，主要接入底層工業實時Profinet總線網絡，用于生産過程控制。爲進一步采集數據實現更高層級的智能分析和決策，必須構建以5G通訊、邊緣計算爲代表的通訊網絡和數據處理方式，以滿足海量生産數據。目前試點這類項目有:大功率風機運行狀態分析和預測、機器人狀態分析和預測、能源預測等。

四、推廣節能技術，提高綠色塗裝運營能力

塗裝車間向來是耗能大戶，在未來幾年進一步升級改造設備的能源利用效率，推廣高效的余熱回收技術的使用。並結合産量、作息、設備狀態等大數據分析技術輔助決策設備開關機最優方案，評估設備使用效率。同樣信息平台互聯互通的基礎上，使用深度學習技術預測烘房、噴房等重點環保設備排放各項指標，提高車間治理能力。

（稿件、圖片均由上汽大衆汽車有限公司安亭汽車三廠油漆車間提供，僅供汽車行業交流學習使用，）