3．智能裝備制造：TCDRI IIESP在離散制造業(yè)融合應(yīng)用方案

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能與服務(wù)平臺(tái)（TCDRI IIESP）建設(shè)“離散制造業(yè)數(shù)字制造系統(tǒng)”，融合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、供應(yīng)鏈管理（ERP）與生產(chǎn)排程（APS）、制造執(zhí)行（MES）、信息采集（SCADA）和倉(cāng)庫(kù)管理（WMS）、客戶關(guān)系管理（CRM）等數(shù)字化、信息化管理系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)營(yíng)銷、研發(fā)設(shè)計(jì)、采購(gòu)管理、客戶管理、安全管理、生產(chǎn)控制、設(shè)備監(jiān)控、倉(cāng)儲(chǔ)物流、售后運(yùn)維全過(guò)程管理的數(shù)字化。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員、物料、產(chǎn)品等的唯一身份標(biāo)識(shí)，各類設(shè)備狀態(tài)、能耗、產(chǎn)能等信息實(shí)時(shí)采集。打造智慧營(yíng)銷、智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流、智慧供應(yīng)鏈體系，打通不同系統(tǒng)或功能模塊的連接通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通共享。建立業(yè)務(wù)應(yīng)用模型分析，利用大數(shù)據(jù)為生產(chǎn)決策、精益經(jīng)營(yíng)、設(shè)備維護(hù)、故障診斷提供科學(xué)預(yù)測(cè)。

上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)的應(yīng)用

上饒中材機(jī)械有限公司（以下簡(jiǎn)稱“上饒中材”）是天津水泥院全資下屬子公司，核心產(chǎn)品為槽式輸送機(jī)及其備件，槽式輸送機(jī)整機(jī)在國(guó)內(nèi)乃至全球排名第一，其中國(guó)內(nèi)整機(jī)市場(chǎng)份額85%，備品備件市場(chǎng)份額60%。作為典型的、高度離散的機(jī)械設(shè)備制造企業(yè)，上饒中材面臨著招工難、專業(yè)技能人才缺乏等問(wèn)題，深切感知到市場(chǎng)需求和競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的變化，數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的必要性和迫切性。

天津水泥院依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能與服務(wù)平臺(tái)（TCDRI IIESP）建設(shè)“上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)”，融合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、供應(yīng)鏈管理（ERP）與生產(chǎn)排程（APS）、制造執(zhí)行（MES）、信息采集（SCADA）和倉(cāng)庫(kù)管理（WMS）、客戶關(guān)系管理（CRM）等數(shù)字化、信息化管理系統(tǒng)的功能，并運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員、物料、產(chǎn)品等的唯一身份標(biāo)識(shí)，各類設(shè)備狀態(tài)、能耗、產(chǎn)能等信息實(shí)時(shí)采集?！吧橡堉胁臄?shù)字制造系統(tǒng)”包括人力系統(tǒng)、營(yíng)銷管理、采購(gòu)管理、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、售后服務(wù)系統(tǒng)、安全管理、供應(yīng)商管理和系統(tǒng)運(yùn)維等功能模塊，系統(tǒng)功能界面如圖15所示，生產(chǎn)監(jiān)控見(jiàn)圖16，設(shè)備監(jiān)控功能見(jiàn)圖17。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖18所示。

當(dāng)前“上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)”現(xiàn)已進(jìn)入開(kāi)發(fā)收尾階段，研發(fā)設(shè)計(jì)、數(shù)字營(yíng)銷、人力系統(tǒng)、采購(gòu)管理、供應(yīng)商管理等功能模塊已投入使用。圍繞基于精益生產(chǎn)的功能區(qū)域優(yōu)化、生產(chǎn)流程的再梳理及優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備自動(dòng)化及數(shù)控化升級(jí)換代、智能物流、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、車間管理信息化等進(jìn)行規(guī)劃改造，目前主要加工設(shè)備已完成聯(lián)網(wǎng)上云，部分實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)對(duì)接。

圖15 上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)主界面

圖16 生產(chǎn)監(jiān)控

圖17 設(shè)備監(jiān)控平臺(tái)

