工程機械燈塔工廠建設(shè)探索

引言

工程機械是國之重器，無論是在能源、交通、水利和科研等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，還是在生產(chǎn)廠房、生活設(shè)施建設(shè)中，已成為保障各類現(xiàn)代工程建設(shè)質(zhì)量、效率、安全和環(huán)保的剛需。伴隨著我國基建與城鎮(zhèn)化的長期高速發(fā)展，國內(nèi)工程機械行業(yè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展，整體已具備國際競爭力。面對新國際競爭格局、新一代客戶群需求、國內(nèi)新一代勞動力擇業(yè)觀和行業(yè)長期特有的強周期性挑戰(zhàn)，過去的跟隨式發(fā)展已然不能滿足新發(fā)展需要。

近年來，中央經(jīng)濟工作會議等著重強調(diào)：“著力推動高質(zhì)量發(fā)展，打造一批有國際競爭力的先進制造業(yè)集群，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平”。然而與大批量離散生產(chǎn)模式的汽車、家電和電子等成熟制造體系不同，工程機械屬于多品種小批量離散生產(chǎn)模式，產(chǎn)品復(fù)雜程度不弱于汽車，但產(chǎn)品差異化遠勝于上述行業(yè)，導(dǎo)致工程機械等重型裝備行業(yè)制造水平明顯落后大批量離散制造業(yè)先進水平。借助我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型政策的東風，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和自主工業(yè)機器人等新興技術(shù)的新動能，我國工程機械行業(yè)以智能制造燈塔工廠建設(shè)為優(yōu)先切入點實現(xiàn)了針對以上問題的原創(chuàng)式探索。本文以工程機械首批啟動高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型升級的燈塔工廠為例進行分析論述。

燈塔工廠方案

2.1需求分析

該工廠是典型的多品種小批量離散型制造模式，集聚了重型裝備制造業(yè)多種典型特征，如工廠訂單淡旺季兩極分化、產(chǎn)品型號多（＞ 200 種）、客制化高（約30%）且尺寸跨度極大（25 ～ 86 m）、結(jié)構(gòu)差異明顯（底盤：2 ～ 5 橋、燃油 / 電動）和產(chǎn)品及工件總體超重超大等。盡管該工廠產(chǎn)品已經(jīng)取得全球領(lǐng)先，但上述特征帶來的生產(chǎn)計劃調(diào)度困難、工藝復(fù)雜、體力勞動強度大、安全隱患較大、耗能較高和招工難等問題成為企業(yè)保持競爭力與更進一步的阻礙。此外，隨著我國互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展與人們生活水平的提升，新一代勞動力對高體力勞動強度、重復(fù)枯燥作業(yè)和臟亂工作環(huán)境的容忍度已降低到危及傳統(tǒng)制造業(yè)長期穩(wěn)定生產(chǎn)的程度。新一代客戶群對產(chǎn)品的智能化、多功能化和節(jié)能化等也有著更高的要求，產(chǎn)品復(fù)雜度、多樣化程度提升也為生產(chǎn)效率與質(zhì)量保障帶來更多的挑戰(zhàn)。讓機器與數(shù)字應(yīng)用代替或減輕新一代勞動力不樂意、不擅長的工作成為一種兩全其美的方案，此舉既提升了工廠生產(chǎn)效率與質(zhì)量，也提升了勞動力工作舒適性與安全性。所以傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)型方向是具備足夠自動化、柔性化、數(shù)字化、智能化和綠色化的智能工廠。作為工程機械龍頭與產(chǎn)業(yè)鏈鏈主企業(yè)，有責任率先探索建設(shè)具備行業(yè)標桿意義的智能制造燈塔工廠。

2.2總體方案

該燈塔工廠建設(shè)需在現(xiàn)有正常運營的工廠上進行改造升級。與全新規(guī)劃、建設(shè)新工廠不同，在正在運營的工廠上改造升級需要兼顧生產(chǎn)保供與改造進度，相對更復(fù)雜但也更具備研究價值。因為在工廠全生命周期中，新建只有一次，改造才是常態(tài)，而且相比推倒重建的方式，改造能夠保留大部分舊有設(shè)備設(shè)施，投資更小、成本更低、周期更短。對大部分傳統(tǒng)工廠來說，在兼顧工廠正常保供交付的情況下，改造更是最經(jīng)濟、最理想的高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型升級方案。該燈塔工廠建設(shè)主要從新興智能制造裝備、技術(shù)研究與應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成平臺升級兩個方向展開。

