高端裝備篇

第1例 焦作科瑞森重裝股份有限公司 散料連續輸送裝備智能工廠

1.1 簡介

1.1.1 企業簡介

焦作科瑞森重裝股份有限公司（以下簡稱科瑞森）成立于2003年，是一家集機械裝備研發設計、加工制造、海內外營銷、工程總包、遠程運維服務為一體的國家高新技術企業。產品涉及軌道交通、港口碼頭、礦山、冶金、糧食等多個領域，迄今已在全球32個國家實施了EPC總包工程，在國家“一帶一路”倡議的推動下實現了帶式輸送機產品和服務的全球供應。

近年來，公司秉承科技創新引領企業發展的理念，積極對接“中國制造2025”，堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的發展思路，以匠心精工打造行業精品，以其強大的研發團隊和獨有的多元化設計平臺，一直走在物料連續輸送裝備制造技術的前沿。通過在技術、市場、管理等方面的持續發力，陸續研制了“C型高傾角壓帶式輸送機”“隧道掘進連續出渣成套輸送裝備”“履帶輪胎組合移動式皮帶機”等具有自主知識產權、可替代進口產品的新型裝備，突破了多項由外資品牌長期壟斷的核心技術，完全具備了與國際行業巨頭同臺競技的實力，成為我國散料連續輸送裝備制造行業的領軍企業。

1.1.2 案例特點

項目屬于散料連續輸送裝備制造領域，有下列特點：①通過數字化設計、智能制造、遠程運維服務，形成了散料輸送行業一體化離散型智能制造新模式；②通過網絡協同制造、大規模個性化定制和遠程運維服務模式的應用，實現了設備全生命周期的管理；③通過生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化等先進技術應用，做到了工廠各關鍵環節的互聯互通與集成，實現了優質、高效、低耗、綠色、靈活生產。

在項目實施過程中，重點解決下列關鍵技術難題：

1）將視覺傳感器成功應用在搬運機器人上，實現機器人搬運不再依靠定位碼垛的新突破。科瑞森2017年引進的“橫梁噴漆線自動上下件系統”采用視覺傳感器對擺放雜亂無章的托輥橫梁進行拍照并獲取位置數據，將數據傳輸給機器人進行計算并精準地抓取工件。此項技術的突破在國內同行業尚屬首例，解決了搬運工件需重復定位碼垛帶來的許多技術難題，優化了生產線工序、降低了生產成本、提高了生產效率。

2）建立離散型非標生產信息化平臺。受限于工序流轉零散無規律、產品規格尺寸非標、單件小批量新產品較多等剛性問題，離散型非標產品的生產信息化管理是制約離散型智能制造的共性問題。通過“科瑞森智能管控平臺”持續升級，最終實現了基于產品物料清單（BOM）數據在管控平臺中進行全生命周期管理的新模式，做到了從工藝設計、工時工序設置、生成生產計劃、派報工管理、數據收集分析等環節的全平臺控制。

1.2 項目實施情況

1.2.1 項目總體規劃

按照“數字化、信息化、智能化”的設計理念，充分利用互聯網、智能生產管理系統、信息物理系統（CPS）平臺、大數據等先進技術，定制高檔數控機床與工業機器人設備、智能物流與倉儲設備、智能傳感與控制設備等先進智能制造設備，以及產品數據管理（PDM）、客戶關系管理（CRM）、企業資源計劃（ERP）、制造執行系統（MES）、倉庫管理系統（WMS）和運輸管理系統（TMS）等智能化軟件系統形成企業智能管控閉環，推進科瑞森數字化設計、智能生產、智能物流、智能運維以及產品全生命周期管理等方面的快速提升，達到提質、降本、增效、節能、綠色生產的目標，建成散料連續輸送裝備智能制造工廠。項目總體技術架構如圖1-1所示。

1.2.2 建設內容

1.2.2.1 智能設計

科瑞森大都是針對項目的非標產品，因此研發設計的任務量大、時效性強。項目引入數字化三維設計、PDM等智能化軟件，以及基于EDEM的物料仿真工藝設計軟件等，實現工藝和產品的大數據仿真模擬與集成管理，并實現計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助工藝過程設計（CAPP）及PDM、試驗數據管理（TDM）和ERP各管理系統之間的協同。建立集成高效的數字化研發設計管理平臺，為設備全生命周期管理儲存重要的前端數據信息，項目數字化研發平臺架構如圖1-2所示。

