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(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)和倉庫管理(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,實現(xiàn)市場營銷、研發(fā)設(shè)計、采購管理、客戶管理、安全管理、生產(chǎn)控制、設(shè)備監(jiān)控、倉儲物流、售后運維全過程管理的數(shù)字化。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA),實現(xiàn)設(shè)備、人員、物料、產(chǎn)品等的唯一身份標識,各類設(shè)備狀態(tài)、能耗、產(chǎn)能等信息實時采集。打造智慧營銷、智慧倉儲物流、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、設(shè)備維護、故障診斷提供科學預(yù)測。
上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)的應(yīng)用
上饒中材機械有限公司(以下簡稱“上饒中材”)是天津水泥院全資下屬子公司,核心產(chǎn)品為槽式輸送機及其備件,槽式輸送機整機在國內(nèi)乃至全球排名第一,其中國內(nèi)整機市場份額85%,備品備件市場份額60%。作為典型的、高度離散的機械設(shè)備制造企業(yè),上饒中材面臨著招工難、專業(yè)技能人才缺乏等問題,深切感知到市場需求和競爭形勢的變化,數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級的必要性和迫切性。
天津水泥院依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能與服務(wù)平臺(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)和倉庫管理(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,并運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA),實現(xiàn)設(shè)備、人員、物料、產(chǎn)品等的唯一身份標識,各類設(shè)備狀態(tài)、能耗、產(chǎn)能等信息實時采集?!吧橡堉胁臄?shù)字制造系統(tǒng)”包括人力系統(tǒng)、營銷管理、采購管理、研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、倉儲物流系統(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)控見圖16,設(shè)備監(jiān)控功能見圖17。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖18所示。
當前“上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)”現(xiàn)已進入開發(fā)收尾階段,研發(fā)設(shè)計、數(shù)字營銷、人力系統(tǒng)、采購管理、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、設(shè)備自動化及數(shù)控化升級換代、智能物流、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、車間管理信息化等進行規(guī)劃改造,目前主要加工設(shè)備已完成聯(lián)網(wǎng)上云,部分實現(xiàn)與平臺對接。
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
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,對各工藝體塊進行高效組合,從而保證生產(chǎn)線布局合理,物流順暢,工藝先進、可靠、適用。工藝技術(shù)方案由上饒中材自主開發(fā)設(shè)計,實現(xiàn)鍛鏈、料槽、料斗、滾輪等主要備件生產(chǎn)的高度自動化生產(chǎn),部分加工單元和生產(chǎn)線要實現(xiàn)無人化。主要加工工序引入單元化、自動化的先進制造設(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,將原來多機流水線生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ軉螜C加工,機器人上下料,實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。單套加工單元(見圖19)年產(chǎn)各種鍛造鏈板28萬件,原來一條流水生產(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)省工件多次倒運的費用、設(shè)備電耗以及管理成本等費用。生產(chǎn)工藝升級后既解決了鏈板的生產(chǎn)瓶頸,還實現(xiàn)了減員增效及提高產(chǎn)品質(zhì)量的雙目標。
目前在開展對該項目的自動化進一步升級,鏈板由人工放料到輸送線上改進為料筐來料,機器人利用3D視覺自動定位抓取工件到鏜鉆復(fù)合機床上料機器人取料處,上料機器人抓取上料,加工完成后把工件放置到打磨工位入料平臺,打磨機器人自動打磨后放置于下料機器人取料平臺,下料機器人擺筐。升級完成后可再減少用工2人,生產(chǎn)單元基本實現(xiàn)無人化。
圖19 鍛鏈鏈板自動加工單元
滾輪智能化加工:2021年,項目組將滾輪原來分散在多機、多人加工的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)線(見圖20)加工,機器人上下料,實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)。滾輪智能化加工生產(chǎn)線主要由兩臺數(shù)控車床、一臺中頻火機床、一臺工業(yè)機器人、一套自動化上下料裝置、機器視覺等組成,料倉的上料、取料每班一次。生產(chǎn)線不僅能完成滾輪體的自動化精加工,并且能完成滾輪表面淬火,實現(xiàn)年產(chǎn)能12萬件,解決滾輪加工的產(chǎn)能及效率問題。本生產(chǎn)線采用了機器視覺,機器人在抓取工件、擺放工件前依靠視覺技術(shù)自動定位,精確放置到位,生產(chǎn)節(jié)拍為2.5min/件,基本實現(xiàn)無人化。
圖20 滾輪智能化加工生產(chǎn)線
料斗自動化焊接:料斗焊接是料斗底板機器人折彎和側(cè)板激光切割的下道工序,由于前道工序的改革,滿足了機器人自動焊接要求。2019年完成一套機器人焊接工作站(見圖21),實現(xiàn)了柔性化生產(chǎn),可完成12種主要規(guī)格料斗的免組對自動化焊接。機器人自動焊接省掉了焊接前的組對、點焊工序,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。機器人可以連續(xù)工作,如果3班作業(yè)可以完成原來8個人班組的單班工作量。本項目既減少了用工,減輕了勞動強度,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,減輕了工人勞動強度,改善了作業(yè)環(huán)境。
