法蘭制造行業(yè)網絡化協同制造項目 ——智能網關與云計算應用的實踐案例
恒躍集團位于“鍛造之鄉(xiāng)”山西定襄縣，是一家生產工程機械配套件（挖掘機底座、回轉支撐、動臂支撐、引導輪等）、工程機械鍛件、軸類鍛件及風電法蘭等系列產品的企業(yè)。產品主要應用于工程機械、石油、管道、壓力容器、風力發(fā)電行業(yè)，恒躍集團已成為全球工程機械及法蘭采購商的戰(zhàn)略合作伙伴。
恒躍集團客戶非常優(yōu)質，產品出口到美國、加拿大、墨西哥、巴西、俄羅斯、德國、比利時、日本、韓國、泰國等十余個國家。公司業(yè)務快速成長，訂單數量逐年快速增長，依靠原有生產管理模式無法滿足企業(yè)發(fā)展的需要。面臨的主要問題是訂單種類多，客戶下單頻度高，無法及時掌握訂單交付進度，產品生產周期長，內部生產計劃組織混亂，生產協同性差，重點設備產能不足，資源整體利用率低，同時鍛件的定制化生產與精密加工對企業(yè)的協同設計、協同生產、協同供應鏈提出了更高的要求，大量的技術設計、材料檢測、供應鏈協同、生產加工數據需要記錄、分析、反饋、決策。
2017年恒躍集團入選省級兩化融合企業(yè)名單，積極推進兩化融合工作，致力于建設一個先進的數字化工廠，提高企業(yè)生產管理水平，提升企業(yè)核心競爭力。2018年4月，恒躍結合自身發(fā)展需要和山西省經信委的積極推動下，與中國電信制造行業(yè)信息化應用基地（上海理想信息產業(yè)有限公司）和山東恒遠智能科技有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協議，正式啟動數字化管理轉型升級項目，重點推動企業(yè)內部的數字化協同制造，優(yōu)化企業(yè)內部資源配置，縮短產品制造周期，加快制造速度，降低制造成本。
中國電信擁有全球最大的寬帶互聯網絡和技術領先的移動通信網絡，中國電信制造行業(yè)信息化應用基地（上海理想信息產業(yè)有限公司）利用自有建設的翼聯工業(yè)互聯網平臺，加快推進企業(yè)信息化和智能化建設，實現企業(yè)由傳統(tǒng)制造向智能制造的轉型升級，并充分利用中國電信的優(yōu)勢資源與工業(yè)互聯網技術，為企業(yè)數字化協作賦能。
山東恒遠智能科技有限公司作為項目的主要實施單位，聚焦于工業(yè)互聯網前沿技術研究，主要從事基于工業(yè)數據采集的制造信息化系統(tǒng)研發(fā)，專注于工業(yè)企業(yè)信息互聯建設與數據云端計算，利用基于數據采集、數據建模、數據仿真、數據分析等算法技術，為企業(yè)建設基于移動管理的數字云工廠整體規(guī)劃與實施，對企業(yè)實現數字化、網絡化、智能化轉型升級提供有利支持。
一、項目概況
恒躍集團數字化云工廠項目是基于電信工業(yè)PON網絡和恒遠智能科技的智能網關數采技術、數字化車間產品，建立由訂單開始-訂單統(tǒng)籌-訂單執(zhí)行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺，實現了端到端的數據集成與應用。
1. 項目背景
（1）企業(yè)背景
恒躍集團擁有先進的鍛造技術與設備，能夠利用鍛壓機械對坯料進行120mm-5000mm 法蘭的加工制造，所生產的法蘭產品具有良好的機械性能、非標類的形狀和尺寸。但公司的運營管理水平已達不到企業(yè)快速發(fā)展的需要，企業(yè)的運營管理方法急需轉型升級，恒躍集團發(fā)展面臨以下幾個突出問題和潛在需求：
產品種類多，客戶下達訂單頻度高，但工廠內部整體響應速度慢，訂單進度不透明，無法滿足客戶訂單交付需要。
計劃統(tǒng)籌與組織能力弱化，造成各生產工序脫節(jié)，生產協同性差。
車間生產加工與計劃脫節(jié)，生產數據不透明，潛在浪費嚴重，生產成本高。如無法對設備、人員的生產效率進行有效評估，管理精細度低。
（2）行業(yè)背景
現代法蘭鍛造業(yè)在歐美等發(fā)達國家已有上百年的歷史，先進的鍛造工藝和鍛造技術一直由德國、美國、日本和俄羅斯等國壟斷。我國鍛造業(yè)起步較發(fā)達國家晚，但隨著經濟發(fā)展水平的提高，我國鍛造技術和工藝水平進步很快，很多產品已實現國產化，部分產品已出口至國外，近年我國鍛件制造業(yè)迎來了快速發(fā)展的新時期，年均復合增長率達 7.72%，并呈穩(wěn)定增長。
（3）項目可行性與資源優(yōu)勢
恒躍的產品特性與鍛造技術決定了工廠生產以設備加工為制造主體，所有的人員、物料、方法、工具等生產要素都要經過以設備為單元構成的加工中心，并且生產檢驗過程使用的鍛造、熱處理、材料檢測、機械加工等精密儀器與設備，為項目的智能聯網和數據采集提供了物理基礎。