（1）新興智能制造裝備、技術(shù)研究與應(yīng)用1）中厚鋼板下料成型工藝段。主要包括引進高速自動精細等離子切割機、大噸位智能高速天車，以及自動分揀、清渣、拋光和校平機器人等自動化設(shè)備，升級改造零件智能識別、自動套料、自動折彎和開坡口、全規(guī)格多形零件自動裝框碼放、臺套智能集配，以及切割煙塵凈化等智能控制系統(tǒng)。

2）結(jié)構(gòu)件焊接機加工藝段。針對構(gòu)成產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)的核心部件，完成焊接自動化升級，主要包括引進自動化焊接機器人、柔性變位機、智能吊具和夾具等自動化設(shè)備，升級改造大尺寸和高重量部件自動化組對、柔性工裝、智能圍欄和智能除煙等智能控制系統(tǒng)。

3）結(jié)構(gòu)件涂裝工藝段。針對多種結(jié)構(gòu)件混線噴涂，進行全自動化改造，主要包括引進自動拋丸、底漆和面漆噴涂機器人、自動化輸送鏈等自動化設(shè)備，升級改造在線脫脂、自動調(diào)漆、自動噴淋和烘干、自動噴涂、智能檢測和廢氣余溫循環(huán)利用等智能控制系統(tǒng)建設(shè)。

4）精密零件機加熱處理工藝段。針對液壓系統(tǒng)精密金屬零件與大型機械結(jié)構(gòu)活動連接件，開展機加工作中心的柔性和智能化的升級，形成無人化的黑燈作業(yè)工作島，主要包括引入全自動化上下料、在線檢測、去毛刺、碼垛和包裝等機器人，升級改造熱處理智能調(diào)質(zhì)、刀具自動化檢測、自動打磨和去毛刺等智能控制系統(tǒng)。

5）部裝總裝調(diào)試工藝段。針對主流數(shù)十款 ABC 多系列裝配，開展自動化升級，主要包括引進裝配機器人、自動擰緊機、智能平衡吊和壓裝專機等自動化設(shè)備，升級改造智能加注、智能擰緊、自動化檢測和清洗等智能控制系統(tǒng)，通過調(diào)試現(xiàn)場實時監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析，推進全自動智能調(diào)試。

6）倉儲分揀與物流配送區(qū)域。主要包括大噸位長尺寸自動化立庫構(gòu)建（單件物料重達 5 t，長度達 9 m）、多類型全規(guī)格立庫改造，重載（5 t）AGV 聯(lián)合研發(fā)，以及全廠多類型、多通道、全過程的 AGV 無人化配送和自動化調(diào)度。

（2）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的集成平臺升級改造以智能制造和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造為主線，重點打造 IoT 智能互聯(lián)系統(tǒng)、MOM 協(xié)同制造運營系統(tǒng)、WMS 倉儲配送管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)與 PLM、CRM、ERP、GSP、BPM 流 程 總 線、PO集成總線、MDM 數(shù)據(jù)總線和 DIP 產(chǎn)業(yè)鏈集成下料平臺等基礎(chǔ)平臺的全面集成應(yīng)用，打造可靠、全面和可行的一體化運營與管控平臺，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成平臺架構(gòu)如圖1所示。

1）IoT 系統(tǒng)：基于樹根互聯(lián)自主 IoT 平臺，完成設(shè)備、人員、物料和 6S 等多源結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，建立生產(chǎn)大數(shù)據(jù)管理和分析中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 100% 在線、能源智能監(jiān)控和管理。

2）MOM 系統(tǒng)：主要包括數(shù)字化工藝建模和自動化執(zhí)行、智能化生產(chǎn)執(zhí)行管理、高級計劃排產(chǎn)和預(yù)測及數(shù)字化生產(chǎn)運營等模塊，實現(xiàn)制造全過程 100% 在線、實時、動態(tài)和智能管控。

