数字化中控系统在冲压车间的研究与应用

摘要：冲压车间是典型的离散型制造车间，工艺布局分段式排布、生产作业不断转换，装备、生产资源的互联互通比较困难，另外行业上，相较焊、涂、总车间，冲压车间数字化建设起步较晚。在这样的背景之下，本文阐述了冲压车间数字化中控系统的建设规划以及先进性；然后从生产管理、板料管理

文章来源：《锻造与冲压》2024年第22期

文/李文彬，杨小杰，高鹏，邰伟彬，王扬，李春贺·中国第一汽车集团有限公司

冲压车间是典型的离散型制造车间，工艺布局分段式排布、生产作业不断转换，装备、生产资源的互联互通比较困难，另外行业上，相较焊、涂、总车间，冲压车间数字化建设起步较晚。在这样的背景之下，本文阐述了冲压车间数字化中控系统的建设规划以及先进性；然后从生产管理、板料管理、冲压件管理、能源管理、质量管理、模具管理、设备管理等8 个方面详细分析了数字化中控系统在冲压车间的应用，通过将车间内生产设备联网，全生产流程的系统管理，使整个车间实现了透明化、网络化、数据化、实时化，同时基于大数据采集分析，找出车间生产瓶颈，助力企业发展。

随着工业化进程的不断推进和技术革新的持续加速，信息技术与先进制造技术的深度融合，使得数字化、智能化成为现代工厂发展的必然趋势。冲压车间作为汽车行业零部件制造的关键环节，在新能源车的快速发展的背景下，它的生产效率、质量控制以及资源利用率对于企业来说至关重要。在这样的背景下，数字化中控系统应运而生。通过对生产设备、工艺流程、能源供应等各个环节的自动化控制与管理，通过采集、处理各种现场数据实现冲压车间的智能化管理，冲压车间中控系统的应用极大地提高了生产效率，降低了运营成本，同时也为实现冲压智能制造、建设国际一流冲压车间奠定了坚实基础。

中控系统主要集成了数据采集、数据处理、页面组态、功能业务应用等多个子平台或子系统，通过数采平台收集车间内的各种数据，在数据管理平台上进行处理与分析，利用平台提供的组态工具编制各种监控画面在多种终端上进行展示，指导现场作业人员方便地进行管理和操作，实现对车间内设备、生产、质量、能源等方面全方位的管理和控制，具体来说：

⑴平台整体架构主要采用分布式部署形式，数采平台、应用平台、组态监控等硬件及软件相对独立，各司其职，再通过平台集成把各平台数据链路有机地连接起来。采用中台策略，将数据或者业务沉淀到中台中，提高了数据的利用率。

⑵数采平台主要采用边缘数采形式，利用边缘计算服务器、边缘计算软件、数据库等组件进行独立的数据采集和运算，降低了技术平台运行负荷，提高了管控平台整体运行的效率及可靠性，使管控平台的数据传输及运算能力大大高于传统的集中处理模式。

⑶数据中台完成了数据共享能力中心构建，能够完整覆盖离线计算、实时计算应用，满足业务人员从数据同步、数据分析、数据挖掘、数据质量、数据地图、数据API 的各层次应用，这样极大地缩短了数据价值的萃取过程，提高提炼数据价值的能力。

⑷业务平台，该平台主要是实现了面向车间的设备管控相关的应用功能，实现了满足车间智能化平台的项目管理、生产管理、资源管理、质量管理以及其他应用功能。

⑸组态软件，部署在组态服务器中，提供组态编辑功能，实现了冲压车间业务画面实时展示，也实现了接收实时数据、时序数据，能够发送控制命令，提供报警处理、用户管理功能。

中控系统在冲压车间的应用，不仅实现了当初全部规划功能，而且因其独有的先进性成为数字化冲压车间不可或缺的核心组成部分，具体来说：

⑴数据一致性。中控系统保证了冲压车间所有生产和采集数据的正确性和完整性，形成固化的数据资产,是挖掘数据潜在商业价值的坚实基础。

⑵高可用和高可靠。中控系统采用分布式事务、消息队列、容错、冗余等技术，支持冲压车间秒级高并发的业务场景，为冲压车间高效运转提供强有力保障。

⑶灵活性。中控系统采用微服务架构和轻量级的容器化实现，可根据冲压车间业务领域边界划分不同的服务，每个服务可以独立部署、独立运行，系统可自由弹性伸缩。

⑷可扩展、迭代化。中控系统采用先进的架构体系、灵活的设计模式和云原生技术保证平台功能与技术的不断扩展完善。

⑸开放性与安全性。中控系统采用统一平台集成、协议适配、API 网关等技术，为与外部系统对接提供强大的功能支持；利用流量管控与容错、安全防护等技术，实现高效的网络安全。

