工程機(jī)械企業(yè)智能制造技術(shù)方案研究

陳 光

（機(jī)械工業(yè)規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100089）

0 引言

近年來(lái)，工程機(jī)械企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境發(fā)生了改變，多品種、中小批量、多配置代替了單一化產(chǎn)品，多元化市場(chǎng)從統(tǒng)一的市場(chǎng)中迅速成長(zhǎng)， 產(chǎn)品生命周期和開(kāi)發(fā)周期日益縮短。如何改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，降低廢品率，降低人工使用量，實(shí)現(xiàn)能源集中管理，及一體化的市場(chǎng)、銷(xiāo)售和售后服務(wù)成為企業(yè)的迫切需求。 如果說(shuō)傳統(tǒng)的技改項(xiàng)目是為了提升企業(yè)技術(shù)和裝備水平，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；那智能制造則是為了實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期智能升級(jí)， 提升企業(yè)整體的核心競(jìng)爭(zhēng)力。 通過(guò)智能制造改造，現(xiàn)場(chǎng)工人降低50%以上；生產(chǎn)效率提高20%以上；運(yùn)營(yíng)成本降低20%以上；產(chǎn)品不良率降低15%以上；關(guān)鍵裝備數(shù)控化率達(dá)到80%以上、生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集率達(dá)到90%以上、 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸率達(dá)到100%。

1 智能工廠(chǎng)整體規(guī)劃

智能制造工廠(chǎng)在規(guī)劃伊始，首選是需求分析，通常按生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、服務(wù)、設(shè)備、服務(wù)、供應(yīng)鏈、能源、安全環(huán)保的順序進(jìn)行分析。

（1）生產(chǎn)車(chē)間應(yīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備層、控制層、執(zhí)行層的互聯(lián)互通和信息融合，應(yīng)實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、排產(chǎn)、生產(chǎn)加工、完工反饋等過(guò)程的自感知、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化及調(diào)整。 通過(guò)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程，自動(dòng)預(yù)警或修正生產(chǎn)中的異常，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。 通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析和基于數(shù)據(jù)模型的預(yù)判， 自動(dòng)修復(fù)和調(diào)校相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)。

（2）實(shí)現(xiàn)庫(kù)存量可實(shí)時(shí)感知，通過(guò)對(duì)銷(xiāo)售預(yù)測(cè)和庫(kù)存量進(jìn)行分析和決策，形成實(shí)時(shí)采購(gòu)計(jì)劃；能通過(guò)GSP 系統(tǒng)與供應(yīng)鏈合作企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)庫(kù)存和即時(shí)供貨。 能夠基于云制造，通過(guò)智慧感知、互聯(lián)、協(xié)同、學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測(cè)、決策、監(jiān)控和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈智能優(yōu)化。

（3）能夠通過(guò)能源數(shù)據(jù)信息的采集和存儲(chǔ)，對(duì)消耗和產(chǎn)能調(diào)度提供優(yōu)化策略和優(yōu)化方案，優(yōu)化能源運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)能效最大化。 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取企業(yè)所有環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)測(cè)所有污染源的整體環(huán)境情況， 進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，自動(dòng)提出最優(yōu)排放方案并執(zhí)行。 智能工廠(chǎng)規(guī)劃整體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 智能工廠(chǎng)規(guī)劃整體架構(gòu)圖

采用BIM 技術(shù)對(duì)車(chē)間總體設(shè)計(jì)、 工藝流程及布局進(jìn)行數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)車(chē)間總體設(shè)計(jì)、工藝流程及布局的數(shù)字化、可視化；以公司現(xiàn)有信息化平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立高效的創(chuàng)新管理集成平臺(tái)， 統(tǒng)一管理產(chǎn)品全生命周期（PLM）各過(guò)程以及過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)， 打通MES、ERP、PLM、SCM、CAM 等系統(tǒng)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)銷(xiāo)售、運(yùn)維的協(xié)同管理和數(shù)據(jù)集成；根據(jù)具體工藝和智能制造需求，配置備料、加工、焊接、涂裝、裝配全工藝鏈智能成套設(shè)備，輔以智能物流、智能上下料，提升自動(dòng)化率，與MES 等軟件系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單元化生產(chǎn)；采用高參數(shù)智能立體倉(cāng)庫(kù)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）、桁架機(jī)器人、AGV 小車(chē)控制系統(tǒng)與物流仿真系統(tǒng)等現(xiàn)代化物流手段，實(shí)現(xiàn)智能化物流； 增加數(shù)據(jù)采集與視頻監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、在線(xiàn)檢測(cè)和過(guò)程質(zhì)量控制系統(tǒng)，提升產(chǎn)品質(zhì)量控制手段，同時(shí)對(duì)人員、能源、現(xiàn)場(chǎng)情況等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)； 針對(duì)本項(xiàng)目產(chǎn)品采用針對(duì)性的人工智能、大數(shù)據(jù)和5G 和云平臺(tái)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)智能制造。