1.2.2.2 智能生產

對工廠進行數字化改造，建設自動焊接生產線、自動涂裝生產線；深化產品生命周期管理（PLM）、ERP、MES等系統的集成；打通人機互聯、機物互聯、機機互聯的信息通道，滿足人、機器、生產線的隨需交互，實現物聯網、互聯網融合相通。將傳統的長生產線改造為高度自動化的短生產線，并進行數字化排產，實現柔性化生產。工廠內部通信網絡架構如圖1-3所示。

通過工業以太網將現場層（包括設備、工件、人員等）與執行層MES進行集成，MES獲取訂單拆分為工單，實現工單生產加工、工件智能轉運、看板監控、統計分析等信息化管理，企業信息化管理系統架構如圖1-4所示。

通過ERP管理系統全面升級，實現對企業資源和車間智能生產信息及運維服務信息等有效的互聯互通與集成，解決企業運營過程中出現的信息流問題，減少信息孤島行為，ERP管理系統架構如圖1-5所示。

1.2.2.3 智能運維

鑒于科瑞森全球化的客戶資源和散料輸送裝備行業多站點、分布式、遠程化的使用特點，需要打造面向散料輸送裝備的智能化遠程運維管控平臺，平臺總體架構如圖1-6所示。通過預留的開放數據庫接口和嵌入的智能傳感器，散料輸送裝備實時上傳數據給遠程運維服務系統，進行有效篩選、梳理、存儲與管理，并通過數據挖掘、分析，向用戶提供日常運行維護、在線檢測、預測性維護、故障預警、診斷與修復、運行優化、遠程升級等服務，實現科瑞森產品全生命周期管理的數據集成及共享。遠程運維服務平臺功能模塊如圖1-7所示。

1.2.3 實施途徑

該項目分三個階段逐步推進，第一階段在2016年，第二階段在2017年，第三階段在2018年，各階段已實施的重點內容如下：

1.2.3.1 第一階段

1.項目規劃

與智能制造系統解決方案服務商合作，根據科瑞森的現狀和未來的發展規劃，以及生產特點，制定了針對散料輸送裝備制造行業的離散型智能制造總體建設方案。

2.智能設計

引進PDM和CAE設計軟件，并對CAD等軟件進行了升級，制定了智能化研發設計發展規劃并正式實施。

3.智能生產

購置工業機器人8臺，大型數控設備5臺，智能化管控軟件3套，對ERP及企業智能化管控平臺進行了升級。通過智能化改造升級逐步淘汰傳統老舊設備，建成了智能焊接、智能噴涂、智能上下件等數字化生產線。

4.智能運維

根據企業智能化發展規劃和客戶需求打造遠程服務平臺，成立運維事業部。針對設備全生命周期管理、遠程控制等前沿技術，制定了遠程服務平臺的發展規劃。

1.2.3.2 第二階段

1.智能設計

引進SolidWorks三維設計軟件，建立三維產品模型庫，實現產品三維設計系列化、參數化。搭建了虛擬仿真平臺，初步實現高端輸送機產品的虛擬仿真，改變傳統的“先樣機、再生產”的制造模式，降低新產品研發試制成本，縮短產品研發生產周期。

引進基于EDEM的物料仿真工藝設計軟件，建立了基于離散元技術的散料性質數據庫，研究物料輸送動態特性，在設計階段識別潛在的問題，如堵塞、設備磨損、撒料、跑偏、揚塵等。

通過對CAD/CAE等相關數字化三維設計與工藝設計軟件的升級與集成，可進行產品、工藝設計與仿真，并可以通過物理檢測與試驗進行驗證和優化，實現了產品設計、工藝數據的集成管理和產品試驗、測試、在線檢測數據的管理，有效縮短了產品開發周期，實現了產品結構和文檔的可視化管理，以及產品各類數據快速檢索和重用，可進行快速變型設計。

2.智能生產

1）購置大量智能化生產設備，建立了車間級工業通信網絡。根據項目規劃，公司進一步加大對工廠智能化改造升級的投入，先后實施了高精度托輥智能制造車間、橫梁自動化焊接工作站、等離子坡口切割機器人系統、全自動Z型鋼加工生產線等15個智能化改造項目。定制了30臺（套）智能化工業機器人以及數控彎管機、數控等離子切割機、數控折彎機、雙工作臺龍門移動式數控平面鉆床、數控光纖激光切割機等19臺高檔數控機床和76套用于研發設計、生產管理、遠程運維的智能化軟件，數控設備占比80%以上。