圖2 法蘭鍛件工藝
2. 項目簡介
恒躍集團數字化協同制造項目整體規(guī)劃以底層的工業(yè)級網絡搭建與設備數采為技術支撐，以各生產要素集成的數字化工位搭建為系統(tǒng)核心，車間級綜合數字化管理平臺為數據應用載體，以工業(yè)級微應用APP為數字化系統(tǒng)的重要延伸。主要分為以下幾個實施階段：
設備聯網與數據采集：以電信的工業(yè)網絡為基礎進行車間工業(yè)網絡的整體升級，搭建設備運行與數采的網絡基礎設施。應用恒遠科技的設備數據采集技術，根據不同的設備接口與通訊協議設計數采方案，利用數采終端EverMonitor實現設備級的聯網與數據采集。
數字工位搭建：集合設備加工的人員、物料、工具、作業(yè)方法、技術圖紙等生產要素數字化，結合設備自身狀態(tài)監(jiān)控、加工參數采集，形成完整的工位級數字化管理生態(tài)。
車間級數字化管理平臺：綜合訂單管理、計劃管理、品質管理、工藝管理、異常管理、效率管理等多個模塊及功能應用，實現對車間的全方位的數字化升級管理。
工業(yè)級微應用APP：針對恒躍特定的應用場景，開發(fā)移動端的微應用，快速有效的解決實際問題。
3. 項目目標
（1）制造協同化
復雜的生產工藝路線，導致整個制造鏈條信息冗雜，管理難度高、生產成本高、生產速度與效率低，通過數字化平臺，將工藝-制造-檢驗-倉儲-物流-交付-服務等各個環(huán)節(jié)打通，進行數據集合與應用，實現協同設計、協同制造及供應鏈協同。
（2）設備管理智能化
系統(tǒng)基于智能網關、物聯網、數據采集、數據分析、邊緣計算等先進技術，對設備數據進行全面的采集、分析、應用。系統(tǒng)從設備狀態(tài)、設備異常、產品加工數量、加工工時、設備利用效率等方面進行實時設備數據采集與應用，助力企業(yè)設備管理的全方位數字化改造升級，實現降本增效的目標。
二、項目實施概況
恒躍集團數字化云系統(tǒng)建設項目一期主要以數字化協同制造為目標，重點是對企業(yè)內部制造過程進行數字化升級改造。
1. 項目總體架構和主要內容
圖4 項目總體架構
恒躍協同制造數字化平臺總體架構主要分為：流程層、設備聯網與數采層、數據中心模型層、應用平臺與微應用層。
（1）流程層架構設計
首先在系統(tǒng)進行流程建模與模型設計，對公司整體業(yè)務進行價值流分析與設計，從工藝圖紙設計、原材料采購、下料、制坯、模鍛、輾環(huán)、熱處理、性能測試、機加工、鉆孔、打標、檢驗與包裝發(fā)貨，進一步定義數字化匹配的標準業(yè)務流與工藝流。
圖5 產品制造工藝流程
（2）設備聯網與數采層
基于中國電信的工業(yè)以太網、工業(yè)總線等通信協議，4G網絡、NB-IOT等無線通信協議將設備接入網絡；通過EverMonitor采集設備進行加工參數、設備狀態(tài)、故障分析與預警等實時數據采集，內部集成了多種采集協議，兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等多種工業(yè)通信協議和軟件通信接口，能夠實現數據格式轉換和統(tǒng)一，另一方面基于EverMonitor的內置高性能芯片與處理系統(tǒng)，能夠將數據從邊緣側傳輸到云端，實現數據的遠程接入。
圖6 設備聯網與數采結構圖
（3）數據中心模型層
所有采集的數據會存儲到數據中心模型集成庫，除了存儲功能，核心功能是封裝了多種工業(yè)技術、管理技術、機器學習、數理統(tǒng)計的算法，實現機理建模，能夠對歷史數據、 實時數據、時序數據進行聚類、關聯和預測分析。
（4）應用平臺與微應用層
基于恒躍特定的生產制造問題，建立一體化的數字化車間管理應用平臺，實現端到端的數據集成與應用。建立由訂單開始-訂單統(tǒng)籌-訂單生產-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺，將技術-采購-制造-倉儲-物流-交付-服務等環(huán)節(jié)打通，進行數據集合與應用，實現協同設計、協同制造及供應鏈協同。
圖8 數字化管理平臺方案
搭建數字化管理平臺，建立訂單開始-訂單統(tǒng)籌-訂單執(zhí)行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺。
圖9 數字化管理平臺
基于關鍵工序與瓶頸設備，集成人員、設備、工藝、方法等生產要素，建立以設備加工中心為核心的數字工位。
圖10 數字工位
