中国汽车行业标杆数字化车间——上汽大众汽车有限公司安亭汽车三厂油漆车间

中国汽车行业标杆数字化车间-上汽大众汽车有限公司安亭汽车三厂——油漆车间

Part.01

概述

上汽大众120JPH油漆车间项目选址嘉定区安亭镇上汽大众基地，总投资18.6亿元，规划年产能60万辆。于2018年10月土建动工，2019年6月设备进场安装，2020年1月投料完成开始调试优化，3月首台调试车下线，4月首台MEB纯电动车下线，8月正式投产。是世界首创120JPH涂装车间，用于替代原汽车三厂两个油漆车间以及新建MEB工厂油漆车间，共包含：主车间、注蜡车间、总装预装车间及各单体之间的连廊，建筑面积总计144848平方米，是全球生产规模最大的单体汽车涂装车间。新车间突破了业界涂装车间常见的30JPH单线生产工艺布局模式，首次采用3*40JPH的柔性工艺布局。同标准化涂装车间相比，投资降低15%，建筑面积降低12%，设备总量是标准化车间的2.5倍，工业机器人协作机器人数量共346台，自动化率达到73%。生产三种平台（MEB\MQB\MLB）的车型，同时供应两个工厂，汽车三厂MQB、MLB两种平台7款车型（包括豪华品牌Audi），MEB工厂5款车型。

120JPH油漆车间集智能制造、节能环保为一体，大规模应用领先的制造技术，实现制造全过程的智能化和数字化。通过硅烷薄膜技术、SDM液体阻尼垫工艺、余热回收技术、智能能源管理系统等节能环保措施，打造上汽大众最具环境友好型涂装车间，实现5项环保KPI相较于公司平均水平下降20%。

120JPH油漆车间在产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、产品物流、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油漆车间是上汽大众在工厂的数字化、网络化及智能化方面的首次大规模实践。

Part.02

总体架构

上汽大众120JPH油漆车间虽然是目前国内最大建筑面积和产能的单体涂装车间，但却具备大众集团乃至全球最好的生产效率和柔性生产能力。这得益于它在规划就定位于“柔性和高效”的设计理念。

一、多平台的柔性工艺生产布局

120JPH油漆车间可混合生产多达3种平台（MEB\MQB\MLB）的车型，可覆盖紧凑型、中性、大型的SUV和轿车尺寸。它突破了业界涂装车间常见的30JPH单线生产工艺布局模式，首次采用3*40JPH的柔性工艺布局。

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，根据产品的平台特点设计“平台+混合”的布线方式。通常情况下，产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产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。

特殊的工艺布局和RFID等技术广泛使用使得多平台柔性生产在120JPH车间成为可能，预计最近一年内能混合生产多达11款车型。

图 1 工艺布局

二、完善的信息化、数字化应用平台

除了拥有行业同级最高数量的自动化生产设备以及先进制造技术，120JPH油漆车间在信息化、数字化的软实力建设也具有显著的成果，从而助力车间向智能制造转型。

120JPH油漆的信息化数字化建设强调分层的管理模式，分别是设备层、网络层、过程执行、运营管理和应用交互层，见下图2。

设备层：是直接面向产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。

网络层：网络设施建设是120JPH车间实现信息化的核心步骤。车间按不同应用场景建设了3种网络设施，分别是车间级工业以太网以实现现场设备的通讯、监控和控制等功能。无线WIFI网络覆盖车间3层几乎所有人员作业和通道区域，配合各类信息平台，以实现移动端作业和无纸化办公的需求。

过程执行层：集成了各类直接面向生产过程的三大信息管理平台，按业务特点可以分为智能生产管理、设备管理、质量管理等。三大管理系统把日常的生产活动进行信息化和流程化，也初步实现管理过程的透明化、可视化。

运营管理层：包含项目管理、能源管理和智能安保等间接管理场景，以提高车间人员、成本、合规等的绩效表现。

应用交互层：通过手机、PAD等流行工具实现人员对信息管理平台和生产过程的互联互通。目前120JPH油漆车间可借助于BI等商业可视化等工具对车间整个运营过程种产生的6个数据进行关键运营指标的分析、展示和预测。

