本文作者：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 朱锋嘉
一、戚墅堰所概况
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称“中车戚墅堰所”)，是中国中车股份有限公司旗下全资子公司，国家级高新技术企业。中车戚墅堰所立足于新材料、新技术、新工艺、新装备的研究开发与产业化，通过几十年的不懈奋斗，产业领域覆盖轨道交通关键零部件、专有技术延伸、生产型技术服务。主要产品覆盖轨道交通装备齿轮传动系统、基础制动系统、车钩缓冲装置以及轨道交通工程机械、风电、矿山机械关键零部件。
图1 中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司
二、现状分析
1、成立了智能制造事业部
2017年，中车戚墅堰所成立了智能制造事业部，定位于“中国制造2025”战略中智能制造工程及高端装备创新工程，以数控珩磨机、高压水射流清洗机、五轴加工中心、自动化集成系统为目标产品，力争发展成为国内一流的高端智能装备制造及自动化系统集成解决方案供应商。
2、实施了高速动车组齿轮传动系统智能装配车间建设项目
目前，高速动车组齿轮传动系统智能装配车间完成了基于整体箱齿轮传动系统的智能化装配线改造：主要围绕高速动车组齿轮传动系统搭建涵盖智能设计、智能运营和智能制造模块的智能装配车间；通过三维一体化、ERP和MES系统的集成，运用上下料机械手、AGV、立体化仓库等智能制造手段，实现产品研发、工艺设计、仿真验证、制造执行及物料配送的自动化、网络化和智能化。
3、实施了制动闸片产品生产线建设项目
国产制动闸片市场份额逐渐提升带来了较大的市场需求，为了提高公司制动闸片产品市场竞争力、保证产品质量，中车戚墅堰所策划建设了制动闸片批量化生产线。生产线引入自动化设备和线体实现称混料、压制、烧结、后处理、组装等各环节的自动化生产；建立了节拍化生产模式，搭建了信息化管控平台实现生产过程和质量信息的全程监控。
但是目前制动闸片生产线多个工位之间没有通过信息化手段形成有机串联，需要进行局部升级，导入信息化管理系统、防错系统。
4、实施了通用性气动夹钳组装产线建设项目
中车戚墅堰所原气动夹钳组装产线采用的手动组装方式，已不能满足客户对产品过程质量的管控要求，且生产效率偏低、人力资源浪费。2016年初，公司新建了通用性气动夹钳组装产线，该线配备注油系统、防错系统、信息追溯系统等先进方式，采用流水线作业进行气动夹钳组装，在同行业内具备自动化领先水平。
5、开展了技术中心动车组齿轮箱在线监测系统研究
动车组齿轮箱结构复杂、工作环境恶劣多变，齿轮及轴承等零部件易受损进而影响车辆正常运行。2017年底，动车组齿轮箱在线监测系统项目完成硬件系统的搭建和关键技术的攻关。2018年上半年初步完成台架试验验证，试验结果表明系统可以实现对齿轮箱关键参数的在线测量、显示存储、远程通讯以及数据分析等功能。
三、项目背景
随着戚墅堰所信息化建设的不断深入，生产管控与信息化的结合需要持续完善，急需建立一整套面向产品工艺与制造的智能制造执行系统管理平台，全力保证产品的质量稳定，同时提高生产效率、降低制造成本、提升管控水平。
通过以上对项目的需求分析、目标设定、执行原则设计，项目组对智能制造项目在实施前进行了实效分析，发现了需要解决的“六大问题”，主要包括：
1) 产品因质量问题出现消费者投诉的时候，能否根据产品条码追溯这批产品的所有生产过程信息?能否立即查明它的原料供应商、操作岗位/人员、工序、关键工艺参数？
2) 能否及时统计和监控车间每一个产品的质量信息?能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中?
3) 同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，是否能自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错误?
4) 目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少?要分别供应给哪些销售商?何时能够及时交货?
5) 生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空转?
6) 能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码?