2）應用了人機界面（HMI）以及工業平板等移動終端，實現了生產過程無紙化。在人工操作工位建立了防差錯系統，可適時給予智能提示，同時建立了安燈系統（Andon），實現了工序間的協作。在生產現場采用看板管理，實現在“柔性生產模式”下保證計劃的剛性。由ERP系統制訂一周生產計劃，采購（外協）、車間、物流根據計劃安排外協、生產、配送等準備工作，生產現場根據“周計劃”實行電子看板管理，看板顯示計劃任務、計劃開完工日期、配套和缺料信息等，看板還可以與條碼系統集成，操作員根據完工情況，掃描條碼提交數據，看板直接顯示實際完工情況。現場人員可以在一周范圍內根據看板內半成品配套情況自行調節生產，這樣就可以減少由于不配套導致計劃無法完成的情況，從而有效控制了現場在制品的積壓現象，提高了生產效率，縮短了生產周期。

3）建立了生產過程數據采集和分析系統。生產線關鍵設備可以通過通信總線進行遠程控制，提交必要的數據信息給上位軟件系統，包括狀態信息、生產信息、工藝信息、能耗信息等。硬件通信協議以RJ45接口為主。使用以太網通信，通信鏈路可以鏈接到交換機。軟件通信協議使用了通用開放的總線協議，方便上位軟件進行控制。

4）建立了MES。科瑞森通過MES的應用，實現了從訂單下達到生產完工全過程的透明化管理，包括生產計劃、加工過程、質量管理和設備管理等，規范生產過程，優化各項制造資源，實現生產效率的有效提升。

5）建立了ERP、SCM、CRM管理系統。科瑞森先后建立了資源計劃系統（ERP）、供應鏈管理系統（SCM）、客戶管理系統（CRM），通過各系統的支持，建立了“科瑞森智能管控平臺”，2017年經全面升級后，進一步增強了質量和成本分析的功能。

6）智能化管控系統集成應用。科瑞森充分利用工業物聯網技術，基于“數字化、信息化、智能化”的設計理念，搭建了完善的智能化內部網絡架構，實現生產設備、監控設備、控制系統與定制的智能管控平臺等系統的互聯互通，對公司智能工業機器人、智能物流與控制設備等提供了技術支持和保證。

3.智能運維

1）智能裝備的數據采集、通信和遠程控制功能升級。科瑞森遠程運維服務的所有裝備均配置開放的數據庫接口和嵌入式智能傳感器，具備數據采集、通信和遠程控制等功能。同時配備SDC智能數據采集器，對設備狀態、運行參數等情況進行采集和上傳；數據采集器可以自動判斷裝備起停狀態，觸發停車采集模式、主動采集模式（默認等間隔采集，變化率超限后自動切換到高頻采集模式），數據上傳間隔時間可調（2~3s/10min/2h）。同時具有本地儲存功能，斷網后數據自動保存在本地，重連后可續傳；可采集設備運行參數和工藝類參數，包括電流、電動機功率、軸功率、機身溫度、進氣壓力、排氣壓力、供氣量等。焦作總部的控制中心或管理人員利用手機App，可以對遠程數據進行分析研究，通過云平臺管控系統對設備的運行參數進行遠程設置和調控。

2）遠程運維服務平臺功能升級。功能包括：①遠程監測：服務項目設備的遠程狀態監測有助于掌握整體設備狀態、操作作業和環境情況數據；②遠程調控：通過遠程管理系統的數據監測，有利于項目實施過程的遠程調測和運行故障分析；③遠程監測告警：對于被監測設備發生的各級別的告警和緊急操作，系統做完整記錄和警示，維護人員通過歷史告警數據可以對系統設備的運行狀態做相應分析；④遠程診斷分析：對于監測到異常項目，可以通過歷史數據以及相關數據的趨勢分析和參數對比，輔助判斷分析異常項目的故障因素。

同時，科瑞森遠程運維管理系統內置了研發設計、加工制造、合格檢驗、出廠時間、安裝調試以及上線運行時間、維修記錄等檔案信息，可準確記錄儲存設備運行的起始時間、總時間等數據，得出設備使用的生命周期。系統設計時預留了備件、庫存、日常維護等內容的端口，方便對行業內不同群體對備件需求的情況進行記錄、存儲、查詢，方便設計人員掌握設備配件的生命周期、配件質量等內容，還可以為科瑞森對設備備件的供應商管理提供可靠參數依據。遠程運維服務系統從裝備的研發設計、加工制造，到現場安裝調試，以及后期的運維服務，建立了裝備的全生命周期健康運維管理集成方案，并與用戶實現了信息共享。

