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May 20,2019

法兰制造行业网络化协同制造项目 ——智能网关与云计算应用的实践案例

恒跃集团位于“锻造之乡”山西定襄县,是一家生产工程机械配套件(挖掘机底座、回转支撑、动臂支撑、引导轮等)、工程机械锻件、轴类锻件及风电法兰等系列产品的企业。产品主要应用于工程机械、石油、管道、压力容器、风力发电行业,恒跃集团已成为全球工程机械及法兰采购商的战略合作伙伴。
      恒跃集团客户非常优质,产品出口到美国、加拿大、墨西哥、巴西、俄罗斯、德国、比利时、日本、韩国、泰国等十余个国家。企业业务快速成长,订单数量逐年快速增长,依靠原有生产管理模式无法满足企业发展的需要。面临的主要问题是订单种类多,客户下单频度高,无法及时掌握订单交付进度,产品生产周期长,内部生产计划组织混乱,生产协同性差,重点设备产能不足,资源整体利用率低,同时锻件的定制化生产与精密加工对企业的协同设计、协同生产、协同供应链提出了更高的要求,大量的技术设计、材料检测、供应链协同、生产加工数据需要记录、分析、反馈、决策。
      2017年恒跃集团入选省级两化融合企业名单,积极推进两化融合工作,致力于建设一个先进的数字化工厂,提高企业生产管理水平,提升企业核心竞争力。2018年4月,恒跃结合自身发展需要和山西省经信委的积极推动下,与中国电信制造行业信息化应用基地(上海理想信息产业有限企业)和山东恒远智能科技有限企业签订战略合作协议,正式启动数字化管理转型升级项目,重点推动企业内部的数字化协同制造,优化企业内部资源配置,缩短产品制造周期,加快制造速度,降低制造成本。
      中国电信拥有全球最大的宽带互联网络和技术领先的移动通信网络,中国电信制造行业信息化应用基地(上海理想信息产业有限企业)利用自有建设的翼联betway体育亚洲版入口平台,加快推进企业信息化和智能化建设,实现企业由传统制造向智能制造的转型升级,并充分利用中国电信的优势资源与betway体育亚洲版入口技术,为企业数字化协作赋能。
      山东恒远智能科技有限企业作为项目的主要实施单位,聚焦于betway体育亚洲版入口前沿技术研究,主要从事基于必威体育数据采集的制造信息化系统研发,专注于必威体育企业信息互联建设与数据云端计算,利用基于数据采集、数据建模、数据仿真、数据分析等算法技术,为企业建设基于移动管理的数字云工厂整体规划与实施,对企业实现数字化、网络化、智能化转型升级提供有利支撑。

一、项目概述
恒跃集团数字化云工厂项目是基于电信必威体育PON网络和恒远智能科技的智能网关数采技术、数字化车间产品,建立由订单开始-订单统筹-订单实行-订单交付完整的数字化制造管理协同平台,实现了端到端的数据集成与应用。
1. 项目背景

(1)企业背景
恒跃集团拥有先进的锻造技术与设备,能够利用锻压机械对坯料进行120mm-5000mm 法兰的加工制造,所生产的法兰产品具有良好的机械性能、非标类的形状和尺寸。但企业的运营管理水平已达不到企业快速发展的需要,企业的运营管理方法急需转型升级,恒跃集团发展面临以下几个突出问题和潜在需求:
  1. 产品种类多,客户下达订单频度高,但工厂内部整体响应速度慢,订单进度不透明,无法满足客户订单交付需要。
  2. 计划统筹与组织能力弱化,造成各生产工序脱节,生产协同性差。
  3. 车间生产加工与计划脱节,生产数据不透明,潜在浪费严重,生产成本高。如无法对设备、人员的生产效率进行有效评估,管理精细度低。
(2)行业背景
现代法兰锻造业在欧美等发达国家已有上百年的历史,先进的锻造工艺和锻造技术一直由德国、美国、日本和俄罗斯等国垄断。我国锻造业起步较发达国家晚,但随着经济发展水平的提高,我国锻造技术和工艺水平进步很快,很多产品已实现国产化,部分产品已出口至国外,近年我国锻件制造业迎来了快速发展的新时期,年均复合增长率达 7.72%,并呈稳定增长。