2 工廠(chǎng)布局設(shè)計(jì)及仿真

工廠(chǎng)布局設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使得各關(guān)聯(lián)的設(shè)備等資源聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)結(jié)合的整體，設(shè)計(jì)的總目標(biāo)是使人力、物力、財(cái)力和人流、物流、信息流得到最合理、最經(jīng)濟(jì)、最有效的配置和安排，即確保能以最小的投入獲取最大的效益?；贐IM技術(shù)的車(chē)間總體設(shè)計(jì)、工藝流程及布局。 同時(shí)采用工藝、物流仿真模擬等數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和修正。

規(guī)劃包括工廠(chǎng)廠(chǎng)房建設(shè)規(guī)劃、 工藝及物流布局規(guī)劃、工廠(chǎng)仿真。 采用現(xiàn)代化、綠色節(jié)能的廠(chǎng)房規(guī)劃與設(shè)計(jì)，適應(yīng)未來(lái)工廠(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃發(fā)展，符合產(chǎn)品生產(chǎn)制造的各大工藝需求提供配套的高效、自動(dòng)化、綠色的物流規(guī)劃實(shí)現(xiàn)整體各個(gè)工藝/車(chē)間的精益優(yōu)化布局，提供全廠(chǎng)的三維模型和工廠(chǎng)仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠(chǎng)雙胞胎，智能工廠(chǎng)三維圖見(jiàn)圖2。

圖2 智能工廠(chǎng)三維圖

采用數(shù)字孿生技術(shù)，建立數(shù)字化制造工藝仿真及管理平臺(tái)。根據(jù)產(chǎn)品核心零件加工和產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線(xiàn)的加工與裝配特點(diǎn)，建立工廠(chǎng)、車(chē)間、產(chǎn)品、工藝、物流三維模型，采用相應(yīng)的工藝、設(shè)備仿真軟件，以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)間設(shè)備布局和功能、產(chǎn)品生產(chǎn)和裝配工藝、物流過(guò)程、自動(dòng)化設(shè)備動(dòng)作協(xié)作等不同環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬、分析、評(píng)估、驗(yàn)證和優(yōu)化，提高生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行效率， 提高裝配質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制水平，提升生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)字化和智能化水平。

表1 工廠(chǎng)規(guī)劃布局設(shè)計(jì)

3 智能化產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)

車(chē)間改建后將改變?cè)械纳a(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)模式， 改為采用基于生產(chǎn)工序的單元島形式進(jìn)行協(xié)同生產(chǎn)（如：焊接島、機(jī)加島等），每個(gè)單元島內(nèi)包括了生產(chǎn)自動(dòng)化裝備、自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、島內(nèi)物流、單元控制系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的柔性化生產(chǎn)任務(wù)。 每個(gè)單元島通過(guò)接收制造執(zhí)行系統(tǒng)MES 下發(fā)的生產(chǎn)工單進(jìn)行生產(chǎn)的管控，并將生產(chǎn)結(jié)果反饋給MES。

3.1 自動(dòng)備料工藝島

備料中心負(fù)責(zé)板材、型材和管材等原材料的清洗、切割、折彎、校平、坡口切割以及檢測(cè)等預(yù)處理工作。完成的零件按照焊接的要求進(jìn)行組合， 然后由叉車(chē)配送到相應(yīng)工位。 車(chē)間目前的自動(dòng)化設(shè)備主要有數(shù)控切割機(jī)（激光、火焰、等離子）、和坡口切割機(jī)器人。 折彎成型設(shè)備和校平設(shè)備等其它設(shè)備自動(dòng)化程度較低，需要進(jìn)行大規(guī)模的自動(dòng)化改造。 此外在物流和物料跟蹤方面，各種原材料的上下料以行車(chē)為主， 切割完成的物料的采用叉車(chē)進(jìn)行配送，未實(shí)現(xiàn)物料的標(biāo)識(shí)、識(shí)別和點(diǎn)位跟蹤。

