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中國汽車行業標桿數字化車間-上汽大眾汽車有限公司安亭汽車三廠——油漆車間

Part.01

概述

上汽大眾120JPH油漆車間項目選址嘉定區安亭鎮上汽大眾基地，總投資18.6億元，規劃年產能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月首臺調試車下線，4月首臺MEB純電動車下線，8月正式投產。是世界首創120JPH涂裝車間，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，建筑面積總計144848平方米，是全球生產規模最大的單體汽車涂裝車間。新車間突破了業界涂裝車間常見的30JPH單線生產工藝布局模式，首次采用3*40JPH的柔性工藝布局。同標準化涂裝車間相比，投資降低15%，建筑面積降低12%，設備總量是標準化車間的2.5倍，工業機器人協作機器人數量共346臺，自動化率達到73%。生產三種平臺（MEB\MQB\MLB）的車型，同時供應兩個工廠，汽車三廠MQB、MLB兩種平臺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、節能環保為一體，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。通過硅烷薄膜技術、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，打造上汽大眾最具環境友好型涂裝車間，實現5項環保KPI相較于公司平均水平下降20%。

120JPH油漆車間在產品制造領域廣泛采用了最新的工業自動化技術，重點建設了三層網絡基礎設施，特別是率先實現工業無線WIFI通訊設施全覆蓋，為信息系統的開發、設備模式的更新奠定基礎。信息系統集成方面，信息系統的應用覆蓋到了加工全過程、產品物流、管理活動、質量控制、成本控制等各個業務環節，形成了以智能生產管理、設備管理、質量管理、項目管理和智能安保等為主題的信息系統平臺。

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

Part.02

總體架構

上汽大眾120JPH油漆車間雖然是目前國內最大建筑面積和產能的單體涂裝車間，但卻具備大眾集團乃至全球最好的生產效率和柔性生產能力。這得益于它在規劃就定位于“柔性和高效”的設計理念。

一、多平臺的柔性工藝生產布局

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

如下圖1在生產工藝上，120JPH油漆車間采用成熟穩定的VW2010免中涂工藝，包含預處理、電泳、底部密封、細密封、色漆、清漆、注蠟等。在產線布局上，根據產品的平臺特點設計“平臺+混合”的布線方式。通常情況下，產品根據自己的平臺屬性（如MEB電動平臺、或MQB、MLB傳統平臺）進入各自專屬生產線進行最高效和最經濟生產任務，同時也可以根據特殊情況（如產能平衡、流水線故障、自定義需求等）進行混線生產，以提高生產抗風險能力。為此整個油漆車間配置多達300多個RFID和MOBY組成的自動識別節點以實現對產品的物流追蹤或者流向控制，同時配置了10個工藝分岔路的人工物流決策點進行批量干預。

特殊的工藝布局和RFID等技術廣泛使用使得多平臺柔性生產在120JPH車間成為可能，預計最近一年內能混合生產多達11款車型。

圖 1 工藝布局

二、完善的信息化、數字化應用平臺

除了擁有行業同級最高數量的自動化生產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。

設備層：是直接面向產品的各類制造設備和工業控制系統，他們具有高度的自動化和向上的自主通訊能力，如各類機器人等。除此以外也包括各類感知元件，如設備狀態檢測傳感器，工藝參數傳感器以及各類計量表具等。在120JPH油漆車間中，多達數十萬的各類數據采集點實時抓取生產過程中各類運行數據，為上層的信息平臺建設奠定基礎。

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，配合各類信息平臺，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產過程的三大信息管理平臺，按業務特點可以分為智能生產管理、設備管理、質量管理等。三大管理系統把日常的生產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臺和生產過程的互聯互通。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產生的6個數據進行關鍵運營指標的分析、展示和預測。