图 2 120JPH油漆车间数字化系统架构图

Part.03

建设方案

根据系统图2重点展开描述如下：

一、先进制造装备情况

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、网络基础设施建设

除了生产现场广泛采用Profinet等实时生产网络外，120JPH油漆车间重点建设了三层车间或公司级工业以太网。其主要布局图见下图3：

图 3 120JPH 车间级工业以太网架构

图 4 通讯服务器布局

工厂级网络通过两组机房连接到公司级办公网内，做到硬件上互联互通，并配置了多种行业领先的功能服务器，实现不同的业务需求：

WEB Application 服务器：中控室界面的网页发布服务器。

ITAC服务器：用于车辆和质量信息收集转发的后台应用服务器。

PMON服务器：用于和FIS系统通信获取车辆信息后台应用服务器。

DB服务器：用于存储所有生产信息相关的数据库服务器。

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服务器：用于点巡检保养任务网站发布和数据库服务器。

质量分析服务器：用于质量分析的网站发布和数据库服务器。

三、业务管理信息系统

在信息应用平台层，120JPH油漆车间主要构建了6大核心信息系统：包括智能生产管理、设备管理、质量管理、项目管理、能源管理和智能安防系统等，共同组成了车间级MES系统。

3.1 智能生产管理

在智能生产管理系统中核心的功能有：

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，使产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

设备运维管理以车间设备资产基本信息为主线，集成设备设施的静态信息，包括BOM设备层次结构，状态信息，备件BOM信息，电子档案、故障维修履历、保养维护履历等。重点以预防性和预测性理念构建了可动态调整的电子点检流程、保养流程，并借助WIFI网络和数百个移动端操作，实现无纸化、移动式作业及办公。

电子巡检：包括维修工和生产人员每日进行的日常点检和专业点检。电子巡检系统也包含标准管理、点检工单管理和可视化统计分析等功能。此外，操作工人通过扫描二维码来获得设备的相关技术说明和操作指导。

图 7 移动端电子巡检

电子保养：根据供应商的保养标准文件提供静态日常保养计划，也可以通过停产作息和设备故障情况提供动态保养计划，产生的保养工单通过移动端进行维护，具备统计、报警、追溯等功能，确保设备日常保养任务有效落实。维修人员利用车间的生产网络将故障记录和保养发布到车间内的服务器上，维修人员通过PAD连接生产无线网络进行当周保养内容的查看和记录。

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产品的缺陷对比，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

质量预测系统：质量预测系统基于大数据及深度学习等AI人工智能技术，EWPK专业生产人员录入的质量缺陷信息，结合车身订单数据，以及与车身绑定的自动化系统中的一些传感器的关键参数，比如气温、材料黏度、定量机流量、空气压力、流水线故障等等，识别其隐藏的相关性，提供给技术人员关于工艺、设备的改进建议以及决策参考，优化生产，见图11。

图 11 质量缺陷预测（在建）

3.4 运营及项目管理

TPM持续改善和项目管理是120JPH油漆车间日常业务活动。为满足这个两个特定需求，Agile-paint系统以“问题驱动、流程导向”的原则，使用云服务和工作流等技术搭建了全员协作平台，见图12。其中，项目管理模块针对新设备技术改造场景。项目相关方可使用问题单功能，借助手机移动终端，实现质量问题的高效流转，提高设备改造质量。其主要界面见下图12。TPM模块以“检查和改善”的主要方法，把日常的各个TPM活动进一步信息化、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油漆车间智能安全管理系统由安全管理系统web端、预约管理小程序以及应用APP端组成。系统小程序用于来访人员进入车间预约管理，外来人员也即访客在预约小程序中完成预约后，在门岗处领卡并绑定卡片。通过系统APP，用户或管理者可以实时查看车间现场的安全作业信息及报警信息，同时对巡更情况进行管理；管理人员还可以在位置功能中查看地图上查看对象的位置分布以及历史轨迹，巡更人员可以通过APP对现场安全设备进行巡更作业，功能见图16和图17。

图 16 智能安防系统功能

图 17 智能安防界面

Part.04

技术难点与创新点

根据公司战略，120JPH油漆车间在规划之初定位于大体量和多产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设备数量和自动化程度突破了大众以往车间的水平，也对车间的运维管理和质量管理提出大的挑战。为此车间在设计时重点关注信息化和数字化建设、积极探索智能化技术的落地和使用。如车间在3层工业以太网基础设施的建设基础上，构建了围绕设备管理、质量管理、生产控制等模块的车间级MES信息系统。MES系统的应用也进一步提升了车间无纸化管理的进程，并在BI技术的应用下信息系统的运营数据成了业务效率分析、创新的新的突破口，进一步提高技术人员和领导层管理效率。车间也提前部署了数十万个传感设备，其中能源计量类传感元件600多个，为后续进一步开展设备预测性维护、大数据分析和创新奠定硬件基础。

油漆车间向来是能耗大户，为了从基因上控制车间的运营成本，120JPH油漆车间广泛使用最新的节能技术：如智能照明系统、空调余热回收、智能烘房等，配合能源管理系统使得车间的能源费用更加高效。