3）WMS：主要包括倉儲全流程數(shù)字化管理、配送全過程智能化管管控、無人化理貨和智能化盤點等，實現(xiàn)倉儲和配送全過程 100%，提升配送及時率和倉儲到貨率，消滅倉儲“盲點”。

典型場景成效

該燈塔工廠融合應(yīng)用了智造大腦 MOM 系統(tǒng)、數(shù)字孿生、機器視覺、AGV無人配送、AI 機器人群、智能水電油氣表、IoT 及 5G 等智能化技術(shù)和算法，累計智能化升級改造投資 5 億元。實現(xiàn)了生產(chǎn)周期縮短 59%、人均產(chǎn)值提升 83%、單臺制造成本降低 29%，并總結(jié)形成了系列模塊化場景解決方案，成功推廣至集團內(nèi) 45 家智能工廠。重點場景如下：

1）“智造大腦”集成調(diào)度。整合升級MOM、APS、AS、QIS、WMS、PCS、IoT 和 DIP 等系統(tǒng)，構(gòu)建工廠“智造大腦”，如圖 2 所示，實現(xiàn)從生產(chǎn)計劃到成品入庫全過程的數(shù)字化管控。打通銷售計劃、生產(chǎn)計劃及采購計劃，應(yīng)用尋優(yōu)、遺傳、追溯和動態(tài)規(guī)劃等算法，實現(xiàn)主機和結(jié)構(gòu)件計劃協(xié)同制定、生產(chǎn)智能排程，跨工廠跨地區(qū)鋼板切割等產(chǎn)能共享。自主研發(fā)派工算法，精準派工到設(shè)備和個人，實現(xiàn)機器適配性作業(yè)、AGV 自動配送。自主研發(fā)鋼板套料算法，實現(xiàn)最小余料混合套料排版和共邊切割，鋼材利用率整體提升 15%。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)對全場設(shè)備、物料和加工動作進行 1∶1的模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)驅(qū)動，推動制造現(xiàn)場高顆粒度的可視化、透明化?？傮w實現(xiàn)生產(chǎn)周期縮短 59%，訂單準時交付率提升 13%。

2）AI 機器群高柔性制造。通過融合機器人、機器視覺和智能算法形成 AI 機器人群，實現(xiàn) 263 種機型全工藝流程混線柔性制造，如圖 3 所示。包括超大尺寸超強鋼板智能化切割、分揀，多形狀多材料多厚度鋼板智能化折彎和開坡口，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)件自動組對和弧焊，噴漆部件身份識別，液壓閥塊去毛刺、表面粗糙度檢測、閥組自動擰緊等。研發(fā)重工行業(yè)首個深度適配性優(yōu)化的高精度 3D/2D 工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)，實現(xiàn) 10 m 級大尺寸、2 萬種工件、模糊特征材料鋼板亞毫米級測量，準確率達99.99%；應(yīng)用自適應(yīng)點陣磁吸控制技術(shù)實現(xiàn)不同尺寸工件柔性裝夾；自主研發(fā)基于電弧尋位的自動糾偏算法，攻克重型工件易震動工況下穩(wěn)定跟蹤定位問題，焊縫合格率提升 13%；應(yīng)用“智造大腦”、視覺和 RFID 等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)控程序自切換，焊接、噴涂、加注和擰緊等加工參數(shù)自適應(yīng)?？傮w實現(xiàn)人均產(chǎn)值提升 83%，設(shè)備作業(yè)率提升 40%。同時，在重工行業(yè)中小件工件領(lǐng)域首次實現(xiàn)從下料（上海東普）、折彎（埃斯頓）、焊接到庫內(nèi)分揀（大族）、物流配送（海星、國自、嘉騰）全流程國產(chǎn)機械手及 AGV 應(yīng)用。自主機器人多場景應(yīng)用如圖 4所示。