圖18 上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)架構(gòu)圖

上饒中材首先根據(jù)工藝流程的需要，對(duì)各工藝體塊進(jìn)行高效組合，從而保證生產(chǎn)線布局合理，物流順暢，工藝先進(jìn)、可靠、適用。工藝技術(shù)方案由上饒中材自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鍛鏈、料槽、料斗、滾輪等主要備件生產(chǎn)的高度自動(dòng)化生產(chǎn)，部分加工單元和生產(chǎn)線要實(shí)現(xiàn)無(wú)人化。主要加工工序引入單元化、自動(dòng)化的先進(jìn)制造設(shè)備，為智能化建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。全廠共分為19個(gè)加工制造單元，其中主要包括：

鍛鏈鏈板智能化加工：2019年，將原來(lái)多機(jī)流水線生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ軉螜C(jī)加工，機(jī)器人上下料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。單套加工單元（見(jiàn)圖19）年產(chǎn)各種鍛造鏈板28萬(wàn)件，原來(lái)一條流水生產(chǎn)線需要4人完成的工作，現(xiàn)在僅用1人就可完成，大幅降低人工成本，解決了技術(shù)工人短缺問(wèn)題；一次定位裝夾完成4道工序加工，避免多次裝夾，提高了產(chǎn)品的加工精度，大幅降低廢品率；此外還節(jié)省工件多次倒運(yùn)的費(fèi)用、設(shè)備電耗以及管理成本等費(fèi)用。生產(chǎn)工藝升級(jí)后既解決了鏈板的生產(chǎn)瓶頸，還實(shí)現(xiàn)了減員增效及提高產(chǎn)品質(zhì)量的雙目標(biāo)。

目前在開(kāi)展對(duì)該項(xiàng)目的自動(dòng)化進(jìn)一步升級(jí)，鏈板由人工放料到輸送線上改進(jìn)為料筐來(lái)料，機(jī)器人利用3D視覺(jué)自動(dòng)定位抓取工件到鏜鉆復(fù)合機(jī)床上料機(jī)器人取料處，上料機(jī)器人抓取上料，加工完成后把工件放置到打磨工位入料平臺(tái)，打磨機(jī)器人自動(dòng)打磨后放置于下料機(jī)器人取料平臺(tái)，下料機(jī)器人擺筐。升級(jí)完成后可再減少用工2人，生產(chǎn)單元基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人化。

圖19 鍛鏈鏈板自動(dòng)加工單元

滾輪智能化加工：2021年，項(xiàng)目組將滾輪原來(lái)分散在多機(jī)、多人加工的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)線（見(jiàn)圖20）加工，機(jī)器人上下料，實(shí)現(xiàn)了智能化生產(chǎn)。滾輪智能化加工生產(chǎn)線主要由兩臺(tái)數(shù)控車床、一臺(tái)中頻火機(jī)床、一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、一套自動(dòng)化上下料裝置、機(jī)器視覺(jué)等組成，料倉(cāng)的上料、取料每班一次。生產(chǎn)線不僅能完成滾輪體的自動(dòng)化精加工，并且能完成滾輪表面淬火，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能12萬(wàn)件，解決滾輪加工的產(chǎn)能及效率問(wèn)題。本生產(chǎn)線采用了機(jī)器視覺(jué)，機(jī)器人在抓取工件、擺放工件前依靠視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)定位，精確放置到位，生產(chǎn)節(jié)拍為2.5min/件，基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人化。

圖20 滾輪智能化加工生產(chǎn)線

料斗自動(dòng)化焊接：料斗焊接是料斗底板機(jī)器人折彎和側(cè)板激光切割的下道工序，由于前道工序的改革，滿足了機(jī)器人自動(dòng)焊接要求。2019年完成一套機(jī)器人焊接工作站（見(jiàn)圖21），實(shí)現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)，可完成12種主要規(guī)格料斗的免組對(duì)自動(dòng)化焊接。機(jī)器人自動(dòng)焊接省掉了焊接前的組對(duì)、點(diǎn)焊工序，一人即可完成以前需要多工種配合的工作，平均每班完成料斗焊接55件，每件節(jié)省人工成本8.5元，焊縫美觀且低飛濺。機(jī)器人可以連續(xù)工作，如果3班作業(yè)可以完成原來(lái)8個(gè)人班組的單班工作量。本項(xiàng)目既減少了用工，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接效率，又提升了產(chǎn)品質(zhì)量，改善了作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了減員增效的目的。減少了用工，提高了作業(yè)安全和焊接效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境。