根據(jù)裝機(jī)燈塔工廠(chǎng)規(guī)劃， 將對(duì)目前的備料中心進(jìn)行改造，包括對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的自動(dòng)化和智能化升級(jí)，使其滿(mǎn)足燈塔工廠(chǎng)信息化和智能化的整體要求。對(duì)物料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)物料配送的自動(dòng)化和追蹤，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的追溯。增加重載AGV 和RGV 等自動(dòng)物流設(shè)備，減少人工數(shù)量，提高物流效率。建立島內(nèi)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)（單元MES），接收上層工廠(chǎng)控制中心的統(tǒng)一調(diào)度，并與上游的物料倉(cāng)庫(kù)（WMS）、車(chē)間級(jí)的物流配送系統(tǒng)（LES）和下游的自動(dòng)化焊接工作島實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

3.2 自動(dòng)化焊接工藝島

目前焊接車(chē)間的信息化管理手段相對(duì)匱乏， 數(shù)字化程度不高，車(chē)間的倉(cāng)儲(chǔ)管理、物流管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)過(guò)程管理手段較為傳統(tǒng)， 生產(chǎn)過(guò)程人工參與度較高。 在倉(cāng)儲(chǔ)、物流、設(shè)備的自動(dòng)化提升上有較大的上升空間。 生產(chǎn)車(chē)間計(jì)劃管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、程序管理等關(guān)鍵管理環(huán)節(jié)相對(duì)粗放，缺少M(fèi)ES 系統(tǒng)支撐，雖然目前MES 部分功能正在應(yīng)用，但是應(yīng)用效果欠佳，亟待提升。

通過(guò)智能制造改造，實(shí)現(xiàn)接收訂單、生產(chǎn)排程、生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)跟蹤、路由調(diào)度、物料拉動(dòng)、質(zhì)量控制、設(shè)備管理及生產(chǎn)目視化等功能， 對(duì)生產(chǎn)制造全環(huán)節(jié)進(jìn)行有效管控，對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)內(nèi)的各系統(tǒng)功能進(jìn)行整合提升，提高焊接制造業(yè)務(wù)生產(chǎn)管理及信息化水平， 規(guī)范業(yè)務(wù)操作流程，提升工廠(chǎng)生產(chǎn)效率。 優(yōu)化成本控制水平、提高協(xié)同作業(yè)能力、實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化管理。

3.3 自動(dòng)化加工工藝島

加工智能化改造，打破傳統(tǒng)的流水線(xiàn)式的作業(yè)模式，打造不同工藝的離散式的加工作業(yè)島，利用AGV 實(shí)現(xiàn)島內(nèi)及島之間物流流轉(zhuǎn)。 各作業(yè)島在具備獨(dú)立加工能力的基礎(chǔ)上，通過(guò)FCC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠(chǎng)的聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)，打造工廠(chǎng)制造有機(jī)體。

機(jī)加單元主要為CNC 機(jī)床、大型龍門(mén)鏜銑加工中心等進(jìn)行自動(dòng)化改造，配備上下料機(jī)構(gòu)，乳化液、廢屑集中處理設(shè)備，使其具備自動(dòng)上下料、自動(dòng)去毛刺清洗等自動(dòng)機(jī)加功能。 機(jī)加單元控制系統(tǒng)是機(jī)加單元的生產(chǎn)綜合管控系統(tǒng)，其核心功能是在上級(jí)MES 的統(tǒng)一調(diào)度下，接收上級(jí)MES 的加工工單和相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，通過(guò)合理調(diào)度本單元內(nèi)的加工設(shè)備，完成相應(yīng)的加工任務(wù)。

3.4 自動(dòng)化涂裝工藝島

涂裝工序原有自動(dòng)化程度就較高， 本次改造主要針對(duì)增加物料跟蹤，自動(dòng)噴漆機(jī)器手，涂裝設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控，烘干室溫度采集，廢氣排放濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

4 信息化平臺(tái)擴(kuò)展與深化

智能化工廠(chǎng)通常經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段，第一是自動(dòng)化：安全可控的數(shù)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；二是信息化：通過(guò)各軟件系統(tǒng)采集各方面數(shù)據(jù)并集成到統(tǒng)一平臺(tái)；三是智能化：通過(guò)對(duì)各數(shù)據(jù)流的協(xié)同處理、大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)輔助決策并實(shí)時(shí)干涉具體生產(chǎn)過(guò)程。

