法蘭制造行業網絡化協同制造項目 ——智能網關與云計算應用的實踐案例
恒躍集團位于“鍛造之鄉”山西定襄縣，是一家生產工程機械配套件（挖掘機底座、回轉支撐、動臂支撐、引導輪等）、工程機械鍛件、軸類鍛件及風電法蘭等系列產品的企業。產品主要應用于工程機械、石油、管道、壓力容器、風力發電行業，恒躍集團已成為全球工程機械及法蘭采購商的戰略合作伙伴。
恒躍集團客戶非常優質，產品出口到美國、加拿大、墨西哥、巴西、俄羅斯、德國、比利時、日本、韓國、泰國等十余個國家。公司業務快速成長，訂單數量逐年快速增長，依靠原有生產管理模式無法滿足企業發展的需要。面臨的主要問題是訂單種類多，客戶下單頻度高，無法及時掌握訂單交付進度，產品生產周期長，內部生產計劃組織混亂，生產協同性差，重點設備產能不足，資源整體利用率低，同時鍛件的定制化生產與精密加工對企業的協同設計、協同生產、協同供應鏈提出了更高的要求，大量的技術設計、材料檢測、供應鏈協同、生產加工數據需要記錄、分析、反饋、決策。
2017年恒躍集團入選省級兩化融合企業名單，積極推進兩化融合工作，致力于建設一個先進的數字化工廠，提高企業生產管理水平，提升企業核心競爭力。2018年4月，恒躍結合自身發展需要和山西省經信委的積極推動下，與中國電信制造行業信息化應用基地（上海理想信息產業有限公司）和山東恒遠智能科技有限公司簽訂戰略合作協議，正式啟動數字化管理轉型升級項目，重點推動企業內部的數字化協同制造，優化企業內部資源配置，縮短產品制造周期，加快制造速度，降低制造成本。
中國電信擁有全球最大的寬帶互聯網絡和技術領先的移動通信網絡，中國電信制造行業信息化應用基地（上海理想信息產業有限公司）利用自有建設的翼聯工業互聯網平臺，加快推進企業信息化和智能化建設，實現企業由傳統制造向智能制造的轉型升級，并充分利用中國電信的優勢資源與工業互聯網技術，為企業數字化協作賦能。
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
恒躍集團數字化云工廠項目是基于電信工業PON網絡和恒遠智能科技的智能網關數采技術、數字化車間產品，建立由訂單開始-訂單統籌-訂單執行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺，實現了端到端的數據集成與應用。
1. 項目背景
（1）企業背景
恒躍集團擁有先進的鍛造技術與設備，能夠利用鍛壓機械對坯料進行120mm-5000mm 法蘭的加工制造，所生產的法蘭產品具有良好的機械性能、非標類的形狀和尺寸。但公司的運營管理水平已達不到企業快速發展的需要，企業的運營管理方法急需轉型升級，恒躍集團發展面臨以下幾個突出問題和潛在需求：
產品種類多，客戶下達訂單頻度高，但工廠內部整體響應速度慢，訂單進度不透明，無法滿足客戶訂單交付需要。
計劃統籌與組織能力弱化，造成各生產工序脫節，生產協同性差。
車間生產加工與計劃脫節，生產數據不透明，潛在浪費嚴重，生產成本高。如無法對設備、人員的生產效率進行有效評估，管理精細度低。
（2）行業背景
現代法蘭鍛造業在歐美等發達國家已有上百年的歷史，先進的鍛造工藝和鍛造技術一直由德國、美國、日本和俄羅斯等國壟斷。我國鍛造業起步較發達國家晚，但隨著經濟發展水平的提高，我國鍛造技術和工藝水平進步很快，很多產品已實現國產化，部分產品已出口至國外，近年我國鍛件制造業迎來了快速發展的新時期，年均復合增長率達 7.72%，并呈穩定增長。
（3）項目可行性與資源優勢
恒躍的產品特性與鍛造技術決定了工廠生產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，并且生產檢驗過程使用的鍛造、熱處理、材料檢測、機械加工等精密儀器與設備，為項目的智能聯網和數據采集提供了物理基礎。
圖2 法蘭鍛件工藝
2. 項目簡介
恒躍集團數字化協同制造項目整體規劃以底層的工業級網絡搭建與設備數采為技術支撐，以各生產要素集成的數字化工位搭建為系統核心，車間級綜合數字化管理平臺為數據應用載體，以工業級微應用APP為數字化系統的重要延伸。主要分為以下幾個實施階段：