图1中国锻件产量推移

 
(3)项目可行性与资源优势
恒跃的产品特性与锻造技术决定了工厂生产以设备加工为制造主体,所有的人员、物料、方法、工具等生产要素都要经过以设备为单元构成的加工中心,并且生产检验过程使用的锻造、热处理、材料检测、机械加工等精密仪器与设备,为项目的智能联网和数据采集提供了物理基础。


图2 法兰锻件工艺


 

2. 项目概况
恒跃集团数字化协同制造项目整体规划以底层的必威体育级网络搭建与设备数采为技术支撑,以各生产要素集成的数字化工位搭建为系统核心,车间级综合数字化管理平台为数据应用载体,以必威体育级微应用APP为数字化系统的重要延伸。主要分为以下几个实施阶段:

图3  项目总体规划

 
  1. 设备联网与数据采集:以电信的必威体育网络为基础进行车间必威体育网络的整体升级,搭建设备运行与数采的网络基础设施。应用恒远科技的设备数据采集技术,根据不同的设备接口与通讯协议设计数采方案,利用数采终端EverMonitor实现设备级的联网与数据采集。
  2. 数字工位搭建:集合设备加工的人员、物料、工具、作业方法、技术图纸等生产要素数字化,结合设备自身状态监控、加工参数采集,形成完整的工位级数字化管理生态。
  3. 车间级数字化管理平台:综合订单管理、计划管理、品质管理、工艺管理、异常管理、效率管理等多个模块及功能应用,实现对车间的全方位的数字化升级管理。
  4. 必威体育级微应用APP:针对恒跃特定的应用场景,开发移动端的微应用,快速有效的解决实际问题。
 
3. 项目目标

(1)制造协同化
复杂的生产工艺路线,导致整个制造链条信息冗杂,管理难度高、生产成本高、生产速度与效率低,通过数字化平台,将工艺-制造-检验-仓储-物流-交付-服务等各个环节打通,进行数据集合与应用,实现协同设计、协同制造及供应链协同。
(2)设备管理智能化
系统基于智能网关、物联网、数据采集、数据分析、边缘计算等先进技术,对设备数据进行全面的采集、分析、应用。系统从设备状态、设备异常、产品加工数量、加工工时、设备利用效率等方面进行实时设备数据采集与应用,助力企业设备管理的全方位数字化改造升级,实现降本增效的目标。


二、项目实施概述
恒跃集团数字化云系统建设项目一期主要以数字化协同制造为目标,重点是对企业内部制造过程进行数字化升级改造。
1. 项目总体架构和主要内容


图4  项目总体架构


 
恒跃协同制造数字化平台总体架构主要分为:流程层、设备联网与数采层、数据中心模型层、应用平台与微应用层。
(1)流程层架构设计
首先在系统进行流程建模与模型设计,对企业整体业务进行价值流分析与设计,从工艺图纸设计、原材料采购、下料、制坯、模锻、辗环、热处理、性能测试、机加工、钻孔、打标、检验与包装发货,进一步定义数字化匹配的标准业务流与工艺流。


图5  产品制造工艺流程


 
(2)设备联网与数采层
基于中国电信的必威体育以太网、必威体育总线等通信协议,4G网络、NB-IOT等无线通信协议将设备接入网络;通过EverMonitor采集设备进行加工参数、设备状态、故障分析与预警等实时数据采集,内部集成了多种采集协议,兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等多种必威体育通信协议和App通信接口,能够实现数据格式转换和统一,另一方面基于EverMonitor的内置高性能芯片与处理系统,能够将数据从边缘侧传输到云端,实现数据的远程接入。


图6  设备联网与数采结构图


 
(3)数据中心模型层     
所有采集的数据会存储到数据中心模型集成库,除了存储功能,核心功能是封装了多种必威体育技术、管理技术、机器学习、数理统计的算法,实现机理建模,能够对历史数据、 实时数据、时序数据进行聚类、关联和预测分析。


图7  设备联网与数采模型


 
(4)应用平台与微应用层
基于恒跃特定的生产制造问题,建立一体化的数字化车间管理应用平台,实现端到端的数据集成与应用。建立由订单开始-订单统筹-订单生产-订单交付完整的数字化制造管理协同平台,将技术-采购-制造-仓储-物流-交付-服务等环节打通,进行数据集合与应用,实现协同设计、协同制造及供应链协同。