信息化平臺(tái)主要涉及ERP 系統(tǒng)的改造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)、CAPP 系統(tǒng)、SCADA 數(shù)據(jù)采集及視頻監(jiān)控、MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)、 生命周期管理PLM、 供應(yīng)鏈管理SCM，實(shí)現(xiàn)從訂單、設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售、售后多節(jié)點(diǎn)縱向集成。同時(shí)結(jié)合人工智能技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)，基于多系統(tǒng)間信息集成，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分析利用。

信息化在車(chē)間層面形成生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)， 使現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)縫集成， 實(shí)現(xiàn)對(duì)全制造周期精密化管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)置綜合大屏展示車(chē)間的生產(chǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)， 必要時(shí)可通過(guò)指揮調(diào)度干預(yù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況。 部署設(shè)備互聯(lián)系統(tǒng)， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制，故障診斷及預(yù)警，統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表等功能；同時(shí)引進(jìn)DNC 手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的NC 程序代碼管理， 從而確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的一致，生產(chǎn)效率的提高，以達(dá)到生產(chǎn)作業(yè)成本可控、持續(xù)下降的目的。

5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

現(xiàn)代的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，集成了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)通信、人工智能、區(qū)塊鏈等眾多先進(jìn)技術(shù)。在數(shù)字雙胞胎模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面升級(jí)， 來(lái)解決海量種類(lèi)工業(yè)設(shè)備快速接入的問(wèn)題。 通過(guò)物理世界——數(shù)字世界的虛擬映射關(guān)系， 將復(fù)雜工業(yè)設(shè)備具象為層次化的數(shù)字模塊， 定義相應(yīng)的指標(biāo)和特性， 支持特定場(chǎng)景下的定制化，并通過(guò)可視化的手段進(jìn)行映射、展示、管理、控制、流程、數(shù)字編程、安全保障等操作。

在數(shù)字雙胞胎模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面升級(jí)， 來(lái)解決海量種類(lèi)工業(yè)設(shè)備快速接入的問(wèn)題。 通過(guò)物理世界——數(shù)字世界的虛擬映射關(guān)系， 將復(fù)雜工業(yè)設(shè)備具象為層次化的數(shù)字模塊，定義相應(yīng)的指標(biāo)和特性，支持特定場(chǎng)景下的定制化，并通過(guò)可視化的手段進(jìn)行映射、展示、管理、控制、流程、數(shù)字編程、安全保障等操作。

在數(shù)字雙胞胎模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面升級(jí)， 來(lái)解決海量種類(lèi)工業(yè)設(shè)備快速接入的問(wèn)題。 通過(guò)物理世界——數(shù)字世界的虛擬映射關(guān)系， 將復(fù)雜工業(yè)設(shè)備具象為層次化的數(shù)字模塊，定義相應(yīng)的指標(biāo)和特性，支持特定場(chǎng)景下的定制化，并通過(guò)可視化的手段進(jìn)行映射、展示、管理、控制、流程、數(shù)字編程、安全保障等操作。

采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 將標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)情況錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，并與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。視覺(jué)識(shí)別人、料，及時(shí)反映生產(chǎn)庫(kù)存，采用Flink 流式運(yùn)算引擎，對(duì)工廠(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備采集數(shù)據(jù)、三現(xiàn)互聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，生成實(shí)時(shí)儀表盤(pán)，及時(shí)預(yù)警異常，并及時(shí)決策。

6 結(jié)論

通過(guò)智能制造的升級(jí)，企業(yè)在數(shù)字化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，打通了和其他價(jià)值鏈的數(shù)字通道， 實(shí)現(xiàn)了各價(jià)值鏈的資源優(yōu)化， 并為下游客戶(hù)和上游供應(yīng)商帶來(lái)了新的核心價(jià)值。這種價(jià)值體現(xiàn)在各個(gè)方面：比如為客戶(hù)個(gè)性化高度按需定制的；為縮短產(chǎn)品上市交期協(xié)同設(shè)計(jì)與生產(chǎn)；為產(chǎn)品增值服務(wù)遠(yuǎn)程先進(jìn)分析； 也有為全供應(yīng)鏈優(yōu)化和供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)互聯(lián)透明的。這讓我們更加相信：第四次工業(yè)革命技術(shù)不僅可以降低企業(yè)自身成本， 還能實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程機(jī)械生態(tài)圈的核心價(jià)值創(chuàng)造。