設備聯網與數據采集：以電信的工業網絡為基礎進行車間工業網絡的整體升級，搭建設備運行與數采的網絡基礎設施。應用恒遠科技的設備數據采集技術，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。
數字工位搭建：集合設備加工的人員、物料、工具、作業方法、技術圖紙等生產要素數字化，結合設備自身狀態監控、加工參數采集，形成完整的工位級數字化管理生態。
車間級數字化管理平臺：綜合訂單管理、計劃管理、品質管理、工藝管理、異常管理、效率管理等多個模塊及功能應用，實現對車間的全方位的數字化升級管理。
工業級微應用APP：針對恒躍特定的應用場景，開發移動端的微應用，快速有效的解決實際問題。
3. 項目目標
（1）制造協同化
復雜的生產工藝路線，導致整個制造鏈條信息冗雜，管理難度高、生產成本高、生產速度與效率低，通過數字化平臺，將工藝-制造-檢驗-倉儲-物流-交付-服務等各個環節打通，進行數據集合與應用，實現協同設計、協同制造及供應鏈協同。
（2）設備管理智能化
系統基于智能網關、物聯網、數據采集、數據分析、邊緣計算等先進技術，對設備數據進行全面的采集、分析、應用。系統從設備狀態、設備異常、產品加工數量、加工工時、設備利用效率等方面進行實時設備數據采集與應用，助力企業設備管理的全方位數字化改造升級，實現降本增效的目標。
二、項目實施概況
恒躍集團數字化云系統建設項目一期主要以數字化協同制造為目標，重點是對企業內部制造過程進行數字化升級改造。
1. 項目總體架構和主要內容
圖4 項目總體架構
恒躍協同制造數字化平臺總體架構主要分為：流程層、設備聯網與數采層、數據中心模型層、應用平臺與微應用層。
（1）流程層架構設計
首先在系統進行流程建模與模型設計，對公司整體業務進行價值流分析與設計，從工藝圖紙設計、原材料采購、下料、制坯、模鍛、輾環、熱處理、性能測試、機加工、鉆孔、打標、檢驗與包裝發貨，進一步定義數字化匹配的標準業務流與工藝流。
圖5 產品制造工藝流程
（2）設備聯網與數采層
基于中國電信的工業以太網、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采集設備進行加工參數、設備狀態、故障分析與預警等實時數據采集，內部集成了多種采集協議，兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等多種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EverMonitor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。
圖6 設備聯網與數采結構圖
（3）數據中心模型層
所有采集的數據會存儲到數據中心模型集成庫，除了存儲功能，核心功能是封裝了多種工業技術、管理技術、機器學習、數理統計的算法，實現機理建模，能夠對歷史數據、 實時數據、時序數據進行聚類、關聯和預測分析。
（4）應用平臺與微應用層
基于恒躍特定的生產制造問題，建立一體化的數字化車間管理應用平臺，實現端到端的數據集成與應用。建立由訂單開始-訂單統籌-訂單生產-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺，將技術-采購-制造-倉儲-物流-交付-服務等環節打通，進行數據集合與應用，實現協同設計、協同制造及供應鏈協同。
圖8 數字化管理平臺方案
搭建數字化管理平臺，建立訂單開始-訂單統籌-訂單執行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺。
圖9 數字化管理平臺
基于關鍵工序與瓶頸設備，集成人員、設備、工藝、方法等生產要素，建立以設備加工中心為核心的數字工位。
圖10 數字工位
