工业4.0助力阀门制造企业智能化转型

发布时间：2018-01-31 作者：林君来源：e-works

关键字：中国制造2025 智能制造工业4.0

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阀门制造是传统制造型企业，提供基于产品全生命周期的智能制造整体解决方案，帮助自动化程度普遍较低的传统企业成功实现智能化转型。

1.前言

阀门制造企业的自动化程度普遍比较低，基本是单机生产，没有形成自动化流水线，还没有达到工业3.0的自动化程度。随着国务院提出“中国制造2025战略”，以及市场对小批量定制化生产需求日益增加，越来越多的阀门制造企业迫切需要智能化转型。如何让阀门制造企业从自动化程度比较低，直接转型升级到智能工厂，是本文所解决的问题。

2.项目背景

大通互惠集团有限公司，是国内同行业最大单体阀门制造企业，在全国率先成功研发4000米深海阀门和零下196度超低温阀门产品。大通作为中国新兴的阀门专业制造商,以工业阀门整体解决方案供应商为定位，致力于工业阀门的专业化研发、生产、销售和服务。生产特点是订单拉动、小批量定制化生产。生产流程：铸造、机加工、装配、耐压测试、包装运输。

在中国制造2025政策提出的大环境下，大量传统制造企业希望通过智能化转型来适应市场小批量、定制化生产的需求，提高企业在市场的竞争力。企业的需求如下：

基于产品全生命周期的管理

建成先进的智能制造工厂

降低生产成本、提高生产效率

3.技术实现

3.1 智能工厂整体规划

阀门制造企业是以订单拉动生产的离散制造企业，智能工厂的规划基于产品生命周期的各个环节规划制造管理系统，这些环节包括：产品订单、产品设计、原材料采购、物流/库存/供应商管理、生产制造和售后服务（预测性维护）。结合运营管理，规划了4大平台，领导驾驶舱、智能产品设计平台、智能产品制造平台和全球运维平台。系统数据流转图见图1。

图1 产品全生命周期管理

智能制造工厂围绕这两大特点进行设计规划：各个系统之间信息畅通以及融入机器学习和大数据分析技术，让系统具备自我决策和自我学习能力。

3.2 智能制造平台

智能制造平台由MES、机器人、CNC、AGV小车和PLC控制系统组成。MES是智能制造的核心，起到承上启下的作用，是连接ERP、PLM、WMS、自动化控制系统的桥梁。MES解决方案，包含生产排程、生产管理、设备管理、质量管理、维护管理、物料管理等模块。订单、生产计划、生产设备的自动生产控制等重要信息都集中在MES管理，MES相当于智能制造的大脑，协调和控制整个生产过程，并把产品生产的进度和质量集中管理，同时对设备的运行情况进行实时监控，通过对海量数据分析，实现预测性维护，减少非计划停产时间，提高生产效率，降低生产成本。

图2 MES是智能制造的核心平台

智能排产

根据企业的实际生产情况，建立自动排产的数学模型，基于输入的信息，自动生成排产计划。输入的信息包括ERP的订单、订单的优先级别、原材料库存、生产设备状况、生产节拍、人力资源等。并把排产计划发送给生产车间手持终端和加工设备，自动或手动启动生产设备开始生产。自动模式下，MES分别给AGV小车发送指令，AGV小车自动到仓库领料，机器人自动抓取生产工件送入到加工设备中。整个过程自动完成，不需人工干预。

图3 智能生产

质量管理

MES收集加工过程中的实时数据，实时跟踪加工质量。生产车间内有关键点的质量检测设备，MES与质量检测设备实时通讯，采集质量检测设备的测试数据，实时与生产线联动，在每个生产工位控制生产质量。当检测不合格时，对产品进行维修或再加工，还是达不到质量要求的，需要进行报废处理。MES对质量数据进行统计分析，采用六个西格玛分析管理方法，并结合大数据分析，对质量控制和改进产品设计提供科学依据。

设备管理

设备的工作状态一般分为正常生产、上电等待生产、故障、维修、停机等状态，对每种状态实时统计分析并结合排产计划，计算设备的OEE指标。与目标值和行业平均值进行比较，有助于客户制定维护计划，提高生产效率，减少非计划停机时间。MES设备管理模块，采集设备报警信息，对信息进行分析处理，为掌握设备使用情况提供客观依据，同事为事件追溯提供帮助。

维护管理

MES中的维护管理模块，根据设备实际情况，设置设备维护计划，在维护到来之前，根据计划性维系提前提醒维修人员，并对生产过程中出现的问题，对生产设备状态数据的分析监控，计划外做好预防性维护，这将大大提高设备的可利用率。

