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徐工:基于装备智能化和全生命周期管理的高端轮式起重装备智能工厂
来源:工信部  : 佚名 2023-03-20 09:12:52
徐州重型机械基于装备智能化和全生命周期管理的高端轮式起重装备智能工厂

自主研发并应用于起重机行业的大型结构件焊接智能化生产线,通过改进优化转 台拼焊工艺、结构焊接工艺和集成检测校型智能装备等手段, 解决了转台结构件智能化 焊接率低、占用人员多、焊后校型反复翻转等问题, 实现工件自动周转、自动对接、自 动焊接、自动检测, 全过程无须人工干预。利用制造信息化系统和物联网平台对生产设 备运行状态进行实时监控与数据采集,生产流程从“人机对话”转向“机器对话”,实 现质量标准信息化、质量记录信息化、质量信息规范化、过程管控精细化、产品档案追 溯化管理。围绕智能化产品,建立远程运维平台,在服务型制造的实践方面效果突出。

企业简介

企业基本情况

徐州重型机械有限公司(以下简称徐工重型)成立于 1995 年,是中国最大、全球 TOP4 的工程机械产品制造商——徐工集团的全资子公司。徐州重型机械有限公司始于 1943 年创建的八路军鲁南第八兵工厂, 1963 年研制出国内首台汽车起重机, 2014 年研 制出世界最大吊重的 1600 吨高端轮式起重机,公司连续 18 年位居中国起重机行业第 一位。2017 年公司智能工厂建设已初显成效, 转台智能生产线入选央视《大国重器》 “智造先锋”专题栏目,成为行业内唯一连续两季登上大国重器舞台的企业。

公司的主营业务是研发、生产和销售 81~600 吨全系列汽车起重机、全地面起重机 和特种起重机。公司持续多年占据国内市场 50%以上份额, 产品销往欧洲、南美等 100 多个国家和地区,连续 15 年销量全球第一,年产规模超万台、产值超百亿元。公司是 中国流动式起重机分标委会秘书处承担单位, 获得 8 项国家级、省部级科技进步奖, 拥 有 470 项发明专利、 2 项国际专利,参与制定 18 项国家标准,并获中国专利金奖,是 行业内首家通过欧盟 CE 认证并具备进军国际高端市场潜力的国家一级企业。

所属行业及特点

按照我国国民经济行业分类(GB/T 4754—2017)标准,徐州重型机械有限公司属 于通用设备制造业大类 (代码 34)、物料搬运设备制造中类(代码 343)、生产专用起重 机制造小类(代码 3432)。

行业特点:具有“多品种、小批量、定制化”的典型离散制造特点, 产品构成复杂, 由液压、电气、软件、重达几十吨的结构件等零部件组成;制造工艺流程复杂, 包括下料、折弯、焊接、铸、锻、热处理、机加工、涂装、装配、调试、包装入库。

智能制造亮点及模式

1. 自主研发起重机大型结构件转台智能生产线,突破重载智能物流技术

建成转台智能生产线, 成功突破柔性化难题, 实现重载物流配送下精确定位、快速 对接、在线翻转、自动化上下料、自动化输送, 形成起重机转台结构的输送、变位、装 夹、上下料一体化柔性成套装备。

2. 建设设备互联互通和信息高度集成的柔性化智能车间,生产效率和产品质 量大幅提升

建成由 9 条生产线组成的 3 个智能化车间, 实现关键设备互联互通, 设备运行状态 实时采集, 加工程序自动调用和识别补偿。突破大型复杂结构件检测校型智能匹配、细 长箱型臂焊接变形精确控制等 15 项柔性制造技术,实现不同工件的快速定位、自动夹 紧和快速调整, 确保制造过程中少换模、快换模, 解决行业内普遍存在的大型工件装夹 效率低、劳动强度大等问题, 实现一人多机作业、加工离线编程、产品在线检测, 提升 效率和产品质量。

3.打造覆盖制造全过程的整机智能化在线检测系统,确保制造一致性

徐州重型机械有限公司在行业内率先制定起重机性能评价指标及检测标准,成功 将整机的事后调试检测转变为生产过程在线检测, 实现工程机械领域整机性能检测的标 准化、数据化、智能化及精准控制, 提升整机检测效率, 降低产品超早期反馈率。逐步 将整机性能在线检测向前扩展延伸至系统在线检测、结构件和零部件在线检测, 实现整 机 90 个关键质控点 100%在线检测, 装配过程控制一致性达到 4σ水平, 引领了工程机 械行业产品质量控制模式的颠覆性变革。

4.实现起重机上下游供应链联动,实现产品全生命周期信息追溯

徐工重型通过 QMS 集成了供应商信息, 通过智能高效的检测手段及 SCADA 系统 采集了制造过程信息,通过 MES 与 CRM 系统的集成将信息传递到市场,通过物联网 集成了用户使用过程信息, 所有信息都与产品唯一识别码关联, 形成“一机一档一册”,智能检测、 数据采集、系统集成、物联网应用都降低了信息收集和追溯的成本, 提高了 追溯效率, 使得产品全生命周期的信息追溯在民用装备的制造和服务过程成为可能, 为 制造与服务业态融合打下基础,也可为再制造产业的发展积累原始数据。

