十、我国线材制品行业智能车间建设展望

发布时间：

2022-04-28

作者：

来源：

浏览量：

127

十、我国线材制品行业智能车间建设展望

1、当前国内外同行业智能车间建设情况
《中国制造2025行动纲要》明确了15个重点发展领域和主攻方向，聚焦先进制造、高端制造、智能制造，特别是针对国内大量存在的中小型离散制造企业，其电子化、自动化程度普遍很低，互联网+以及智能制造领域相关产业是未来发展的主要方向，属于产业的初级发展期。
目前线材制品企业智能化水平参差不齐，仅有10%左右的大企业智能制造水平较高，尚有90%的企业智能化程度未成熟。据中国机械工业联合会调研200家制造企业所发布的首份中国智造现状及前景报告显示，“中国智能制造处于初级发展阶段，仅16%的企业进入智能制造应用阶段。”
2、企业建设智能车间的目标展望
线材制品企业实施工业互联网和智能车间的目标展望是：
（1）互联：互联工业4.0的核心是连接，离散制造业互联网平台和生产车间物联网平台实现了把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起，实现一个统一的互联网+平台。
（2）大数据：连接各类工业大数据包括：产品数据、设备数据、研发数据、工业链数据、运营数据、管理数据、销售数据和消费者数据，并提供工业大数据分析模型。
（3）云平台：所有功能都通过微服务模式实现，摒弃了传统管理软件繁琐的安装部署过程，并且大幅度地减少了客户的TCO（总体拥有成本）。
（4）集成：一方面通过物联网技术将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS（Cyber-Physical Systems）形成一个智能网络；另一方面，和其它生产管理软件如CRM、ERP、MRP、MES等实现横向、纵向和端到端的高度集成。
（5）创新：云平台的实施过程是制造业创新发展的过程。制造企业通过实施工业互联网，其制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新，将会层出不穷，从技术创新到产品创新，到模式创新，再到业态创新，最后到组织创新。
（6）转型：对于线材制品企业来说，转型实际上是从传统的工厂，从2.0、3.0的工厂转型到4.0的工厂，整个生产形态上，从大规模生产，转向个性化定制。通过实施工业互联网平台，使得整个生产过程更加柔性化、个性化、定制化，从而更具行业竞争力。
工业互联网概念最早由通用电气（GE）在2012年提出，本质在于把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密连接起来，推动整个制造服务体系智能化，以帮助制造业拉长产业链，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，提高生产管理效率。
据麦肯锡预测，截至2025年前工业互联网每年可产生高达11.1万亿美元的收入——如何利用工业互联网实现制造业的高质量发展与全面升级，已成为包括德、美等全球各国的重要发展命题。
工业互联网平台，是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，构建更精准、实时、高效的数据采集体系，建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台，实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化，以工业微服务应用的形式服务于企业各类创新应用，最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态。
智能车间的建设目的，就是运用现代信息技术，把先进的管理思想与方法引入管理流程并改造流程，提升设计研发、物流储运、过程制造、采购销售、设备维修、资产管理、能源计量、检验化验、人力资源、移动办公、智慧决策管理水平和效率，降低制造成本，提高产品质量和客户满意度，提升企业的市场竞争能力。
3、智能车间建设的关键技术分析
在线材制品行业推进智能车间建设，需要开发以下几项关键技术：
（1）基于公有云的离散制造业互联网架构
第一层是生产车间的边缘，通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。