物料管理

MES根据客户订单和生产计划，自动计算出所需要的物料。并发指令给AGV小车，AGV小车根据规划路线，自动前往仓库领取生产所需的物料，在生产线附近不需存放多余物料，在车间设计时能大大减少所需空间，提高场地的利用率。在加工场地旁边仅存放生产计划的加工材料，起到一定防错的作用，避免加工错误的工件。

MES解决方案基于模块化设计研发，客户可以根据的需求灵活选择。基于软件既服务设计开发MES功能模块，客户在定制选择自己需要的模块更加灵活便捷。

自动化解决方案，包含了PLC系统集成、CNC、AGV、机器人、机械设备等，全面应用在机加工生产线和装配线上。自动化解决方案是智能制造的重要组成部分，是生产和装配的控制执行部分。提供的自动化解决方案，全面基于智能制造的需求出发，提供柔性和可扩展性的自动化系统。PLC编程，采用模块化面向对象的方法，在规划之初，针对多型号多产品的生产线和装配线，PLC程序根据MES发送的生产计划，自动运行对应的生产程序，完成生产并把结果反馈给MES。在生产线和装配线投入生产后，客户需要增加新的型号和产品，继续提供升级改造的后续服务。PLC程序柔性对实现小批量、定制化生产起到决定性的作用。CNC的夹具柔性化和程序柔性化同样重要，尤其是夹具的柔性化生产。众所周知，生产不同的产品，换夹具是比较影响生产节拍，耽误生产时间。夹具的柔性，意味着生产不同型号的产品，外形尺寸比较相近时，不需要更换夹具，这将大大提高生产效率，降低生产成本。

3.3 预测性维护平台

预测性维护平台基于大数据分析对海量数据建模，预测产品发生故障的时间和概率，提前进行预防性维护，减少非计划停机时间。大数据平台架构，基于开源Apache平台的Hadoop以及相关组件进行集成开发，并进行优化，在兼容性、安全性、稳定性上进一步获得提升。基于大数据平台对海量数据进行数据采集、数据储存、数据挖掘以及机器学习。其中位于应用层的数据挖掘和机器学习是大数据平台的价值体现，数据挖掘其目的在于提取有用的值，提供论断建议或支持决策，通过对不同领域数据集的分析可能会产生不同级别的潜在价值；基于数据挖掘之上的机器学习则是通过自动地从提供的数据中学习，它会让你的程序变得更“聪明”。可以解决产品售后预测性维护、生产设备监控和健康状态分析、产品研发大数据分析等问题。

图4 大数据分析

3.4 智能产品设计平台

智能产品设计平台由PDM系统和MR眼镜组成。CR（Cinematic Reality），影像现实，主要为了强调与VR和AR技术的不同，是为现实物理世界与虚拟世界的连通提供便捷。其核心在于，“通过光波传导棱镜设计，从多角度将画面直接投射于用户视网膜，从而达到“欺骗”大脑的目的”。有别于通过屏幕投射显示技术，通过这样的技术，实现更加真实的影响，直接与视网膜交互。

SLAM (simultaneous localization and mapping)，即时定位与地图构建这是VR、AR、MR等设备普遍采用的技术，最初被应用在机器人身上。其保障设备在移动过程中，根据位置估计和地图进行自身定位,同时在自身定位的基础上建造增量式地图。具体来说，在MR设备上的应用是这样的：如果你戴着一个封闭式的头盔，如何确保你移动过程中不撞到墙？如何将你在实体世界的每一次移动都映射到虚拟世界？这些都需要SLAM技术的应用。它与现在我们所使用的地图基于GPS、基站定位等技术完全不同，帮助MR设备建立实体世界与虚拟世界的空间映射关系。

ToF（Time of Flight），深度摄像头，旨在给设备提供跟人眼一样的视觉能力。要让设备能够理解你所处的实体世界，它必须要具备认知这个世界的能力。普通摄像头基于色彩记录世界，实体世界光纤被转化为像素，三维世界被二维化的过程中缺失了许多信息，机器再进行逆向识别是非常困难的事情——人眼可基于经验做到，机器很难。深度摄像头可记录更多维度的视觉信息，帮助机器识别距离远近等等，进而提升机器认知世界的水平，对实体世界的模拟水平。

图5 混合现实技术

4.结论

基于产品全生命周期的整体解决方案，研发设计的领导驾驶舱、智能产品设计平台、智能产品生产平台和全球运维平台，实现了工厂智能化转型，所需工厂操作管理人员大大减少，是国内阀门制造企业智能化程度最高的企业之一。传统生产制造企业的智能化转型，大大助力企业降低生产成本、提高生产效率、增强企业的市场竞争力。

参考资料

天曦科技智能制造白皮书

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