5.搭建起重机产品远程运维服务平台,开展产品远程诊断和预测性维护

通过远程运维服务平台,开展基于大数据驱动的故障预测、智能化设备健康管理。 实时收集约 6 万台起重机产品运行工况信息, 通过数据挖掘和分析可以有效支撑产品 全生命周期监测, 包含精准定位、实时监测设备工况信息、远程遥控和远程故障诊断等。 为全球企业客户和个人客户提供统一的设备监控、设备分析、维保管理等。

智能制造项目建设

项目背景

当前制造业处于自动化、 信息化和智能化“三化”并存阶段, 国内科研院所及企业 在机械加工、焊接、装夹、校型、检测和智能物流等传统制造技术, 以及单台先进装备 的研制和生产线自动化技术研究方面取得很多技术成果, 对这些技术成果加以优化和革 新具有重大的经济效益。另外, 三维仿真软件、传感技术、网络技术、数据与信息的采 集技术、智能控制技术、MES 及 ERP 现代系统管理技术等单科信息技术, 在产品设计、 制造、服务管理等方面的应用已经非常成熟, 但在工程机械行业的应用研究才刚刚起步。 经过对工程机械起重机行业及相近行业的调研发现, 多品种、小批量、离散制造的大型 结构件生产过程仍以“手工焊接、盘架式作业、行车叉车转运”为主, 过程中的设备数 据、质量数据仍依靠人工记录、分析, 在“制造+信息”技术、大数据分析技术等多学 科技术融合方面没有可复制、可借鉴的成熟经验。

实施路径

徐州重型机械有限公司注重智能制造总体规划和顶层设计, 以“自上而下设计、自下而上集成”为实施策略,坚持“问题导向、需求导向”,整体部署、分步实施、平行 推进。整体路径历程主要分为五步:

第一步:顶层设计, 制订总体实施方案。开展徐工重型智能制造顶层设计, 围绕“设 施互联、系统互通、数据互享、业态互融”四个原则, 制订徐工重型“高端轮式起重装 备智能工厂建设”模式及解决方案。

第二步:技术攻关, 突破共性技术及核心制造装备。开展产品结构统型及制造工艺 流程优化, 突破大型结构件智能焊接、智能加工、检测校型、在线检测等共性工艺技术 及制造装备,为智能生产线建设提供重要支撑。

第三步:试点实施, 建立智能生产线改造先行试点。对原有设备改造升级, 通过增 加智能物流、智能校型、在线检测、信息化软件系统等手段, 提升制造水平, 打造大型 结构件智能焊接生产线。

第四步:构建研发、制造、服务及大数据平台, 形成智能工厂新模式及标准。基于 新一代信息技术和工业互联网平台, 建立数据驱动的全球协同研发平台、智能管理与决 策分析平台、智能产品远程运维服务平台, 构建基于制造大数据的智能诊断及服务平台, 创建智能工厂新模式及标准,智能工厂初步运行。

第五步:模式推广与示范应用。在徐工重型高端轮式起重装备智能工厂基础上, 将 新模式及成果推广到徐工集团所属的其他工厂。

1.智能工厂规划

徐州重型机械有限公司在企业“十三五”战略规划中明确了加快推进智能制造升级, 构建工业互联网平台, 打造智慧型企业的重大战略举措:一是开展关键信息平台建设与 集成应用;二是加快工厂生产线智能化改造升级, 打造数据驱动的生产组织模式;三是 深度挖掘工业大数据价值,提高运营与决策支持水平。

a.需求分析

徐州重型机械有限公司实施智能制造的需求主要有 3 个方面:

(1)“三高一大”产品发展需求:徐工重型主要研制生产的大吨位起重机及特种起重机,是 “三高一大”(高端、高技术含量、高附加值、大吨位)产品,技术水平达 到了世界领先水平,但围绕着世界第一的追求,需要继续在产品可靠性方面突破。

(2) 市场国际化竞争需求:大吨位起重机、越野轮胎式起重机定位于欧美、日本等 国际化市场, 参与“一带一路”建设, 国内外环境为工程机械行业快速发展创造了一个 新的机遇期。

(3) 企业智能制造需求:提升高端轮式起重机生产制造能力, 实现“多品种、小批 量、定制化”智能制造, 支撑国际市场快速交付、高可靠性交付要求, 进入国际高端市 场,是公司国际化战略定位发展的迫切需求。

b.总体规划

徐州重型机械有限公司智能工厂建设主要内容涵盖轮式起重机研发设计、生产制 造和运维服务全过程。在研发设计环节, 重点实施工厂与工艺建模仿真, 建设 PDM 系 统, 实现数字化产品与工艺协同研发;在生产制造环节, 重点建设数字化车间及智能生 产线, 配置 SCADA 系统、MES、APS 等, 并实施各核心系统的集成, 实现设备互联和 系统互通;在运维服务环节, 重点建设基于大数据驱动的远程运维服务平台, 实现数据 共享和业态互融。徐工重型智能制造蓝图如图 1 所示。