基于特定場景，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發移動端的工業APP微應用服務，如異常管理微應用、訂單執行管理平臺微應用、質量檢驗微應用等。
全面的可視化運營決策數字化管理平臺與移動領導駕駛艙應用。
圖12 運營中心與領導駕駛艙
2. 網絡互聯架構
工業PON網絡系統是中國電信立足于構筑新一代智能通訊網，在對傳統工業交換機系統研究基礎之上，結合最尖端的無源光網絡通訊技術的發展，創新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。同時通過智能網關實現系統信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能。
項目通過工業PON網絡系統為企業構建雙冗余容錯環網，確保生產網絡出現連接中斷的情況時，立即啟用另外一條通路，使網絡通信的可靠性大大提高。
車間現場采用移動終端通過無線網絡接入，但是車間現場環境復雜，電磁干擾密布，為了滿足車間現場對生產數據采集的穩定性需求，采用工業級全向無線AP，高密負載均衡，所有終端自動被接入到附近最優AP，保證系統穩定運行。
3. 安全及可靠性
系統采用云服務部署（天翼云），云計算技術保障云主機安全，具有動態遷移、雙機熱備、計算資源負載均衡、自動故障遷移、快照備份、集中存儲、系統模板等云計算的優秀功能，能充分保障系統的高安全、高可靠性和高穩定性。同時具有部署快，業務快速上線，彈性擴展強，簡化運維流程，降低運維成本，資源利用率高，降低成本等優點。
系統的采用Web多層架構，擴展容易，運行穩定，以WebService開放對外服務，APP 入口調用這些接口實現業務需求，無需部署終端，嚴密分級分類權限控制，同時兼容移動設備瀏覽功能。
圖16 軟件架構圖
三、下一步實施計劃
圖17 項目計劃
1. 項目實施計劃
項目建設期限為2018年～2020年，分三期建設。
一期：（2018）主要以建設數字化協同制造為目標，重點是企業對內部制造過程進行數字化升級改造，建立數字化車間管理平臺。
二期：（2019）主要以高效運營管理和建設數字化工廠為目標，重點是通過產品管理和設備全面數字化管理，實現制造過程數字化。
三期：（2020）實現供應鏈集成和智能化管理，最終實現智能制造的目標。
2. 行業大數據平臺
進行行業數據與資源整理，建立法蘭鍛造行業的制造大數據平臺，為行業內的鍛造企業提供數據仿真模擬、數據存儲、大數據分析服務。結合行業發展特點，以特色制造業和產業聚集區為載體，打造法蘭鍛造行業工業互聯網平臺。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）設備聯網與數采技術應用
基于恒遠科技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。如設備聯網并實時監測鍛造車間的鍛造設備、熱處理設備爐溫曲線，機加工設備轉軸與進刀速度等工藝參數，實現智能監控預警功能。
（2）工業級APP微應用
基于恒躍的數字化管理平臺，結合客戶瓶頸工位與關鍵問題，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發應用了多個工業APP微應用。如異常管理數字化APP，可解決異常頻發、管理鏈條長的問題；訂單管理和生產現場進度管理APP，解決訂單生命周期管理數字化的問題等。
2. 實施效果
（1）制造速度提升通過訂單的數字化車間管理平臺，減少銷售、工藝、計劃、采購、生產、質檢之間的信息不協同問題，提高計劃組織的準確性，產品生產周期縮短20%（平均由38天減少到29天）。
（2）效率提升制造數據的可視化與領導駕駛艙的搭建，為運營決策提供大量的數據支撐，并為管理者提供KPI管理實時工具，降低管理難度，提升管理效率，異常問題關閉率提升20%（60%提高到80%）。
聲明
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