筆頭加工制造數據采集與設備管家工業微應用項目 ——基于數據采集的工業微服務在筆頭加工行業的應用
青島昌隆文具有限公司（以下簡稱“白雪文具”）是一家集研發、生產、銷售為一體的專業文具生產企業，連續多年被認定為中國輕工業制筆行業十強企業。公司主要生產“白雪”等品牌的系列文具，擁有自己的企業技術中心，涵蓋了模具設計制造、筆頭加工、墨水研發、設備制造等各方面。白雪作為國內成立較早的制筆企業，較早在行業內采用標準化管理模式，在產品技術標準及企業管理標準等方面取得了較大的成績，其產品業務遍及全國。
筆頭加工制造是制筆行業的關鍵技術，也是瓶頸技術；白雪文具的筆頭加工制造采用瑞士進口的專業筆頭加工設備，是整個企業業務流程的核心。目前面臨主要問題是：設備效率差，故障率居高不下，設備稼動率低，所有的產能統計、故障統計、生產信息統計等全部依靠人工記錄，時效性差且不準確；給企業生產運營造成極大的困擾，關鍵核心制程所面臨的問題急需解決。
中國電信攜手山東恒遠智能科技有限公司共同為白雪文具進行企業問題的解決。中國電信利用現有資源，組織下屬單位上海理想、云計算分公司、物聯網分公司、各省電信公司等，并于2017年1月開始規劃、研發和建設翼聯工業互聯網平臺。該平臺充分利用中國電信的優勢資源與工業互聯網技術，定位于跨行業、跨領域企業間數字化協作的綜合賦能平臺。
山東恒遠智能科技有限公司作為項目的主要實施單位，聚焦于工業互聯網前沿技術研究，主要從事基于工業數據采集的制造信息化系統研發，專注于工業企業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，為企業建設基于移動管理的數字云工廠整體規劃與實施，對企業實現數字化、網絡化、智能化轉型升級提供有利支持。
一、項目概況
筆頭加工制造數據采集與設備管家工業微應用項目，基于電信工業PON網絡，通過恒遠智能科技的智能數采終端，對筆頭加工設備的數據進行采集，并對數采數據通過工業軟件和工業APP微應用進行統計分析應用。
圖1 筆頭和筆頭加工設備
1. 項目背景
（1）行業背景
作為制筆行業的核心制程------筆頭加工制造，也是白雪文具的關鍵技術。筆頭關鍵部位的尺寸精度要求在兩個微米，表面粗糙度要求為0.4微米，在筆頭最頂端的地方，厚度僅有0.3到0.4毫米。進行如此高精度的加工，既要容易切削，加工時還不能開裂，這對不銹鋼原材料以及加工設備技術提出了極高的性能要求。長久以來，我國筆頭加工所用原材料（筆尖鋼）以及多工位筆頭加工設備，一直依賴進口。一邊面對著鋼鐵產能過剩，一邊還要進口筆尖鋼，筆頭的加工一時間成為舉國關注的產業難題。直到2016年，經過5年的努力，太鋼集團實現了筆尖鋼的批量生產，解決了原材料依賴進口問題。但是，筆頭加工設備技術依舊是行業難題，依賴從日本、瑞士等國家進口。
筆頭加工不僅是企業的核心制程，也是行業發展的痛點；采集筆頭加工設備數據并進行分析應用，解決筆頭加工效率低下問題，提高設備利用率，有助于提升整個筆頭加工行業的技術水平，為筆頭設備的國產化，提供大數據支撐。
（2）企業背景
白雪文具筆頭加工制造目前面臨以下幾個突出問題和潛在需求：
設備效率差，昂貴的設備未能充分發揮作用，使得生產成本高；
設備故障率高，設備稼動率低，嚴重影響生產進度；
產能統計、故障統計、生產信息統計等全部依靠人工記錄，時效性差且不準確，無法對設備、人員的生產效率進行有效評估，管理精細度差。
（3）項目可行性與資源優勢
筆頭生產制造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，并且筆頭加工設備自動化智能化程度高，為項目的智能聯網和數據采集提供了物理基礎。
2. 項目簡介
筆頭加工制造的數據采集與設備管家工業微應用項目，應用設備聯網、數據采集、邊緣計算、數據分析等技術，以配備多種數據模型的生產數據采集和分析應用系統為數據應用載體，以設備管家微應用APP作為數據采集以及數字化管理的重要延伸。項目整體規劃如下圖。
圖2 數據采集與分析應用項目整體規劃
其中一期規劃按照以下步驟實施：
（1）設備聯網與數據采集：應用恒遠科技的設備數據采集技術，基于車間級工業網絡，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。