3）AGV+ 立庫驅(qū)動無斷點重載物流。研發(fā)全場無斷點的精準高效、綠色集約型重載物流系統(tǒng)，如圖 5 所示。應(yīng)用電動 AGV、大跨距超重載堆垛機實現(xiàn) 8 t 級物料廠內(nèi)自動運輸、出入庫；自主研發(fā)行業(yè)首個基于 5G 的端云協(xié)同室外無人叉車，實現(xiàn)料斗等直供物料跨廠房轉(zhuǎn)運；應(yīng)用 0.1mm 高精定位、智能避障和智能防搖擺天車，實現(xiàn) 10 t 級物料自動上下料；研發(fā)貪婪算法，實現(xiàn)立庫托盤空間規(guī)劃和出庫序列最優(yōu)化；研發(fā)融合時序協(xié)調(diào)算法，實現(xiàn)多臺桁架機器人多種揀選任務(wù)協(xié)調(diào)作業(yè)；通過“智造大腦”智能調(diào)度和低時延、高可靠 5G 通信，實現(xiàn)物料臺套高效配送。總體實現(xiàn)配送及時率提升 11%，庫存周轉(zhuǎn)率提升 51%。

4）設(shè)備能耗、健康一體智能運維。如圖 6 所示，應(yīng)用智能傳感器、智能儀表及 IoT 系統(tǒng)，實現(xiàn)對全廠所有關(guān)鍵設(shè)備運行數(shù)據(jù)（電機運行電流、核心元件運行溫度、執(zhí)行機構(gòu)動作次數(shù)壽命和軌道震動量等）、能耗（電耗、油耗、氣體消耗和水耗）等 44 534 項數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺實時監(jiān)控。通過故障機理分析、大數(shù)據(jù)和深度學習等技術(shù)，進行機床、風機等設(shè)備失效模式判斷、預(yù)測性維護及運行參數(shù)調(diào)優(yōu)，總體實現(xiàn)設(shè)備故障停機時間降低 18%；通過末端電能平衡模型、能效分析模型，智能識別異常電路負荷點，優(yōu)化設(shè)備動態(tài)運行效率?？傮w實現(xiàn)萬元產(chǎn)值碳排放降低 8%。

結(jié)束語

工程機械產(chǎn)品復(fù)雜、工藝復(fù)雜、工況復(fù)雜、數(shù)據(jù)復(fù)雜且周期性強，該燈塔工廠在最難的領(lǐng)域，在沒有先例的情況下，用創(chuàng)造性思維打通了核心技術(shù)，得到了中國科協(xié)、麥肯錫和麻省理工等國內(nèi)外權(quán)威的一致認可。卓越的領(lǐng)導(dǎo)力、“嫉慢如仇”的文化、清晰明確的數(shù)字化戰(zhàn)略、短而迅速的決策流程、靈活的業(yè)務(wù)架構(gòu)、高效的人才引進及批量培養(yǎng)機制、高質(zhì)量的大數(shù)據(jù)和快速迭代的數(shù)據(jù)分析模型等共同支撐了方案快速落地。

雖然該工廠取得了一定的成績，但是建設(shè)過程中不乏發(fā)現(xiàn)方案缺陷及時調(diào)整的案例，而不是將錯就錯降低預(yù)期目標。此外，隨著燈塔工廠全面投入使用，可以發(fā)現(xiàn)智能化程度越高，其容錯能力越弱，問題排查越困難，維持高可靠性的挑戰(zhàn)越大。所以燈塔工廠不是一次性工程，其完善空間依然很大，需要長期持續(xù)迭代。

該燈塔工廠建成后又衍生了許多新的待解決事項，但不影響其作為全球首家探索重工行業(yè)燈塔工廠建設(shè)給行業(yè)帶來的啟發(fā)意義。其自主創(chuàng)新向業(yè)界及國內(nèi)制造業(yè)證明了中國制造從“跟隨發(fā)展”向“先發(fā)創(chuàng)新”轉(zhuǎn)變，做到“以我為主”是可行的。有利于提升中國制造從業(yè)者開拓創(chuàng)新的自信與攻堅克難的勇氣，鼓舞國內(nèi)制造業(yè)全面自主創(chuàng)新，推動制造大國向制造強國快速轉(zhuǎn)變。