面对以上典型的车间管理六大问题，处于计划层的ERP系统难以给出完善的解决手段，需要MES和WMS系统将ERP和现场管理之间衔接起来，实现从下单到完成品之间的生产过程信息传递最佳化。同时，在生产活动进行时，MES系统能够实时采集正确的数据，提供适当的导引、响应及报告以支持决策。针对条件改变立即快速反应，以减少无附加价值的活动，达到更有效的生产作业及流程。
四、项目应用
1. 总体规划
根据总体目标及具体要求，结合齿轮部现有的业务系统、生产特点、信息化水平，实施了“高速动车组齿轮传动系统智能制造车间建设”项目。
在经过慎重地选型和评估后，我们选择了武汉佰思杰公司的MES系统作为核心的解决方案和支撑平台，目前，“平台+定制化”的MES系统总体架构已搭建完成，整体建设架构如图2所示。
图2 MES系统整体架构
同时，通过本次项目，对工装现场进行了全局改造，一方面是为了解决设备联网铺设强弱电管线，另一方面是为了改善工装布局，来适应MES和WMS的工艺步骤要求。智能产线布局改造图如图3所示。
图3 智能产线布局改造图
在信息集成方面，总体集成规划如图4所示。
图4 系统集成业务图
2. 应用成效
围绕着项目需求，本项目从九个方面对齿轮部的车间管理水平进行全方位的多维度提升：
1) 质量过程管控水平提升
● MES和WMS系统上线实施后，车间管理颗粒度不断精细，从工序的过程控制细化为工步的控制，从供应商的到货计划创建到最后的产成品销售出库的控制均能全面把控，达到质量过程管控水平提升的目标；
● 每个工位的工步都根据作业标准进行了定制；
● 系统中设定了每项步骤的检测标准数据，以确保不合格品不在工序间进行流转；
● 在动车组齿轮箱装配车间10道工序中采用了Atlas数控扳手，与MES进行数据对接，实现关键螺栓的有效监控；
● 在所有的工位中都新增了RFID芯片控制的智能工作台，通过设定感应器和激光引导设备识别工量具取放，利用MES中预定义的标准作业严格卡控工人的关键操作步骤。
图5 工步引导
2）产品追溯水平全面提升
● 操作人员在装配产品时需要按照既定的工艺模板执行装配工艺，装配工作完成后，系统就会自动完成该工件产品的电子档案，可用于后续进行生产过程追溯；
● 系统自动建立装配过程的跟踪树，可以根据产品单件号或关键零部件二维码追溯产品生产的工位信息、操作工信息、工步生产数据、工步检测数据等内容；
● 在数据采集方面，重新规划了动车产品自制小件的管理模式，从原来的批量管理转化为单件管理，并将零件的生产关键数据以二维码的形式刻打在工件上，方便后期的读入与查询；
● 每个工位都进行了检测工具的升级，工步检测数据进行自动化采集，为后续质量的大数据分析提供了数据基础。
3）设备管理水平全面提升
● 生产线改造期间对原有的油压机进行改造，介入PLC模块并进行联网，提高了压装效率，节省了人员的搬运；
● 实现组装线加工设备的信息采集评估及实时监控，并且对设备的异常信息进行提示及报警；
●车间管理人员可定期回顾设备历史信息，基于历史数据对设备的可用性及利用率进行分析；
● 记录设备运行维护状态，每月还可制定设备维护保养计划，对其活动实时进行跟踪。
4）生产过程管控水平全面提升
● 生产计划管控柔性增强。通过MES系统的柔性计划编制模块，齿轮部能够对生产计划进行自动编排和随时调整，编制混流计划，下达工位计划，完全实现了生产线的精细化和柔性计划体系的建设。
● 生产过程透明化程度进一步增强。MES系统成功实施后，齿轮箱组装线的车间管理人员可以第一时间了解生产进度，及时监督、抽查操作人员作业，操作人员的作业规范性进一步提高。
图 柔性计划管理
5）物料仓储智能化水平全面提升
● WMS系统上线实施后，仓储管理颗粒度不断精细，从物料入库到出库的各种业务场景均进行了详细的考虑。每种业务场景都有专门的操作与之对应，确保物料的进出能够严格按照正常的业务逻辑进行操作，数据流与实物流能够严格贴合。
图 物料仓储的精细化管理
6）配送自动化水平全面提升
● 物料配送精确：根据装配工艺的工位物料清单和准确的工位生产计划，MES系统可以自动编排精确到分钟的物料配送计划，指导仓储工段将工位需要的料按时送达。送达现场的物料通过RFID识别的形式进行工位接收，在工位报完工时汇报物料的消耗。
● 仓库报警拉动：通过WMS系统对仓库对应产品库存量的实时监控，可以清楚的看到零件的安全库存水平，当低于安全库存水平时系统就会自动进行报警，通知给每个计划员。
● 物料齐套性检查：MES系统对生产计划进行三天锁定，可以提前进行物料齐套性检查，同时将各个工位的配送计划和物料现有量进行匹配和判断，通过电子看板实时传递给仓储工段，指导物料工段提前进行备料和按节拍化生产进行物料配送。