圖 2 120JPH油漆車間數字化系統架構圖

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油漆車間以“高效+精益”的理念進行頂層設計，由國際知名供應商杜、ABB等公司進行承包建設，設備初期達到18億元人民幣。廣泛采用先進工業制造設備和工藝，按SAIC標準自動化率高達73%，其中西門子最新一代博圖控制器S1500共計144套，ABB工業和噴涂機器人346臺，DURR公司最新Rodip-M 360°翻轉輸送4套，17萬風量廢氣凈化設備6套，圖像識別定位系統15套，自動膜厚缺陷檢測3套等，共計單體設備8300多個

二、網絡基礎設施建設

除了生產現場廣泛采用Profinet等實時生產網絡外，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：

圖 3 120JPH 車間級工業以太網架構

圖 4 通訊服務器布局

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，并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 服務器：中控室界面的網頁發布服務器。

ITAC服務器：用于車輛和質量信息收集轉發的后臺應用服務器。

PMON服務器：用于和FIS系統通信獲取車輛信息后臺應用服務器。

DB服務器：用于存儲所有生產信息相關的數據庫服務器。

DATA Acquisition服務器：用于對現場PLC數據收集。

BI服務器：用于制作Power BI數據報表的數據庫服務器。

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

在信息應用平臺層，120JPH油漆車間主要構建了6大核心信息系統：包括智能生產管理、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 智能生產管理

在智能生產管理系統中核心的功能有：

CCR SCADA數據收集及監控：120JPH油漆車間采用了Durr公司DXQ和ITAC的工廠解決方案，收集工廠層的千兆級別字節的傳感器數據，如溫度、壓力、故障點位等工藝設備數值。這些信息是提高設備開動率OEE的數據基礎。車間使用SCADA可視化界面來展示并且控制設備的狀態，車身的流向等,見圖5。

圖 5 物流SCADA

RFID物流控制及FIS系統：120JPH油漆車間的特殊性，需要向兩個工廠輸送不同類型的車身，制造過程需要使用到不同的工藝顏色，因此輸送有共通性和差異性。通過RFID標簽，MOBY物流來控制輸送，使產品可固定流向可高自由度的混線等形式向下一道工序流轉，也可為車間以及工廠的生產訂單流轉率提升提供重要的技術保障。

分布式呼叫ACC：基于車間使用的移動設備Android PAD，我們使用了一套APP用于故障的推送，Alarm Control Center（簡稱ACC）。該系統可以對故障進行分區管理，對應區域的停線性故障定向推送到該區域維修人員的PAD上，并響起特定的聲響以便提醒維修人員及時前往處理，提高故障處理效率見圖6。

圖 6 PAD端報警信息

3.2 設備運維管理

設備運維管理以車間設備資產基本信息為主線，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、故障維修履歷、保養維護履歷等。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，并借助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：包括維修工和生產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準管理、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。

圖 7 移動端電子巡檢

電子保養：根據供應商的保養標準文件提供靜態日常保養計劃，也可以通過停產作息和設備故障情況提供動態保養計劃，產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產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連接生產無線網絡進行當周保養內容的查看和記錄。

圖 8 移動端電子保養

3.3 質量管理系統

EWPK缺陷錄入系統：實現車間人工工位的全覆蓋：從車身工藝到報交打磨，每一個崗位站點，由專業生產人員識別車身各類質量缺陷并完成錄入，達到基礎數據的收集的目的，為之后的質量預測大數據分析提供堅實的數據基礎。系統中可展示的報表、蝴蝶圖可以很形象地為技術人員展示目前產品的缺陷對比，高頻缺陷位置，輔助其對缺陷故障原因的判斷以及生產工藝的優化見圖9和圖10。

圖 9 在線缺陷錄入

圖 10 缺陷統計

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專業生產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，優化生產，見圖11。

圖 11 質量缺陷預測（在建）

3.4 運營及項目管理

TPM持續改善和項目管理是120JPH油漆車間日常業務活動。為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，使用云服務和工作流等技術搭建了全員協作平臺，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。