⑹智能化。中控系统支撑大数据、人工智能、机器学习，根据数据中台的沉淀，能够建立多个算法模型，支撑后续智能化应用。

中控系统功能详述

中控系统对上主要是接收上层企业运营系统下发的主数据进行存储及管理，对下主要是对冲压车间的设备、资源等进行指挥调度和管理，可以精准地控制生产流程，减少人工干预，能够实时监控冲压过程中的各项参数，确保每个冲压步骤都在最佳工艺条件下进行，减少不良品的产生。具体来说中控系统在冲压车间的主要功能有：

生产管理在冲压车间现场管理过程中占据着非常重要的位置，它对于产品质量保证、生产效率提升、安全生产等方面起着举足轻重的影响，中控系统生产管理模块主要包含对冲压车间计划管理、执行管理、停台管理、投入产出管理、废料管理、班次管理、ANDON 管理等。

⑴计划管理。中控系统接收上游系统下发的焊装生产计划后，按照库存、有效冲程、最小生产批量、工位器具情况等规则自动拆解生成冲压车间自己的生产计划，如遇现场临时调整需求，中控系统也留有手动功能，支持计划的灵活调整。

⑵执行管理。在中控系统中，可将计划自动下发给冲压线、天车、端拾器、立体库等设备，用于冲压的生产准备过程，同时中控系统通过设备自动获取生产准备过程的数据，如线外换模时间等。当冲压线开始生产时，中控系统获取冲压线总控当前生产零件号时，将该计划变为生产状态，即为该计划的生产开始时间。当冲压线获取冲压线总控的一键换模信号时，即将上一条计划变为生产结束状态，同时采集到的压机最后一次冲压的时间，即为上一条计划的生产结束时间。

⑶停台管理。停台时间在冲压车间很多场景下都是自动实现抓取，例如：上一条计划的生产结束时间与冲压线总控一键换模信号时间的时间差，为下一条生产计划的生产准备停台时间，如线外换模、AGV 准备工位器具等；冲压线总控一键换模开始信号时间与下一条计划生产开始时间的时间差，为线内换模时间；以上时间均计入下一条生产计划的停台类型。当中控系统采集到冲压线异常停线信号时，自动弹出当前生产订单的停台录入界面，其中停台开始、结束时间以系统采集为准，人工仅需细化停台类型。一级停台数据可采集冲压线等信号自动获取，详细二级、三级停台信息可由人工录入，同时具备后期补录功能。

⑷投入产出管理。中控系统通过与冲压线集成，实现冲压线线首板料的自动识别，全面管理冲压生产的投入情况。通过与AGV 集成，实现冲压线线尾下件自动盘点，全面管理冲压生产的产出情况。中控系统也留有灵活操作的空间，比如：中控系统在计划执行页面点击某条订单时，可进入投入产出界面，所有投入产出情况可进行人工修改，包括投入板料数量及批次、合格品数量及工位器具情况、返修品数量及工位器具情况、直接报废数量及工位器具情况、返修后合格数量及工位器具情况、返修后报废数量及工位器具情况等。

图1 生产计划自动排程

⑸废料管理。中控系统通过采集地衡称重数据，根据累计废料实际重量，与消耗定额计算的标准重量进行对比分析，有效的对冲压车间废料进行管理。

⑹班次管理。中控系统接受企业运营系统下发的班次信息，实现了冲压车间现场的班次管理、计划排产等相关功能。

⑺ANDON 管理。ANDON 管理主要是方便现场作业人员在遇到质量、设备、物流等问题时呼叫相关责任人员到达现场来协助解决问题，同时将数据传给生产停台管理模块。在冲压车间，ANDON 管理的相关硬件主要是在线尾、冲压线中控台安装的按钮盒、声光报警等元件以及显示屏，显示屏主要是显示线体名称、生产车型、零件号、计划产量、实际产量、换模效率以及节拍统计等；其中工位状态显示包含正常状态，质量报警、设备报警、急停等；其中当触发ANDON 呼叫、设备故障时，触发弹窗，闪烁提示。