3）建立了專家庫和專家咨詢系統。科瑞森遠程運維服務系統設有專門的專家咨詢系統功能模塊，公司整合包括美國、馬來西亞、印度尼西亞在內的國內外優勢技術資源，組建了13人的專家團隊，其中教授級高工5人，博士8人。同時，與東北大學、華中科技大學、河南理工大學、鄭州大學、北京大學建立了產學研和專家協作模式，建立了科學、有效的遠程運維專家庫，主要為裝備的遠程診斷提供智能化決策支持，并為用戶提供科學的運行維護解決方案。

4.信息安全

建立了完善的信息安全技術防護體系，具備網絡防護、應急響應等信息安全保障能力，先后實施部署了防火墻、安網核心路由器、華三核心交換機及層級交換機、高性能服務器，并建設了專業機房，通過100Mbit/s帶寬光纖與聯通骨干網相連接。并與專業網絡安全公司合作，做好安全策略，拒絕外來的惡意攻擊。關鍵軟件均建有安全保護系統，采用了全生命周期的方法可有效避免系統失效。同時，公司建立了完善的工業信息安全保密管理制度，實行信息安全保密責任制，公司系統信息內容更新全部由專業工作人員完成，確保使用網絡和提供信息服務的安全。

1.2.3.3 第三階段

對第二階段實施的項目內容進一步完善、提升、固化，總結經驗、建立標準、申報專利、示范推廣；認真貫徹落實河南省政府“三大改造”政策和省工業和信息化委員會關于《河南省“企業上云”行動計劃（2018—2020年）》，與第三方合作，結合科瑞森實際情況推進工業互聯網平臺建設和企業上云工作。

1.2.3.4 后續實施計劃

計劃每年新增投入300萬~500萬元，用于項目智能化水平的持續改進和軟硬件升級；通過持續改進，實現設計、工藝、制造、管理、物流等環節的產品全生命周期閉環動態優化；推進企業數字化設計、裝備智能化升級、工藝流程化、可視化管理、質量控制與追溯、智能物流等方面的快速提升；通過持續改進，建立高效安全的遠程智能服務系統，大幅度提升嵌入式系統、移動互聯網、大數據分析、智能決策支持系統的集成應用水平。

1.3 實施效果

1.3.1 數字化設計使企業創新能力快速提升

通過數字化三維設計與工藝仿真設計軟件的應用，裝備數字化仿真設計已成為科瑞森創新的助推器。在傳統的裝備研發流程下，對于非標產品過度依賴于樣機的測試，研發團隊是比較痛苦的，需要不斷做結構設計、樣機測試驗證，通過樣機的不斷迭代最后實現開發目標。而這就往往導致產品研發周期較長，成本較高，且難以精確定位裝備在項目施工中的需求。而裝備的數字化仿真設計則是通過數字樣機和數字化仿真試驗循環優化產品設計，讓樣機變成最終方案的驗證。圖1-8展示了仿真模型與實際裝備的對比。

通過仿真分析，拓展了工程師的設計思路，提高了產品創新的速度，提升了整體設計水平和產品質量，可避免裝備運行過程中的堵料現象，降低停機風險，延長設備的運行周期；可精確計算磨損，合適布置襯板；可從源頭上降低揚塵，節省后續的除塵設施；能避免撒料導致的人員安全問題和環境污染問題；可有效避免跑偏，減少傳送帶磨損撕裂的風險，提高運輸設備的使用壽命；可避免超標設計和低能力設計帶來的能耗浪費和運量不足等。圖1-9為EDEM仿真分析軟件的應用實例。

經統計，數字化仿真設計讓科瑞森裝備研發周期縮短50%，研發費用下降50%，數字化產品設計與科瑞森在美國、馬來西亞、印度尼西亞研發中心的數據實現共享，讓全球化協同開發成為可能，可更好地挖掘裝備的改善潛力。數字化仿真設計未來能夠讓裝備的設計達到最優化，能夠更高效地利用研發資源，使產品創新速度得以提高，使科瑞森與用戶的交流更直觀、更高效。