图8  数字化管理平台方案


 
  1. 搭建数字化管理平台,建立订单开始-订单统筹-订单实行-订单交付完整的数字化制造管理协同平台。


图9  数字化管理平台

 
  1. 基于关键工序与瓶颈设备,集成人员、设备、工艺、方法等生产要素,建立以设备加工中心为核心的数字工位


图10  数字工位


 
  1. 基于特定场景,深度挖掘数据价值与用户行为分析,开发移动端的必威体育APP微应用服务,如异常管理微应用、订单实行管理平台微应用、质量检验微应用等。

图11  必威体育APP微应用服务
 
 
  1. 全面的可视化运营决策数字化管理平台与移动领导驾驶舱应用。


图12  运营中心与领导驾驶舱


 

图13  车间生产信息可视化

 


图14  仓库库存信息可视


 
2. 网络互联架构
必威体育PON网络系统是中国电信立足于构筑新一代智能通讯网,在对传统必威体育交换机系统研究基础之上,结合最尖端的无源光网络通讯技术的发展,创新出的一套安全、可靠、融合、先进的综合解决方案。同时通过智能网关实现系统信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。
项目通过必威体育PON网络系统为企业构建双冗余容错环网,确保生产网络出现连接中断的情况时,马上启用另外一条通路,使网络通信的可靠性大大提高。
车间现场采用移动终端通过无线网络接入,但是车间现场环境复杂,电磁干扰密布,为了满足车间现场对生产数据采集的稳定性需求,采用必威体育级全向无线AP,高密负载均衡,所有终端自动被接入到附近最优AP,保证系统稳定运行。

 
3. 安全及可靠性
系统采用云服务部署(天翼云),云计算技术保障云主机安全,具有动态迁移、双机热备、计算资源负载均衡、自动故障迁移、快照备份、集中存储、系统模板等云计算的优秀功能,能充分保障系统的高安全、高可靠性和高稳定性。同时具有部署快,业务快速上线,弹性扩展强,简化运维流程,降低运维成本,资源利用率高,降低成本等优点。


图15  系统云部署


 
系统的采用Web多层架构,扩展容易,运行稳定,以WebService开放对外服务,APP 入口调用这些接口实现业务需求,无需部署终端,严密分级分类权限控制,同时兼容移动设备浏览功能。


图16  App架构图

 

三、下一步实施计划


图17  项目计划

 
1. 项目实施计划
项目建设期限为2018年~2020年,分三期建设。
一期:(2018)主要以建设数字化协同制造为目标,重点是企业对内部制造过程进行数字化升级改造,建立数字化车间管理平台。
二期:(2019)主要以高效运营管理和建设数字化工厂为目标,重点是通过产品管理和设备全面数字化管理,实现制造过程数字化。
三期:(2020)实现供应链集成和智能化管理,最终实现智能制造的目标。
2. 行业大数据平台
进行行业数据与资源整理,建立法兰锻造行业的制造大数据平台,为行业内的锻造企业提供数据仿真模拟、数据存储、大数据分析服务。结合行业发展特点,以特色制造业和产业聚集区为载体,打造法兰锻造行业betway体育亚洲版入口平台。



四、项目创新点和实施效果
1. 项目先进性及创新点
(1)设备联网与数采技术应用
基于恒远科技EverMonitor的设备联网与数采技术,设计多协议、多设备的标准化集成采集技术方案。如设备联网并实时监测锻造车间的锻造设备、热处理设备炉温曲线,机加工设备转轴与进刀速度等工艺参数,实现智能监控预警功能。
(2)必威体育级APP微应用
基于恒跃的数字化管理平台,结合客户瓶颈工位与关键问题,深度挖掘数据价值与用户行为分析,开发应用了多个必威体育APP微应用。如异常管理数字化APP,可解决异常频发、管理链条长的问题;订单管理和生产现场进度管理APP,解决订单生命周期管理数字化的问题等。

2. 实施效果

(1)制造速度提升通过订单的数字化车间管理平台,减少销售、工艺、计划、采购、生产、质检之间的信息不协同问题,提高计划组织的准确性,产品生产周期缩短20%(平均由38天减少到29天)。
(2)效率提升制造数据的可视化与领导驾驶舱的搭建,为运营决策提供大量的数据支撑,并为管理者提供KPI管理实时工具,降低管理难度,提升管理效率,异常问题关闭率提升20%(60%提高到80%)。

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