● 料盒配送：根据每个工位物料的规格尺寸和特点重新定做物料配膳小车和托盘。AGV运转小车料盒和标准件配送到工位时，仓储工段将清洗完的自制件通过RGV输送线配送至恒温仓库缓存区的自动料架，WMS系统自动记录清洗件的上架时间，待满足恒温时长的要求后，才能够通过AGV小车配送到相应的工位上。
图 协同管控的智能化配送
7）供应商送货协调管理实现信息化
●通过WMS系统，向供应商传递采购订单、库存、送货计划等信息，由供应商自行判断并在系统中做送货计划。实现了供应商送货计划信息化协同管理，提高了管理精益化水平，为不断降低存货金额提供条件。
图 供应链送货计划协同管理
8）异常管控水平全面提升
● 每个工位操作台的控制系统都可以根据系统记录与预先设定的参数自动比对，如果不符合要求，系统可以自动进行声光报警,例如自动扳手拧紧数据异常、单件号识别异常、物料编码异常等；
● 操作人员如果在操作中发现有异常信息，可在系统异常汇报功能区上报异常情况，并触发车间安东系统报警，该异常会立即通过看板展现给各级生产管理人员，从而对现场的异常管理形成有效控制。
图 生产现场异常管控的快速汇报与响应
9）目视化水平全面提升
● 标准作业目视化：系统的工步引导模块对装配工艺按工步顺序进行可视化展示，指导操作工现场操作，也支持标准工艺操作视频的播放。
● 生产进度目视化：车间内大屏幕可以同时展现计划班产、生产节拍、生产进度、完工数量等信息。
● 仓库管理目视化：将安全库存在电子看板上进行展示与预警，可以有效拉动采购人员及时进行物料的采购，避免因物料缺失引起生产中断。
● 物料配送进度目视化：车间内大屏幕可以展现物料的配送计划、物料实时配送情况及责任人等信息。
10）系统一体融合水平全面提升
● MES和WMS系统通过数据交换平台，与已有的安东系统、ERP系统、CAPP系统等实现了集成，可以保证系统与车间、厂级管理系统的无缝集成与自身的可扩展性。
图 主要数据接口
五、效益分析
项目实施期间，公司高铁列车用高可靠齿轮传动系统获得第四届中国工业大奖，项目获得2017年国家科技进步二等奖。
该项目的成功实施，对戚墅堰所未来的发展产生着深远的影响：
1）促进轨道交通关键核心技术的领先
该智能化项目实施的载体——齿轮传动系统，是高速动车组核心基础零部件，轨道交通核心关键技术的解决和不断创新将推动行业整体技术的发展。在全世界新一轮的产业变革中，用研发制造模式的进步赢得行业发展的制高点已经成为新时期核心技术领先的重要手段。
2）促进产品成本和质量优势的提升
项目通过在产品研发、工艺、制造环节导入数字化和智能化理念，实现了信息化和工业化的深度融合，加快企业向知识密集型转型的步伐，企业的生产效率和产品质量得到了大幅度提高，具备更强的市场竞争力。
3）促进高端装备制造业的绿色制造和节约型社会建设
采用智能制造技术淘汰高能耗设备可对我国制造业绿色发展起到很好的推进作用。项目实施过程中，实现对生产过程的精益化管控，提高物流效率，减少物料损耗与浪费，降低能源消耗，有助于我国节约型社会的构建。
4）形成了积极的示范效应
通过本项目建设，加速了本公司及轨道交通装备关键零部件行业内进行智能制造新模式的推广，引导我国轨道交通装备制造产业的全方位升级，构建全新的生产模式。
5）提升国际竞争力
轨道交通装备是我国高端装备“走出去”的典型代表，通过本项目的实施，极大地提升了我国轨道交通装备关键零部件的技术含量，有助于树立我国轨道交通装备制造业技术水平领先、制造手段先进、产品质量可靠的全新形象，提高我国轨道交通装备在全球竞争中的地位。
佰思杰
佰思杰公司起源于2006年，已成为中国智能制造领域知名的解决方案提供商，在电力装备、先进轨道交通、航空航天、工程机械和高端装备制造行业等多行业、多领域占据领先地位，先后为中国东方电气集团、中国航天科技集团、中国中车集团、中国西电集团、中国兵器集团、中国电子科技集团、中国铁建重工集团、中国电建集团、陕鼓集团、烽火通信、中信重工、南瑞集团、正泰电气等大型央企及集团级企业提供智能制造解决方案和相关服务，赢得了客户广泛认可和好评。
佰思杰将继续秉承“为客户为中心、创造价值、承诺必达”的核心价值观，持续创新，为中国制造企业提供更加优秀的平台和产品线、更加全面的智能制造解决方案和更为贴心的专业服务，为推进中国制造转型升级贡献出自己的力量！
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