（2）生產數據采集與分析應用系統：基于采集到設備狀態信息、故障信息、生產產能數據、品質數據、刀具壽命等設備生產數據，搭建設備臺賬、設備管理、生產管理、品質管理、刀具管理、報表管理等多個功能模塊與應用，實現對采集數據的綜合應用，實現設備生產信息的全方位監控與智能分析，建立車間級的數字化管理平臺。
（3）設備管家APP微應用：結合筆頭加工設備的采集數據，開發設備管家APP微應用，隨時隨地掌握設備生產以及狀態信息。
3. 項目目標
（1）設備管理數字化：實現設備聯網，通過數采終端，實現設備狀態、設備生產數據等信息實時采集與掌握。
（2）生產數據可視化：基于生產數據采集與分析應用系統和設備管家APP微應用，將數采數據進行分析與可視化應用。
（3）刀具智能管理：通過監控采集刀具振動，建立刀具負載變化曲線，建立刀具壽命以及磨損狀態預警模型，通過曲線變化，實現刀具壽命與磨損的自動預警，避免品質異常。
二、項目實施概況
通過對白雪文具筆頭加工制造廠的設備品牌型號、加工工藝、生產流程等信息的深入調研，結合現場痛點以及需求，設計規劃一期項目方案并展開實施。
1. 項目總體架構和主要內容
圖3 項目功能架構
筆頭加工制造的數據采集與設備管家工業微應用項目總體架構分為業務層、網絡采集層和應用層。
（1）業務層：對公司整個業務流程進行梳理，確認筆頭加工制造在整個價值流中與上下游之間的業務關系流程，進一步定義數字化匹配的標準業務流與工藝流、過程流，進行由上而下的公司級、工廠級、車間級、工位級的流程標準化。
（2）網絡采集層：基于工業以太網、工業總線等通信協議，4G網絡、NB-IOT等無線通信協議將設備接入網絡；通過EverMonitor網關進行加工參數、設備狀態、故障分析與預警等實時數據的采集，內部集成了多種采集協議，兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等各類工業通信協議和軟件通信接口，能夠實現數據格式轉換和統一，另一方面基于網關的內置高性能芯片與處理系統，能夠將數據從邊緣側、傳輸到云端，實現數據的遠程接入。
（3）應用層：基于白雪文具筆頭加工制造的車間需求，建立生產數據采集與分析應用系統及設備管家APP微應用，實現端到端的數據集成與應用。
根據采集數據，基于筆頭加工制程需求，建立生產數據采集平臺與分析應用系統。
基于生產產量、設備狀態等特定場景，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發移動端的設備管家APP微應用服務，如設備狀態監控、生產產能、設備報修、刀具更換等。
全面可視化，建立車間生產看板，實時展示各設備產能達成情況；構建移動端領導駕駛艙，隨時隨地查詢展示設備狀態以及生產數據。
2. 數據采集網絡架構
將筆頭加工制造設備通過交換機進行局域組網，利用恒遠數據采集終端與組網設備進行鏈接，通過內置協議與PLC進行通訊，清洗需求數據，利用網絡傳至本地服務器。設計建立數據庫，對數據進行清洗與分析計算。搭建具備設備臺賬、設備管理、生產管理等多個功能模塊與應用的web系統和設備管家微應用APP，可實現數據的應用與展示，隨時隨地查看生產狀況。
3. 生產數據采集與分析應用系統
生產數據采集與分析應用系統主要包含系統管理、刀具管理、設備管理、生產管理、品質管理、生產看板、報表管理七大功能模塊。主要是對數據采集的設備狀態信息、故障信息、生產產能信息、品質信息等進行分析與應用。
圖5 系統界面首頁
（1）設備管理模塊，包含設備臺賬和設備狀態管理兩個子菜單，通過采集設備狀態信息，實時掌握設備的運行、故障、關機、待機狀態，并通過數據分析與邊緣計算，分析出設備的運行率、設備故障分布等供運營決策參考。
圖6 設備管理界面
（2）生產管理，包含生產進度管理和生產效率兩個子菜單。將數采產能數據進行分設備統計，按照日期和小時計算產能趨勢，產能異常一目了然。
圖7 生產管理界面
（3）品質管理，采集不良數量及不良項目信息，按設備統計分析產品良率以及趨勢，為品質異常追溯提供依據。
圖8 品質管理界面
（4）生產看板，實時展示設備狀態信息和生產信息，為現場管理者提供有效直觀的決策依據。
圖9 生產看板界面
4. 設備管家APP微應用