圖 12 Agile-paint管理系統功能

圖 13 問題管理系統界面

3.5 能源管理

智能能源管理系統通過SSIS數據同步工具將本地數據湖中的能耗數據寫入SQL SERVER 數據庫中存儲，通過Power BI Desktop工具將報表發布到云端Power BI Embed Service，見圖14和圖15。此外其功能還包括：1、能耗監控：依靠現場的600多只智能表具，本系統實時統計車間的每日能源消耗量，自動生成能源消耗的每日報表和月度報表。2、能源報警：系統對車間基礎耗能和重點用能設備耗能進行實時監控，對用能量超過目標值的，自動發出報警。3、能源預測：系統后期還將根據歷史用量、排產計劃、外界氣溫等因素，自動學習預測下階段的用能數據，為車間更加合理的組織排產提供參考。

圖 14 能源數據采集與處理

圖 15 能源管理平臺展示

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后，在門崗處領卡并綁定卡片。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歷史軌跡，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。

圖 16 智能安防系統功能

圖 17 智能安防界面

Part.04

技術難點與創新點

根據公司戰略，120JPH油漆車間在規劃之初定位于大體量和多產品共線生產的制造車間，同時面對行業降本增效的發展趨勢，如何實現柔性生產和精益生產是120JPH車間在規劃和運營過程中面臨最大挑戰。

為實現3種平臺11款車型30種顏色的共線生產，項目團隊拋棄德國標準化工廠模板，設計全新3*40JPH新流水線布局。首次使用Plant simulation和3Dstudio等仿真軟件進行工廠級的物流和產量模擬和優化，初步積累的大型車間數字化、模型化規劃能力。

120JPH設備數量和自動化程度突破了大眾以往車間的水平，也對車間的運維管理和質量管理提出大的挑戰。為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、生產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，并在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，為后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，為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臺的高產能和數字化的電動車和傳統動力車涂裝車間，整個車間有MEB/MQB/MLB三種車型平臺，多達11種車型，每小時生產120臺車身，車間產能是標準涂裝車間的兩倍。如何通過有效的設備運維、過程質量控制和生產管理組織以達到精益生產、低能耗管理、低成本管理是車間管理者和員工面臨的難題。

在車間工業網絡和WIFI網絡架構的支持下，在CCR SCADA系統中，維修人員可通過PAD實時獲取現場設備的故障信息和設備狀態，及時對現場故障做出響應，突發故障通過ACC系統準確推送，做到故障響應0延時；同時維修人員利用PAD進行現場設備巡檢和問題記錄，相應的巡檢結果精準推送到執行人員；維護保養通過EPMS系統對保養計劃和保養內容智能優化，確保保養內容無遺漏，完全做到了現場與管理的無縫連接，設備運行的OEE可以達到95%以上。共給能源管理系統的運用，從季節變化到每班生產，做到了柔性開機，從水、電、壓縮空氣等重點能耗方面精準控制，降低能耗費用10%。

120JPH油漆車間生產過程中，員工通過質量管理系統EWPK，利用現場PAD對過程質量數據進行錄入，經過服務器的大數據收集與智能AI運算，將記錄的質量結果與產品數據和過程數據綁定，以識別其隱藏的相關性，提供工藝改進方向及決策參考，同時將過程質量進行實時反饋給前后到工序，做到過程質量的實時性和追溯性，最終優化生產過程，使過程質量問題快速解決和改進更加有效，提升一次報交合格率15%，同時通過過程質量數據的積累，為后期質量預測奠定了基礎。

120JPH油漆車間利用數字化網絡平臺，將工藝技術文檔、維護保養手冊、各類點巡檢文檔、生產交接班信息、生產計劃與排產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，實現了生產、設備、工藝、運營、成本的在線管理，為生產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，從而使生產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產能力行業領先

據統計120JPH油漆車間設備單體達8300多個，按SAIC標準計算自動化率達73%，遠高于大眾集團的自動化程度；設備綜合開動率96%~99%也高于大多數整車廠。在關鍵制造工藝段，車間廣泛使用高精度高穩定性的領先自動化解決方案，如在噴涂和PVC工藝段使用多達318臺ABB最近一代的機器人和噴涂設備，實現生產、檢查、分析的全過程自動化制造，在保證產品品質同時，整個生產節拍只需57秒。