第二层是IoT平台，基于通用 PaaS 叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统。一是提供工业数据管理能力，将数据科学与工业机理结合，帮助企业构建工业数据分析能力，实现数据价值挖掘；二是把技术、知识、经验等资源固化为可移植、可复用的工业微服务组件库，供开发者调用；三是构建应用开发环境，借助微服务组件和工业应用开发工具，帮助企业快速构建定制化的工业服务技术。
工业互联网IoT Hub可用于管理数上千万的离散制造企业物联网设备，提供云端与设备之间的双向通信支持，每月可处理数以亿计的信息，并简化了与其它云服务之间的集成，包括智能看板系统和营运大数据分析等。
为了支持多租户及SaaS服务，开发了一套基于公有云的IoT负载均衡技术，它建立在现有网络结构之上，提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
工业互联网IoT Hub支持MQTT等IoT传输协议，支持HTTPS安全传输，同时在传输性能上做了优化，以适应车间数据的实时通信要求。
从安全线角度考虑，IoT Hub提供4A级(认证Authentication、账号Account、授权Authorization、审计Audit)统一安全管理平台解决方案。
第三层是应用，形成满足企业不同场景的工业SaaS和工业APP，形成工业互联网平台的最终价值。一是提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用；二是构建了良好的工业APP创新环境，使开发者基于平台数据及微服务功能实现应用创新。
为有效地控制整个生产过程，根据生产工艺的连贯性、分布位置、控制要求，对控制系统分级、分区域进行配置，通过Modbus、Profibus现场总线、以太网、物联网等，采用网络技术，构成生产工艺对象的三级自动化控制系统的分级结构。
自动化控制系统包括了基础自动化控制PLC系统(L1级)、过程控制计算机HMI系统(L2级)，按照一体化的方式进行设计。智能仪表过程监控由仪电一体的基础自动化控制系统PLC完成。在操作台的HMI操作站上操作，系统的过程参数监视，过程参数设定、调整和报警确认等均通过HMI完成。
（2）面向离散制造业的运营管理云平台
MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时，MES能及时做出反应、报告，并利用当前的准确数据对他们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少内部没有附加值的活动有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