板料管理

板料作为冲压车间重要的原材料，它的管理也是至关重要，中控系统通过对板料的收货、转运、出入库、检测等全方位管理，实现板料的透明化管理。

⑴板料收货管理。卡车送货后板料在冲压车间卸车、拆包，拆包后在中控系统进行外包装质量检验，合格后通过手持设备扫描板料托盘标签及供应商打印的小箱单，扫描成功后即将板料与板料托盘进行绑定，则代表收货，同时中控系统将收货信息传递给板料立体库、板料AGV 等设备。

⑵板料转运管理。板料转运AGV 扫描板料托盘后，向中控系统申请该板料信息，同时中控系统在屏幕上显示此信息并显示该板料吊运方向，用于指导操作者进行操作。通过集成调度板料立体库及板料AGV，实现了板料的自动转运。

图2 ANDON 显示屏

图3 板料库存分析

⑶板料出入库管理，板料检验合格后通过板料AGV 运输到板料立体库内，通过中控系统的集中调度，实现了板料的自动出入库、自动上下线等全套自动化动作，所有出入库信息均与中控系统集成，对板料库存进行全面管理。

⑷板料检测管理。板料收货后中控系统自动打印条码，操作者将条码贴到检验料上，然后将检验料送往材料实验室，材料实验室扫描该条码后进行材料实验，实验数据即与该批次板料绑定。

⑸自适应生产配方。对板料性能参数进行检测后，中控系统可生成相应的子级生产配方。生产时板料托盘上线后，中控系统读取板料托盘信息后将对应的子级生产配方下发给冲压线，冲压线调整相应的设备参数，实现基于板料参数的冲压自适应生产。

冲压件管理

冲压件作为冲压车间最重要的产出物，对它的全过程管理极为重要，中控系统实现了对冲压件的入库、出库及库存等进行管理。

⑴冲压件入库管理。冲压件下线后，叉车接收AGV 指示将工位器具进行入库，途中经过RFID 扫描器，扫描该工位器具RFID 标签，合格品入合格品库，待返修品入返修库。其中冲返修品修理合格后，操作人员在系统中填入返修结果数据，即合格品及报废品数量，提交后该工位器具入库。

⑵冲压件出库管理。焊装牵引车或AGV 承载料箱进入焊装车间时，通过RFID 扫描器，扫描该工位器具RFID 标签，则冲压件出库，出库数据传递给中控系统。

能源管理

能源管理的数据传输基于车间工业以太网，通过能源计量网关模块连接每个计量仪表，采集能源计量数据，并上传至中控系统，在中控系统可以实现各类统计和分析功能。

⑴能耗分析。中控系统把冲压车间土建能源消耗数据、设备能源消耗数据实现全部的采集与记录，能够动态显示每个各回路的能耗状况、各监测回路逐时、逐日、逐月、逐年能值累计、排序；根据上年度或前几年的平均值或国家定额指标制定限额指标,每月对超额情况进行报警,便于对能耗的管理；统计出监测回路工作时间、休息时间、节假日时间的历史能耗值,并对待机能耗、工作能耗、节假日能耗进行分析,掌握设备待机能耗情况并进行相应的节能措施处理。

图4 能源统计分析

⑵智慧照明。中控系统也与车间照明系统集成，并配置独立的界面用于智能照明控制，具体来说实行照明分区控制，将冲压车间照明系统分成冲压件库；模具存储；模具调试；冲压生产：压机设备、线首物流、线侧换模、线尾装框；板料存储8 个区域，每个区域可分别独立控制。同时针对冲压车间复杂的生产环境以及照明要求，中控系统包含计划控制、光控、人为控制三大功能：

1)计划控制：通过车间信息系统向智能照明系统下发生产计划，智能照明系统根据当日是否有计划选择开启或不开启车间照明，同时生产完成后，车间信息系统向智能照明系统发送完工信号，智能照明系统接收信号后延时关闭照明。

2)光照控制：光控功能是利用光照探测器检测的线侧换模区的实际光照强度，自动调节车间各区域的光照强度，当检测车间光照强度较低时，自动增加灯光的调节等级，反之亦然，光照强度等级已划分为0%、30%、70%、100%等。