1.3.2 智能制造實現了降本、提質、增效

科瑞森傾力打造的散料輸送裝備智能制造工廠普遍應用自動化、數字化、智能化生產裝備，高精度托輥智能制造車間、機器人焊接生產線、360°數字化噴涂生產線、大型數控加工設備如圖1-10~圖1-13所示。引入多套智能化管控軟件，使先進的數控等離子切割機、數控激光切割機、數控鍛壓機、數控彎管機等各類數控設備以及自動上下料機械手、機器人工作站等互聯互通，實現了生產的自動化、可視化。同時，引入的分布式數控（DNC）智能監控網絡系統具有強大的機床工況數據采集與分析功能，能夠動態獲取機床利用率，提升機臺稼動率。

通過引進WinCC設備監測管理軟件，實現設備運行數字化管理，可詳細掌握各關聯設備（工位）的生產運行情況，并將實際運行數據反饋給計算機終端，對設備的加工記錄及數據進行采集統計，可及時給出改善和調配措施，如圖1-14所示。目前，車間各工序數據自動采集比率已達95%以上。

所建設的生產經營智能管控系統將傳統依靠計劃人員、統計人員、技術工人通過日常口頭溝通、紙單傳達統計的生產制造模式，變革為以智能管控平臺統一協同管理數據、自動化設備自動傳輸統計、信息化系統集成分配資源的現代智能制造模式。銷售訂單錄入系統后，各協同部門自動接收信息和任務，開發設計人員通過協同創新設計平臺進行產品設計及PDM數據庫建立，工藝人員通過PDM數據庫提取產品BOM數據并進行工藝計劃的自動生成，生產計劃部門根據工藝計劃進行各生產車間及工序的自動排產，車間將排產計劃下發至各工位及自動化生產線進行生產制造。生產結束后進行自動報工管理，并通過倉儲物流系統進行入庫和發運計劃的自動排程；通過該智能化管控平臺，讓所有流程和信息流實現在線管控，使生產經營所有關鍵環節實現無紙化辦公。

與傳統制造模式相比，生產效率提高了50%，資源綜合利用率提高20%以上，綜合運營成本降低了40%，產品不良品率下降了17%，物流運作效率提高35%以上。

1.3.3 遠程運維助力企業服務型制造轉型升級

項目通過對科瑞森遠程運維服務系統計費模式以及遠程控制、在線監測、專家庫等功能上的探索和創新，改變了傳統的維護保養一次按配件和工時計費，以及功能不全的問題。通過智能化遠程運維平臺的升級，實現了對用戶裝備進行全生命周期的售后服務，按系統服務時間計算日常運維服務費，對需要更換的配件則按正常銷售流程執行，可實時監測、診斷用戶裝備的運行指標是否正常，并及時給予專業化指導，確保設備的正常運行，并延長設備使用壽命。科瑞森遠程運維服務部分案例（緬甸、巴基斯坦、中國煙臺港）如圖1-15所示。

遠程運維服務平臺的建立和不斷升級進一步提高了公司產品的售后服務水平和品牌形象，使可遠程跟蹤追溯的設備達到90%以上，異常事件響應時間縮短了70%，總裝質量問題可達到100%的追溯。不僅增強了同原有客戶的黏合度，而且使企業每年服務型收入占比提高到了40%以上，進一步提升了科瑞森在售后服務環節上高效、貼心的形象。

1.4 總結

項目形成了散料連續輸送裝備制造行業可復制、可推廣，能實現“自動焊接、自動裝配、自動上下料，多工序自動流轉”的離散型智能化工廠解決方案，以及散料輸送裝備“遠程控制、故障預警、診斷修復、在線檢測及設備全生命周期”的智能化遠程運維解決方案。

建議企業在智能化改造升級過程中：①建設自己的PDM平臺，實現企業設計研發過程的信息化管理，提高設計研發的效率和質量，推進產品開發的標準化程度；②對智能制造車間進行軟硬件改造，在執行設備層引入工業機器人、數控機床等智能制造設備；③在數據采集層、網絡層部署智能傳感器、網絡設備等物聯網基礎節點；④在控制層、管理層引入管理和控制系統，如MES、ERP、PLM等，實現設備之間的互聯互通與集成；⑤搭建各種開放信息服務平臺，共享數據資源，不斷夯實智能制造的數據基礎。企業可根據實際需求和產品及市場特性，考慮開發遠程運維服務系統，通過創新售后服務模式，提高服務質量，提升客戶滿意度，增強客戶對企業品牌的忠誠度。