圖21 料斗機(jī)器人焊接單元

目前正計(jì)劃在本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，開(kāi)展料斗全自動(dòng)化機(jī)器人上下料焊接工藝的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上料、組對(duì)點(diǎn)焊、焊接、自動(dòng)下料。

“上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)”的應(yīng)用解決了原來(lái)信息化基礎(chǔ)比較薄弱、生產(chǎn)管理依賴人、設(shè)備沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)、信息化、數(shù)字化程度不高、信息化管理應(yīng)用面較窄的問(wèn)題。覆蓋全廠區(qū)、全業(yè)務(wù)流的數(shù)字化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)銷售、采購(gòu)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、安全環(huán)保、售后服務(wù)、備品備件等全業(yè)務(wù)鏈數(shù)字化管控，對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備、物料、人員、供應(yīng)商等的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能調(diào)控、精細(xì)化管理，全面提升效率、降低成本、增值服務(wù)。建立計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)統(tǒng)一資源池的云數(shù)據(jù)中心。主要自動(dòng)化設(shè)備、重點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備和高能耗設(shè)備利用信息采集系統(tǒng)接入設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息、加工信息、能源消耗信息實(shí)時(shí)采集，提高設(shè)備利用率，提升工作效率和管理水平，人工智能應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，大數(shù)據(jù)分析為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供預(yù)測(cè)和決策支持，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的數(shù)字化，制造過(guò)程的智能化。

（1）產(chǎn)品品質(zhì)提升：主要加工件一次合格率由97%左右提升至99%以上，外觀質(zhì)量（鏈條、料槽、料斗等產(chǎn)品）明顯提升，成為大型水泥集團(tuán)信賴的免檢產(chǎn)品。由于質(zhì)量的提升，在市場(chǎng)上有更多的議價(jià)權(quán)。

（2）顯著減少用工：減少用工數(shù)量17人，降低用工技能水平需求。由于設(shè)備操作簡(jiǎn)單，降低用工技能水平需求，從根本上解決了招聘技術(shù)工人難的問(wèn)題。

（3）節(jié)省生產(chǎn)成本：明顯提高生產(chǎn)效率、增加產(chǎn)能，易于實(shí)現(xiàn)倒班生產(chǎn)，年節(jié)約加工及外協(xié)成本的效益約為787萬(wàn)元/年。

（4）人均產(chǎn)能提升：生產(chǎn)效率提高，用工減少，主要加工工序人均產(chǎn)能提升至原來(lái)的2～4倍。

（5） 資源配置優(yōu)化：設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理、出入庫(kù)、物流等環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化，工作效率明顯提升，運(yùn)營(yíng)成本降低，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)管理精細(xì)，有效降低庫(kù)存。

（三）依托TCDRI IIESP可服務(wù)于建材行業(yè)的碳排放數(shù)字化綜合服務(wù)平臺(tái)

習(xí)近平總書記提出“3060雙碳”目標(biāo)，為中國(guó)工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型按下了“快進(jìn)鍵”。天津水泥院快速響應(yīng)，自主開(kāi)發(fā)了可服務(wù)于建材行業(yè)的碳排放數(shù)字化綜合服務(wù)平臺(tái)，包括工廠碳排放數(shù)字化評(píng)估平臺(tái)和建材裝備產(chǎn)品碳足跡數(shù)字化核算平臺(tái)。

工廠碳排放數(shù)字化評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠全生命周期碳排放的精細(xì)化計(jì)算和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。作為一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可服務(wù)于各行業(yè)。目前，系統(tǒng)已在公司工程EPC、工廠運(yùn)維、裝備制造等業(yè)務(wù)全面應(yīng)用，項(xiàng)目落地?cái)?shù)量20余個(gè)。碳因子等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量達(dá)2余萬(wàn)條，數(shù)字孿生模型量達(dá)100余個(gè)，模型元素量達(dá)20余萬(wàn)個(gè)。