3)人为控制：人为选择可通过智能照明系统手工选定对应区域的照明灯调节等级。

质量管理

中控系统关于冲压件质量管理的功能主要是通过人工录入，现场工人通过固定系统终端录入质量缺陷等相关数据，但同时中控系统也与冲压件离线光学质检装备集成，获取冲压件离线质检信息，并能够将冲压件离线光学质检装备的质量信息还原。中控系统在质量管理基础上，结合工艺数据的采集，形成产品的质量积分卡，绑定到冲压件的唯一二维码上。针对中控系统中的质量数据，目前已建立了冲压件质量分析模型，通过大数据分析方式对冲压件质量进行分析。

模具管理

中控系统主要是对冲压车间的模具出入站、调试计划、调试过程、调试数据等方面进行管理，实现了模具调试的全面管理。

⑴模具出入站管理。主要通过集成全自动天车系统，对模具的出入站信息进行管理，在系统中可方便查询模具的出站、入站时间。

⑵模具调试过程管理。主要是对模具在调试压机、研配压机、工作台、线外举升机构、离线仿真装置的实时位置及状态信息进行管理，输出模具调试时间、压机占用工时等统计分析结果。

⑶模具调试计划管理。主要是实现了模具调试计划的编制及下发，同时对模具调试计划执行情况进行管理，包括计划上线时间、实际上线时间、计划下线时间、实际下线时间等。

图5 质量缺陷录入

⑷模具调试数据管理。主要是对模具在调试过程中产生的数据进行管理，如调试时的压机参数、质量数据、调试结果数据、问题整改措施等，基于这些数据分析出调试压机的利用率等，后续基于这些分析更合理的规划和利用资源。

设备管理

中控系统实现了对冲压车间设备的全面管理和监控，除了日常的维修、点检、保养等业务过程线上化，还对冲压车间所有设备的报警信息进行了管理，同时对压机主传动系统、电机、轴承等核心部件进行了振动、温度等监测及预测性维护分析。

⑴报警管理。报警主要分为三类，一是报警，多指设备停台；二是警告，多是设备参数波动、不影响生产线运行的安全警告、辅助设备报警等；三是提醒，多是预测性维护、模式转换等。所有的记录按照记录等级来分类，例如：需要马上处理的：001 ～099；设备的故障：100 ～199；必须在短时间内处理的：200 ～299；必须在生产完结束后处理的：300 ～399；预测性的维护：400 ～499；生产故障：500 ～599；系统故障：600 ～999 等。

⑵目视化管理。主要是对冲压车间所有的工艺设备进行可视化管理，主要展示了现场工艺设备的运行状态、报警信息、设备的关键信息等，其中设备状态主要包括手动、自动、维修、警告、报警、连接断开、运行、故障等状态。设备的关键信息点主要包括如能源消耗、设备温度、电机频率等，每个设备可以显示该设备当前的消息日志，如状态、报警等。

⑶压机预测性维护。系统对压机核心部件的振动、温度、压力等运行信息进行采集，通过计时、计数、趋势、异常波动分析，发出提示报警，做到设备的提前预测维护，降低设备的故障停机时间，保障冲压生产有序进行。

PMC 监控

中控系统提供工厂生产过程各生产线设备的实时监控，指示故障情况、警告和操作模式；对调度设备的生产班次、对生产和停机时间进行追踪和记录，并通过网页发布。

⑴主画面信息。使用树状图方式显示工厂，车间，生产线，设备等之间的层级关系，点击不同的节点切换到指定的区域。工具栏包含有关生产、维修、语言转换等系统功能等。另外可显示车间生产画面，包含设备实时报警，实时生产数据等。

⑵画面层次。按车间总览→控制区域→设备总览→具体设备详细信息分层次。最顶层是主画面，可选定各个不同的生产区域；其次是单个系统的总体布局画面，在此可进入该工艺过程的各个设备。设备的各个报警信息都将送达其上层的各个画面(直至该系统的总体布局画面)，不同设备区域显示成不同颜色。通过在起始图片上点击各部分区域，就可在实际设备区域中切换。

结束语

综上所述，中控系统已经基本涵盖了冲压车间全维度数字化管理，通过中控系统的应用，不仅提高了生产效率，降低了成本，还增强了生产过程的安全性和可控性，通过智能监控、精准控制和数据分析，确保了冲压车间的高效、安全和稳定。随着智能制造深入推进，中控系统也将成为冲压车间智能化转型的关键路径，通过采集的大量数据，如生产、工艺、质量、设备等数据，基于AI 大模型，系统分析后形成规则决策库，逐步实现自感知、自学习、自决策、自执行和自适应的智能冲压车间。