几乎所有的MES系统运行到最后，无论如何从数据库层面，软件架构层面，应用流程层面去优化它，都将碰到性能的天花板。我们分析过所有出现性能问题的MES系统，发现80%的性能问题可以在系统上线后的2年之内能得到合理的优化，但是，当优化到最后，磁盘的IO吞吐的瓶颈成为了MES系统性能的最终屏障，它会阻碍整体性能，系统变慢，操作卡顿，生产线用户开始抱怨不已，系统运维的压力陡然增大。
智能车间系统是国内领先的面向离散制造业的运营管理云平台。通过该系统，企业不需要搭建专门的运行环境，可以通过较低的投入来管控整个生产流程，做到生产管理信息的采集、传递、集成和追溯，并具备如下主要功能特点：
·生产订单看板管理
·订单分析看板
·基于看板的动态排产和生产计划
·车间生产流程看板
·生产数据采集和分析看板
·质量管理看板
·内部沟通和报警看板
·生产信息追溯看板
·高可靠性和高安全性，包括三个方面：身份认证(由Yihengine IoT Hub提供)、SSL传输以及云端数据库加密。
（3）智能手持终端
通过在手持终端上开发MQTT协议栈的技术来解决生产车间的网络传输性能瓶颈问题。一方面，当网络通畅时候提供车间数据的实时传输；另一方面，当网络带宽受限甚至中断的情况下，能够保证数据不丢失。
MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
·使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；
·对负载内容屏蔽的消息传输；
·使用 TCP/IP 提供网络连接；
·有三种消息发布服务质量：“至多一次”，“至少一次”，“只有一次”；
·小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；
·使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
智能手持终端面向离散制造企业的生产车间管理，实现了生产管理的无纸化、电子化和数据化。针对车间的生产及网络环境特点，研发过程中主要攻克了2大难题：①在网络信号不稳定、甚至断网的情况下如何继续组织生产和采集生产数据；②通过工业互联网平台如何双向、实时、稳定地传输数据。
智能手持终端主要功能包括：
·针对离散企业的生产计划工单下发
·操作工执行工单任务
·操作工查询产品参数和生产工艺
·在制品识别（扫面条形码或二维码）
·支持精益生产流程
·数据采集（支持手工录入和SCADA方式）
·车间内部Andon报警功能
（4）工业互联网技术
工业互联网最基础的是车间设备联网，需要解决如下4类关键问题：
·协议转换和云端协同技术
企业联网平台均提出了协议转换和云端协同技术方案，实现设备、传感器、PLC、控制系统、管理软件等不同来源的海量数据在云端的集成与汇聚。基于网关的多协议转换正获得普遍应用，通过将数据采集转换模块 Predix Machine部署在现场传感器、控制器和网关，利用OPC UA 技术实现工业以太网、工业总线等不同协议的转换。面向设备远程管理业务，通过“软件网关”实现对行业通信协议的支持，并通过在设备端部署数据采集模块，实现通用协议兼容和私有协议转换。
·边缘数据处理和缓存技术
工业生产过程中高频数据采集，往往会对网络传输、平台存储与计算处理等方面带来性能和成本上的巨大压力，我们研发了在边缘层进行数据的预处理和缓存的技术。一是在边缘层进行数据预处理，剔除冗余数据，减轻平台负载压力。基于敏捷网关，大幅缩短业务上线时间，降低运营成本 50%以上。二是利用边缘缓存保留工业现场全量数据，并通过缓存设备直接导入数据中心，降低网络使用成本。例如，以100TB级别的容量支持现场数据临时存储，通过实体运输将数据上传到数据中心，简化数据传输过程并尽可能减少设置与集成工作。
·分析技术
为了更好满足工业用户的实时性、可靠性要求，我们将计算能力下放到更为靠近车间设备数据源头的网络边缘侧。一是边缘层直接运行实时分析算法，新增了机器学习、认知服务、流数据分析等功能，支持在嵌入式边缘设备上运行复杂分析和人工智能算法，基于 IoT Edge 在边缘实现了流数据分析和机器学习算法，使故障处理时延从云端处理的 2 秒缩短到边缘处理的 0.1 秒。二是边缘与平台协同，实现模型不断成长和优化，能够实时发现边缘设备异常，并与云端分析交互共享，实现模型迭代生长。
除此之外，工业互联网的安全需求也是不可或缺的。
我们可从工业和互联网两个视角分析。从工业视角看，安全的重点是保障智能化生产的连续性、可靠性，关注智能装备、工业控制设备及系统的安全；从互联网视角看，安全主要保障个性化定制、网络化协同以及服务化延伸等工业互联网应用的安全运行以提供持续的服务能力，防止重要数据的泄露，重点关注工业应用安全、网络安全、工业数据安全以及智能产品的服务安全。因此，从构建工业互联网安全保障体系考虑，企业工业互联网安全体系框架，如图所示，主要包括五大重点，设备安全、网络安全、控制安全、应用安全和数据安全。
·设备安全是指工业智能装备和智能产品的安全，包括芯片安全、嵌入式操作系统安全、相关应用软件安全以及功能安全等。
·网络安全是指工厂内有线网络、无线网络的安全，以及工厂外与用户、协作企业等实现互联的公共网络安全。
·控制安全是指生产控制系统安全，主要针对 PLC、DCS、SCADA 等工业控制系统的安全，包括控制协议安全、控制平台安全、控制软件安全等。
·应用安全是指支撑工业互联网业务运行的应用软件及平台的安全，包括各类移动应用;
·数据安全是指工厂内部重要的生产管理数据、生产操作数据以及工厂外部数据（如用户数据）等各类数据的安全。
在保证系统可用性前提下，对工业控制系统进行防护，实现“垂直分层，水平分区。边界控制，内部监测”。
“垂直分层、水平分区”即对工业控制系统垂直方向化分为四层：现场设备层、现场控制层、监督控制层、生产管理层。水平分区指各工业控制系统之间应该从网络上隔离开，处于不同的安全区。
“边界控制，内部监测”即对系统边界即各操作站、工业控制系统连接处、无线网络等要进行边界防护和准入控制等。对工业控制系统内部要监测网络流量数据以发现入侵、业务异常、访问关系异常和流量异常等问题。
系统面临的主要安全威胁来自于黑客攻击、恶意代码(病毒蠕虫)、越权访问(非授权接入、移动介质、弱口令、操作系统漏洞、误操作和业务异常等，因此，其安全防护应在以下方面予以重点完善和强化，具体如下:
·在HMI操作终端、工艺终端上安装防病毒软件配合终端安全管理系统，可实现操作终端、工艺终端的 USB、光驱、无线等接口进行严格外设控制;
·对工业控制网络进行安全配置核查审计，对于安全配置较差的设备在保证生产的前提下进行安全配置修改，实现对工控网络设备安全配置进行审计与完善;
·根据数据传递方向在生产管理网与管理网间部署网闸或工业防火墙，在机台前部署 CNC 防护装置，实现了阻断来自管理网的非法行为和对机台的非法行为的访问控制;
·在生产车间部署工控异常监测系统，实时监测针对工控系统入侵行为及异常行为。
·在机台前端部署适用于工业现场的专用防火墙，对工控异常访问行为及违法操作进行安全防护。
·部署工控信息安全统一管理平台，用于对工业控制环境的统一安全管理，在实现网络进行可用性与性能的监控、事件的分析审计预警、风险与态势的度量与评估、流行为的合规分析的同时，还承载着对工控安全设备统一管理的职能，是工业控制网络信息安全管理的统一平台。
（5）面向离散制造业的运营大数据分析技术
从最底层的基础设施混合云，把各种不同的数据源有序存储管理，提供数据服务、分析服务，形成数据化产品，带动从设计研发、离散型生产制造、运维服务、供应链伙伴、到最终用户等各个业务领域的数字化转型。