圖21 料斗機器人焊接單元
目前正計劃在本項目的基礎(chǔ)上,開展料斗全自動化機器人上下料焊接工藝的開發(fā),實現(xiàn)機器人自動上料、組對點焊、焊接、自動下料。
“上饒中材數(shù)字制造系統(tǒng)”的應(yīng)用解決了原來信息化基礎(chǔ)比較薄弱、生產(chǎn)管理依賴人、設(shè)備沒有聯(lián)網(wǎng)、信息化、數(shù)字化程度不高、信息化管理應(yīng)用面較窄的問題。覆蓋全廠區(qū)、全業(yè)務(wù)流的數(shù)字化管理系統(tǒng),實現(xiàn)對銷售、采購、設(shè)計、生產(chǎn)、倉儲物流、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,對產(chǎn)品、設(shè)備、物料、人員、供應(yīng)商等的實時監(jiān)控、智能調(diào)控、精細化管理,全面提升效率、降低成本、增值服務(wù)。建立計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲統(tǒng)一資源池的云數(shù)據(jù)中心。主要自動化設(shè)備、重點生產(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),實現(xiàn)設(shè)備信息、加工信息、能源消耗信息實時采集,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,大數(shù)據(jù)分析為生產(chǎn)經(jīng)營提供預(yù)測和決策支持,實現(xiàn)生產(chǎn)管理的數(shù)字化,制造過程的智能化。
(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,成為大型水泥集團信賴的免檢產(chǎn)品。由于質(zhì)量的提升,在市場上有更多的議價權(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)能提升至原來的2~4倍。
(5) 資源配置優(yōu)化:設(shè)計、工藝、制造、管理、出入庫、物流等環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化,工作效率明顯提升,運營成本降低,產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短,生產(chǎn)管理精細,有效降低庫存。
(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
習近平總書記提出“3060雙碳”目標,為中國工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型按下了“快進鍵”。天津水泥院快速響應(yīng),自主開發(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,包括工廠碳排放數(shù)字化評估平臺和建材裝備產(chǎn)品碳足跡數(shù)字化核算平臺。
工廠碳排放數(shù)字化評估平臺,實現(xiàn)了對工廠全生命周期碳排放的精細化計算和實時動態(tài)監(jiān)控。作為一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,可服務(wù)于各行業(yè)。目前,系統(tǒng)已在公司工程EPC、工廠運維、裝備制造等業(yè)務(wù)全面應(yīng)用,項目落地數(shù)量20余個。碳因子等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量達2余萬條,數(shù)字孿生模型量達100余個,模型元素量達20余萬個。
建材裝備產(chǎn)品碳足跡核算平臺,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,實現(xiàn)對建材裝備產(chǎn)品材料生產(chǎn)、材料運輸、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品發(fā)運、安裝調(diào)試、使用與維護、回收處理全生命周期各階段的碳足跡核算。平臺可提供推薦的核算方案以便用戶使用,也可根據(jù)實際需求,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,平臺可提供一鍵查看核算結(jié)果、生成核算報告,對比核算方案等功能。
圖22 登錄界面
建材行業(yè)的碳達峰、碳中和公共服務(wù)平臺建設(shè)方案應(yīng)用推廣公共服務(wù)平臺遵循邊緣層、IaaS層、PaaS層、SaaS層及企業(yè)應(yīng)用推廣層的五層架構(gòu)標準,重點圍繞建材行業(yè)中企業(yè)碳達峰、碳中和技術(shù)方向不明,系統(tǒng)性不強、供需信息不對稱等問題,研制碳達峰、碳中和公共服務(wù)平臺方法和工具集,研制數(shù)字化管理、個性化定制、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)線技改項目案例
該項目有主機設(shè)備18臺,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,主機設(shè)備產(chǎn)品各階段碳排放見表1、圖26所示。
裝備產(chǎn)品重量、加工電耗、出廠價格、能力與碳排放關(guān)系以及制造、運維階段碳排放量數(shù)據(jù)分析見圖27~31。
表1 HZHK項目主機設(shè)備碳排放量統(tǒng)計表
圖26 HZHK項目主機設(shè)備碳排放量統(tǒng)計圖
分析:
水泥廠主機設(shè)備全生命周期(設(shè)備原材料+設(shè)備制造+設(shè)備運輸+設(shè)備安裝+設(shè)備維護(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。
設(shè)備維護(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、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、步進式篦冷機。
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)品維護階段碳排放
平臺基于設(shè)計運行指標,可一鍵生成工廠運行期間的碳足跡;實時采集生產(chǎn)運行數(shù)據(jù),如產(chǎn)能、煤耗、電耗、余熱發(fā)電等,實時計算、可視化監(jiān)控工廠碳足跡狀態(tài)。HZHK項目監(jiān)控預(yù)警應(yīng)用案例如圖32所示。
圖32 HZHK項目監(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、胡亞東、常斌、孫利波
本成果為中國企業(yè)改革發(fā)展優(yōu)秀成果2021(第五屆)
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