除了高密度的自動化設備群，120JPH油漆車間也在行業內引入數個行業內最新技術和工藝解決方案。如即將上線的面漆缺陷檢測系統，通過最新的圖像識別技術可實現秒級的車身缺陷的識別和定位。最新一代的小顏色換色系統的首次應用大大豐富了公司產品的顏色庫，在進一步滿足客戶顏色定制的同時，也最大程度降低制造費用。在工藝方面，在中國大眾使用首次使用SDM水性阻尼墊工藝，進一步提高產品的防震和隔音效果等。

在大規模自動化設備群和基于RFID技術物流布局助力下，車間可同時生產大眾集團3種平臺3個品牌的產品，未來一年內投產11款全新車型，同時可以定制噴涂多達30種顏色，向柔性化生產邁出一大步。

二、生產和管理全業務的信息平臺滲透和集成

120JPH油漆車間在產品制造領域廣泛采用了最新的工業自動化技術，在此基礎上重點建設了三層網絡基礎設施，特別是率先在業內工業無線WIFI通訊設施的全覆蓋為后續信息系統的開發、設備模式的更新奠定基礎。在信息系統集成方面，信息系統的應用覆蓋到了加工過程、產品物流、管理活動、質量控制、成本控制等各個業務環節，形成了以智能生產管理、設備管理、質量管理、項目管理和智能安保等為主題的信息系統平臺。其中以質量預測為核心的質量管理系統運用了大數據和深度學習等人工智能技術，將訂單數據和過程數據綁定，以識別器隱藏的相關性，提供工藝改進方向及決策參考，這是涂裝行業首次使用人工智能落地使用的項目。

在無紙化辦公方面，在業務數字化的推進下120JPH取消了90%傳統的紙質信息和匯報，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，更優化了后方間接崗位。在直接人員方面，項目實施前，60JPH產能對應的單班崗位為252人，且包含了中涂工藝。項目實施后，同步為CPA3和MEB工廠進行120JPH輸出，折算下60JPH的單班崗位僅為178人，且取消了中涂工藝，單臺消耗工時降低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準確、即時和高效。

柔性生產能力：PFA3P油漆車間采用的3條各40JPH的流水線設計，可根據CPA3（滿產60JPH）和MEB工廠（滿產60JPH）的不同產能需求和作息做到柔性化生產，可臨時關閉或開啟不同的生產線，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標準化工廠的兩倍，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、獨立生產線、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，每年為車間節省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，提高生產效率和質量品質，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油漆車間在成熟工藝中已廣泛采用傳統工業機械手等進行大批量生產，自動化率已經達到73%。但在部分崗位仍需要人工進行操作，特別質量檢查、非標準操作等需要較多依賴工人學習經驗等工位。隨著協作機器人、工業視覺技術等的逐漸成熟，使用這些技術集成的解決方案具有越來越明顯的經濟性和替代性。據測算，在一些簡易人工檢查操作工位，使用協作機器人的技術方案在3年內收回成本，因此使用協作機器人加工人混合作業的方式是通往未來智能化車間道路上更具現實意義的解決方案。目前車間擬定的未來三年使用協作機器人替代或部分替代人工的項目有：車身底部自動擦蠟、PVC底部塑件拆裝、車身工裝檢查等。同時在提升產品質量方面，將大幅開發并導入AI和視覺技術結合的應用，以取代人工或穩定機器人生產質量。目前正在測試或計劃投入的項目有：車身面漆缺陷自動檢測、PVC涂膠質量在線檢測、總裝塑件檢測等。

二、進一步集成和整合業務管理信息系統

目前120JPH油漆車間已開發并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為出發點，所使用的架構和開發方式并不統一，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，并進一步開發車間數據湖，為后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

目前車間各類生產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，用于生產過程控制。為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、邊緣計算為代表的通訊網絡和數據處理方式，以滿足海量生產數據。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，提高綠色涂裝運營能力

涂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。并結合產量、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。同樣信息平臺互聯互通的基礎上，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、圖片均由上汽大眾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，）