建材裝備產(chǎn)品碳足跡核算平臺(tái)，將可配置的碳足跡核算算法模型與多端數(shù)據(jù)源相匹配，基于海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建材裝備產(chǎn)品材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品發(fā)運(yùn)、安裝調(diào)試、使用與維護(hù)、回收處理全生命周期各階段的碳足跡核算。平臺(tái)可提供推薦的核算方案以便用戶使用，也可根據(jù)實(shí)際需求，應(yīng)用內(nèi)置的十余種核算模型，自定義系統(tǒng)邊界、核算精度、核算階段，甚至核算模型，生成自定義核算方案，平臺(tái)可提供一鍵查看核算結(jié)果、生成核算報(bào)告，對(duì)比核算方案等功能。

圖22 登錄界面

建材行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方案應(yīng)用推廣公共服務(wù)平臺(tái)遵循邊緣層、IaaS層、PaaS層、SaaS層及企業(yè)應(yīng)用推廣層的五層架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)圍繞建材行業(yè)中企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和技術(shù)方向不明，系統(tǒng)性不強(qiáng)、供需信息不對(duì)稱等問(wèn)題，研制碳達(dá)峰、碳中和公共服務(wù)平臺(tái)方法和工具集，研制數(shù)字化管理、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)型制造等方面的新模式。

圖23 平臺(tái)主界面

圖24 監(jiān)控中心

圖25 核算結(jié)果

HZHK7500t/d熟料生產(chǎn)線技改項(xiàng)目案例

該項(xiàng)目有主機(jī)設(shè)備18臺(tái)，主要材料共有24種，總重量約6035噸，設(shè)備產(chǎn)品生命周期按50年，主機(jī)設(shè)備產(chǎn)品各階段碳排放見(jiàn)表1、圖26所示。

裝備產(chǎn)品重量、加工電耗、出廠價(jià)格、能力與碳排放關(guān)系以及制造、運(yùn)維階段碳排放量數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖27~31。

表1 HZHK項(xiàng)目主機(jī)設(shè)備碳排放量統(tǒng)計(jì)表

圖26 HZHK項(xiàng)目主機(jī)設(shè)備碳排放量統(tǒng)計(jì)圖

分析：

水泥廠主機(jī)設(shè)備全生命周期（設(shè)備原材料+設(shè)備制造+設(shè)備運(yùn)輸+設(shè)備安裝+設(shè)備維護(hù)（零部件更換））碳排放最大的前五位設(shè)備依次是：回轉(zhuǎn)窯、窯尾袋除塵器、預(yù)熱器、窯頭袋收塵器、熟料槽式輸送機(jī)。

設(shè)備維護(hù)（零部件更換）碳排放最大的前五位設(shè)備依次是：回轉(zhuǎn)窯、窯尾袋除塵器、預(yù)熱器、熟料槽式輸送機(jī)、窯頭袋除塵器。

設(shè)備原材料碳排放最大的前五位設(shè)備依次是：回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器、窯尾袋除塵器、窯頭袋收塵器、步進(jìn)式篦冷機(jī)。

設(shè)備制造碳排放最大的設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，其它設(shè)備相對(duì)較小。

圖27 裝備產(chǎn)品單位重量碳排放

圖28 裝備產(chǎn)品單位重量碳排放

圖29 裝備產(chǎn)品單位價(jià)格碳排放

圖30 裝備產(chǎn)品制造階段碳排放

圖31 裝備產(chǎn)品維護(hù)階段碳排放

平臺(tái)基于設(shè)計(jì)運(yùn)行指標(biāo)，可一鍵生成工廠運(yùn)行期間的碳足跡；實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如產(chǎn)能、煤耗、電耗、余熱發(fā)電等，實(shí)時(shí)計(jì)算、可視化監(jiān)控工廠碳足跡狀態(tài)。HZHK項(xiàng)目監(jiān)控預(yù)警應(yīng)用案例如圖32所示。

圖32 HZHK項(xiàng)目監(jiān)控預(yù)警應(yīng)用案例

成果創(chuàng)造人：何小龍、彭明德、隋明潔、劉　濤、胡亞?wèn)|、常斌、孫利波

本成果為中國(guó)企業(yè)改革發(fā)展優(yōu)秀成果2021（第五屆）

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