工业4.0实现进程

我们采用的工业互联网，是一种云服务，帮助企业捕捉、自动做出和管理经常出现、基于规则的重复业务决策。通过使用该服务，业务用户基本无需IT 帮助和购置硬件和软件，即可快速启动业务规则管理项目，从而达到节省成本的目的。利用每台生产设备上历史和实时的机器数据，在生产优化、核心部件故障预测、不同环境下的策略调整领域做了大量机器数据挖掘工作，已经产生极大的经济效益。这些大数据场景使得企业发现，机器数据真的有价值，真的可以驱动企业数字化转型战略。其功能特点为：
·在云环境中快速实现价值、可扩展性和可用性
·降低业务规则管理项目的成本和工作量
·包含集成的云端存储库以及管理组件，使业务用户能够保存和管理自己的业务决策
·包含离散制造生产运营规则，通过运行时组件自动执行决策逻辑
4、智能车间示范项目介绍
以金属拉拔车间为例，主要工艺设备有：双丝预处理作业线、直进式大拉机、直进式中拉机、制绳钢丝线、电镀线、皂液循环系统、水箱拉丝机等等。通过物联网、大数据等新技术与生产制造的深度融合，利用人机交互、多工序的关联优化技术，对金属拉拔车间现有装备、运营管理模式进行全面优化，构建实时互联、柔性制造、高效协同的“智能制造”体系，实现装备从自动化向智能化转变。

智能车间生产管理运营协同平台

生产管理运营平台，一方面承担核心的生产管理功能；另一方面，能够贯通ERP及企业运营的各个管理模块，包括采购管理、销售管理、库存管理、设备管理、质量管理和财务管理等等，消除信息孤岛，达到业务数据和业务流程的整体融合。
该平台超越MES和MOM的功能，由七个看板组成，分别是：订单看板、计划看板、操作看板、设备看板、质量看板、库存看板、统计分析看板。通过这七个看板为企业提供全方位的即时生产信息，让管理人员随时看到生产状况、实时知道生产结果。

智能看板的应用范围包含生产计划部、车间主任、班组长、一线操作工人、质检部门、库存管理人员、企业管理层以及销售业务员。业务流程涵盖了从生产订单录入、产品分解、生产计划、作业计划、工单分发以及最终工单的执行，详细记录生产制造的全过程信息，并对信息进行实时反馈。通过标准化的操作，提高管理团队工作效率，提升产能利用率，全面并持续改进生产组织效率。
车间操作（班组长/操作工人）全部采用手持式智能终端，包括：生产计划和指令的下达、交接班、产量数据录入等等。
其他人员的操作终端可以是PC机Web界面、平板电脑或手机（Android或iPhone）。