深挖數采數據價值，設計開發移動端APP微應用。設備管家APP微應用包含設備狀態監控、設備維保管理、 生產管理、刀具管理、品質異常管理、領導駕駛艙六個模塊，便于管理者隨時隨地查詢和了解現場發生的情況，為管理決策提供便利。
圖10 設備管家APP微應用界面
5. 刀具智能管理
圖11 刀具磨損
刀具磨損引起筆頭加工品質不良，不及時發現會導致批量品質異常。通過監控采集刀具振動數據，建立刀具負載變化曲線，刀具壽命以及磨損狀態預警模型；結合曲線變化，在web端實現刀具壽命與磨損的實時監控，通過移動端實現刀具到壽和磨損的預警推送，并進行換刀記錄的錄入。通過實時的動態監控和智能預警，預防和避免批量品質異常的發生。
圖12 刀具壽命監控與預警
三、下一步實施計劃
1. 生產數據全面采集
橫向展開建立各價值流的設備數據采集與應用分析，分階段、分區域進行全面部署，實現工廠業務層的生產數據全面采集。
2. 縱向信息流的功能深入
選取一個完整制程作為樣板車間，擴展功能軟件模塊功能，進行縱向信息流的功能深入。搭建車間層面的數字化管理系統，實現數字化車間綜合集成應用管理平臺。
圖13 項目遠期規劃
3. 建立筆頭加工行業的大數據平臺
筆頭加工制造行業，面臨筆頭原材料和加工設備依賴進口兩大難題。 目前，制造筆頭的易切削不銹鋼已經實現國產化，但是多工位筆頭專用加工設備的制造技術基本由國外企業所壟斷，以進口為主。為了提升國內筆頭制造的核心技術水平，通過工業互聯網技術，建立筆頭加工的行業大數據平臺，建立筆頭加工制造的運維監控中心，努力提升設備利用率，降低設備故障率，實現筆頭加工資源和信息資源的最大化利用。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）業務層設備智能聯網和數據采集
基于恒遠科技的智能數采終端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。實現設備聯網并實時監測多工位筆頭加工設備的設備狀態、生產產能、刀具壽命等，實現實時監控和預警。
（2）基于微服務架構的工業級APP微應用
結合采集數據，基于生產數據采集與分析應用系統，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發基于微服務架構的工業APP微應用，可獨立部署，客戶根據需求進行靈活調用，如設備狀態監控APP，可遠程實時監控設備運轉狀況；設備維保APP，實現設備故障報修、維修，保養計劃落實的全程記錄與跟進；生產管理，不用親臨現場，隨時掌握設備生產數據與產能達成狀況等。
（3）筆頭加工制造行業大數據平臺
進行行業數據與資源整理，建立筆頭加工制造行業的大數據平臺，為筆頭加工制造行業內的企業提供資源接口、數據存儲和大數據分析服務。實現了設備、人員、物料等資源要素的橫向網絡化集成，為筆頭設備的國產化提供數據支持，提升國內筆頭制造的核心技術水平。
2. 實施效果
項目經過兩月的實施，筆頭加工制造的設備稼動率和管理效率得到有效提升，生產成本明顯降低。
（1）提升設備稼動率
通過設備狀態數據的實時采集，可以有針對性的解決影響設備稼動率的問題，提高了設備異常處理的時效性。設備故障率由25%降低到10%以內，設備稼動率由65%提升至80%。
（2）提升筆頭良率
通過產品不良數據的采集，分設備統計分析筆頭良率以及不良項目，提高品質異常追蹤的可靠性和及時性。筆頭產品良率由99.74%提升至99.98%。
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數據、觀點、建議，不構成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內容的知識產權歸工業互聯網產業聯盟所有（注明是引自其他方的內容除外），并受法律保護。如需轉載，需聯系本聯盟并獲得授權許可。未經授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內容以發布、轉載、匯編、轉讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內容通過網絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內相關描述及相關數據圖表。違反上述聲明者，本聯盟將追究其相關法律責任。
AII微信公眾號
AII頭條號