Part.05

解决的重大问题

120JPH油漆车间是一个多车型多平台的高产能和数字化的电动车和传统动力车涂装车间，整个车间有MEB/MQB/MLB三种车型平台，多达11种车型，每小时生产120台车身，车间产能是标准涂装车间的两倍。如何通过有效的设备运维、过程质量控制和生产管理组织以达到精益生产、低能耗管理、低成本管理是车间管理者和员工面临的难题。

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产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油漆车间利用数字化网络平台，将工艺技术文档、维护保养手册、各类点巡检文档、生产交接班信息、生产计划与排产信息等整合到管理软件中，实现了过程与管理的无纸化，每年可减少打印纸张20万张，实现了生产、设备、工艺、运营、成本的在线管理，为生产制造活动提供及时的指导、响应及报告，使对变化的情况能够立即快速反应，从而使生产作业及流程更加高效。

Part.06

国内外同行业对比

目前120JPH油漆车间在先进制造技术和信息化集成和应用程度方面处于行业领先地位。

一、高自动化率和柔性生产能力行业领先

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，在保证产品品质同时，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产品的颜色库，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，进一步提高产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个品牌的产品，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、生产和管理全业务的信息平台渗透和集成

120JPH油漆车间在产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、产品物流、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。

在无纸化办公方面，在业务数字化的推进下120JPH取消了90%传统的纸质信息和汇报，广泛使用PowerBI等业务数据分析工具进一步提高信息处理速度，数据分析广泛运用到降本、改善等管理活动中，首次实现数据化办公。

Part.07

实施效果及效益分析

人员优化：项目的实施不但带来直接人员的优化，更优化了后方间接岗位。在直接人员方面，项目实施前，60JPH产能对应的单班岗位为252人，且包含了中涂工艺。项目实施后，同步为CPA3和MEB工厂进行120JPH输出，折算下60JPH的单班岗位仅为178人，且取消了中涂工艺，单台消耗工时降低1.23h。在间接人员方面，由于采用智能化控制系统，优化了传统的4名中控室人员，且信息的沟通和传递更加准确、即时和高效。

柔性生产能力：PFA3P油漆车间采用的3条各40JPH的流水线设计，可根据CPA3（满产60JPH）和MEB工厂（满产60JPH）的不同产能需求和作息做到柔性化生产，可临时关闭或开启不同的生产线，最大程度的节约能源和提高效率。

精益节能：本车间设备体量相当于60JPH标准化工厂的两倍，但由于采用了大量节能技术，如智慧烘房、智能照明系统、余热回收、变频技术、独立生产线、液体表调、薄膜工艺等，使得本车间的实际能源消耗量比目标值下降10%。例如：智慧烘房技术的应用，使得车间的燃料消耗量下降20%；采用KPR和空调余热回收，每年为车间节省20%的热能费用；智能照明系统的使用，使得车间照明用电量下降1/3。

Part.08

下一步进行智能化改造提升的计划和思路

根据目前公司发展战略和市场形势，120JPH油漆车间的未来几年的智能化化改造方法围绕“高效和绿色”主题进行。在这个主题中，油漆车间将进一步通过技术手段提高设备的自动化、制造水平、智能化水平，提高生产效率和质量品质，以减低运营成本。主要手段有：

一、进一步引入先进制造技术，提升自动化效率

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。同时在提升产品质量方面，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、进一步集成和整合业务管理信息系统

目前120JPH油漆车间已开发并使用了数个信息系统大幅提高了运营效率，但这些系统以解决特定业务为出发点，所使用的架构和开发方式并不统一，相互数据没有真正达到互联互通，存在信息孤岛。因此有必要对各自系统开发相应的数据接口实现数据的互联互通，并进一步开发车间数据湖，为后续使用大数据分析辅助运营决策奠定基础。

三、导入前瞻性技术，探索智能化转型

目前车间各类生产设备装备了数十万个各类传感器，主要接入底层工业实时Profinet总线网络，用于生产过程控制。为进一步采集数据实现更高层级的智能分析和决策，必须构建以5G通讯、边缘计算为代表的通讯网络和数据处理方式，以满足海量生产数据。目前试点这类项目有:大功率风机运行状态分析和预测、机器人状态分析和预测、能源预测等。

四、推广节能技术，提高绿色涂装运营能力

涂装车间向来是耗能大户，在未来几年进一步升级改造设备的能源利用效率，推广高效的余热回收技术的使用。并结合产量、作息、设备状态等大数据分析技术辅助决策设备开关机最优方案，评估设备使用效率。同样信息平台互联互通的基础上，使用深度学习技术预测烘房、喷房等重点环保设备排放各项指标，提高车间治理能力。

（稿件、图片均由上汽大众汽车有限公司安亭汽车三厂油漆车间提供，仅供汽车行业交流学习使用，）