本实施方案包括公司下属的所有实体和车间，生产运营管理平台的功能包括：
（1）订单看板
订单甘特图：通过图形化界面直观的显示每个订单当前的生产进度，提供该订单在每个工序上的生产进度、实际生产状况与计划的匹配情况、以及当前订单的交付状况等。帮助管理人员及时掌握订单整体情况，交期评估更合理，接单插单更从容。
手机跟单：提供微信、手机APP、PC端的跟单功能，满足业务员、销售员、管理者以及客户的跟单需求，提升沟通效率。

（2）计划看板
计划看板分为生产计划（生产管理部负责）和作业计划（车间主任负责）两个部分。生产计划提供拆分、合并、关联、终止等多种操作方式，将生产任务落实为一段时间（如一周）的产量计划和进度计划，形成生产任务包。生产计划将一个个生产任务包下发至车间作业计划。作业计划将生产任务包具体落实机台和操作人员，并下发工单。
同时车间现场将生产数据实时反馈至计划看板中，随时掌握计划执行进度。增强计划人员对现场的掌控力，通过各项报表数据的支撑，让排产有章法、有节奏、更科学、易控制。更好的达到产线平衡，实现物料有序衔接。
计划看板还提供生产计划和作业计划的模拟功能，大大方便了计划的拟定、更新和优化。其特点是：
·统一设计BOM表、供应链、工艺路钱
·在此供应链之上构建自动化和信息化系统
·自动化和信息化系统基于统一的BOM表进行集成
·基于BOM表和质检、采购、销售、财务等系统进行集成
·基于BOM表和集团MES/ERP系统进行集成
实现异常情况下的重组调度，以及多种工艺路线情况下，人机协同的动态生产调度技术。包括生产设备运行状态实时监控、故障报警和远程诊断分析情况，生产任务指挥调度、车间作业计划生成情况，生产制造过程中物料投放、产品产出数据采集传送情况，生产制造过程根据计划、物料、设备等数据变化和异常自动动态调度情况。

（3）操作看板
班组长通过智能终端对工单进行统一管理，接收、处理异常报警情况，同时系统自动记录报警事件。
操作工通过智能终端详细记录工单从下发到完工或终止过程中的每一个操作节点。包括调产、停机、收线、换班、自检等。同时，通过智能终端可对各种停机原因进行记录，发送报警请求，如：停机待料、质量异常、设备故障等。
系统详细记录了工单从下发到结束过程中发生的所有事件，帮助管理人员对生产进行监控，同时可以对产品的生产全过程进行事后追溯。

通过车间生产管理、物料管理系统，原料盘条、拉拔钢丝的物料信息如“机台号、钢号、规格、强度、工号”等信息由移动式标签打印终端生成信息、打印文字及二维码标签、并录入物料信息化系统；后流转到产成品电镀丝工序，电镀丝的物料信息如“机台号、线位号、规格、强度、镀层、工位号”等信息由移动式标签打印终端生成信息、打印文字及二维码标签、并录入物料信息化系统；管理人员可实时掌握生产制造过程中物料投放、使用进度，产品产出进度信息，方便管理人员掌握车间作业计划及作业计划完成情况，在生产制造过程中计划、物料、设备等数据变化和异常时自动动态调度情况。
由于实现了生产车间的无纸化生产，操作工人需要随时查询生产工单以及相应的生产工艺参数。通过在手持终端开发智能缓存算法，我们可以屏蔽网络不稳定带来的冲击，保证工人始终可以正常地执行生产任务。
（4）设备看板
设备看板展示出设备的运行状况，每台设备生产什么、哪些机台在运转、哪些机台在停机，通过电子显示屏幕集中呈现。同时也提供实时的开机率（OEE，稼动率）分析，帮助企业更好的进行效率分析，找出一段时期内效率的损失情况，有针对性的进行改善提升。
通过基础自动化控制系统(L1级)、过程控制计算机系统(L2级)与车间生产管理系统的数据通讯，管理人员、操作人员可对生产设备运行状态实时监控、了解故障报警信息、依据历史曲线等大数据分析远程诊断分析情况。
通过设备管理系统，设备维护人员远程或赶赴设备现场，对故障设备进行维修，确保生产设备的稳定运行。