基于特定場景，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發(fā)移動端的工業(yè)APP微應用服務，如異常管理微應用、訂單執(zhí)行管理平臺微應用、質量檢驗微應用等。
全面的可視化運營決策數字化管理平臺與移動領導駕駛艙應用。
圖12 運營中心與領導駕駛艙
2. 網絡互聯架構
工業(yè)PON網絡系統(tǒng)是中國電信立足于構筑新一代智能通訊網，在對傳統(tǒng)工業(yè)交換機系統(tǒng)研究基礎之上，結合最尖端的無源光網絡通訊技術的發(fā)展，創(chuàng)新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。同時通過智能網關實現系統(tǒng)信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能。
項目通過工業(yè)PON網絡系統(tǒng)為企業(yè)構建雙冗余容錯環(huán)網，確保生產網絡出現連接中斷的情況時，立即啟用另外一條通路，使網絡通信的可靠性大大提高。
車間現場采用移動終端通過無線網絡接入，但是車間現場環(huán)境復雜，電磁干擾密布，為了滿足車間現場對生產數據采集的穩(wěn)定性需求，采用工業(yè)級全向無線AP，高密負載均衡，所有終端自動被接入到附近最優(yōu)AP，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
3. 安全及可靠性
系統(tǒng)采用云服務部署（天翼云），云計算技術保障云主機安全，具有動態(tài)遷移、雙機熱備、計算資源負載均衡、自動故障遷移、快照備份、集中存儲、系統(tǒng)模板等云計算的優(yōu)秀功能，能充分保障系統(tǒng)的高安全、高可靠性和高穩(wěn)定性。同時具有部署快，業(yè)務快速上線，彈性擴展強，簡化運維流程，降低運維成本，資源利用率高，降低成本等優(yōu)點。
系統(tǒng)的采用Web多層架構，擴展容易，運行穩(wěn)定，以WebService開放對外服務，APP 入口調用這些接口實現業(yè)務需求，無需部署終端，嚴密分級分類權限控制，同時兼容移動設備瀏覽功能。
圖16 軟件架構圖
三、下一步實施計劃
圖17 項目計劃
1. 項目實施計劃
項目建設期限為2018年～2020年，分三期建設。
一期：（2018）主要以建設數字化協同制造為目標，重點是企業(yè)對內部制造過程進行數字化升級改造，建立數字化車間管理平臺。
二期：（2019）主要以高效運營管理和建設數字化工廠為目標，重點是通過產品管理和設備全面數字化管理，實現制造過程數字化。
三期：（2020）實現供應鏈集成和智能化管理，最終實現智能制造的目標。
2. 行業(yè)大數據平臺
進行行業(yè)數據與資源整理，建立法蘭鍛造行業(yè)的制造大數據平臺，為行業(yè)內的鍛造企業(yè)提供數據仿真模擬、數據存儲、大數據分析服務。結合行業(yè)發(fā)展特點，以特色制造業(yè)和產業(yè)聚集區(qū)為載體，打造法蘭鍛造行業(yè)工業(yè)互聯網平臺。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
（1）設備聯網與數采技術應用
基于恒遠科技EverMonitor的設備聯網與數采技術，設計多協議、多設備的標準化集成采集技術方案。如設備聯網并實時監(jiān)測鍛造車間的鍛造設備、熱處理設備爐溫曲線，機加工設備轉軸與進刀速度等工藝參數，實現智能監(jiān)控預警功能。
（2）工業(yè)級APP微應用
基于恒躍的數字化管理平臺，結合客戶瓶頸工位與關鍵問題，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發(fā)應用了多個工業(yè)APP微應用。如異常管理數字化APP，可解決異常頻發(fā)、管理鏈條長的問題；訂單管理和生產現場進度管理APP，解決訂單生命周期管理數字化的問題等。
2. 實施效果
（1）制造速度提升通過訂單的數字化車間管理平臺，減少銷售、工藝、計劃、采購、生產、質檢之間的信息不協同問題，提高計劃組織的準確性，產品生產周期縮短20%（平均由38天減少到29天）。
（2）效率提升制造數據的可視化與領導駕駛艙的搭建，為運營決策提供大量的數據支撐，并為管理者提供KPI管理實時工具，降低管理難度，提升管理效率，異常問題關閉率提升20%（60%提高到80%）。
聲明
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