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图 1 徐工重型智能制造蓝图

c.人员组织设置

徐州重型机械有限公司内部设立了智能制造推进项目组,主责部门是工艺技术部 门和信息化管理部门, 制造分厂是智能制造的具体执行和实施部门, 其他部门分别从各 自职能领域提供支持。

2.实施内容

徐工重型智能工厂建设由六大任务构成,详细任务分解如下:

a.通过实施数字化三维产品研发设计、工艺设计、产品数据管理,构建数据驱动 的协同研发平台,提升研发效率

(1) 数字化产品研发设计系统:以 TOP-DOWN 数字化三维设计为基础, 建立智能 化产品协同研发信息平台, 构建支撑自上而下设计方法的模块化研发设计系统;实施基 于三维模型的产品仿真, 强化产品技术试验和测试、设计计算和仿真分析;建立数字化 技术文件发布系统, 构建产品技术文件的数字化管理体系, 提升施工起重装备智能化水 平和可靠性。

(2) 数字化工艺设计系统:实施三维数字化工艺设计, 并与产品设计协同, 向现场 发布基于三维模型的工艺指导文件和仿真动画,提升工艺文件指导性。

(3) 物理检测与试验验证及优化:应用数字化仿真软件, 构建具备与实物高切合度 的验证试验台, 提升产品研发可靠性;搭建测试数据管理(TDM) 系统, 打造标准化的 测试管理体系。

(4) 产品数据管理(PDM) 系统:深化研发项目管理平台, 实现项目全过程数字化 管控;构建产品多配置管理系统, 实现研发端多配置向营销端扩展;建立技术协议数据 库,实现从文档管理到模块化、结构化数据管理的转变。

b.通过应用三维虚拟仿真技术,搭建智能工厂工程设计模型,保证智能工厂总体 设计的合理性

(1) 智能工厂工程设计模型:应用三维虚拟仿真技术, 对 9 条智能生产线、 3 个数 字化车间组成的智能工厂进行工厂工程设计建模与仿真, 分析优化总体工艺流程、工艺布局,保证智能工厂布局合理性。

(2) 智能工厂及车间的物流建模与仿真:应用计算机辅助技术和虚拟仿真技术, 对 工厂整体、物流仓储中心、智能生产线的运行情况进行物流仿真分析, 根据仿真结果对 物流系统进行优化调整,形成智能工厂物流系统优化方案。

c.通过实施标准工序细化、自动化加工技术与在线检测技术研究,部署 9 条智能 化生产线,实现无人化、少人化制造

(1)建设结构件数字化车间:通过开展结构件焊接标准工序细化、焊接工序前移、 结构件组件化拼焊等工艺研究, 提升结构件自动化焊接率;开展结构件制造工艺流程及 车间布局建模, 直观可视化展示生产线生产过程, 优化工艺布局;建设由转台结构智能 制造生产线、车架结构智能拼焊生产线、伸臂结构智能制造单元 3 条智能生产线组成的 结构件数字化车间,提升生产效率。

(2) 建设核心零部件数字化车间:通过开展关键机构件自动化焊接工艺、装配工序 优化及在线检测工艺研究, 提升产品质量;开展关键液压元件自动化加工、机器人自动 输送、高效清洗等工艺研究, 提升生产效率。开展核心零部件制造工艺流程及车间布局 建模, 优化工艺布局;建设由关键机构件柔性生产线、控制系统装配检测线、关键液压 元件智能生产线 3 条智能生产线组成的核心零部件数字化车间,提升核心零部件质量。

(3) 建设整机装配检测数字化车间:通过开展底盘悬架系统、传动系统、操纵系统 等分装系统工艺研究, 提升装配生产效率;开展零部件、系统和整机性能检测系统研究, 实现产品制造全流程质量在线检测和控制;开展装配与检测工艺流程及车间布局建模, 建设由底盘装配检测生产线、整机装配检测生产线、性能检测单元 3 条智能生产线组成 的整机装配检测数字化车间,提升产品可靠性。

d.多源异构信息系统数据集成技术应用, 实现全生命周期的端到端集成,突破产 业链信息流优化瓶颈

通过综合分析与研究异构数据集成体系结构、模式映射、模式冲突, 集成内部各业 务流程信息系统, 贯穿研发、制造、销售、后市场全过程。同时, 通过统一平台向上游 供应链延伸,将信息系统与供应商信息系统进行对接,实现与上游供应链生产、物流、 质量等信息的无缝对接。在集成多维度数据的同时优化业务流, 实现产品全方位信息的 综合管理与分析, 促进产品全生命周期的全过程优化, 同时拉动供应链在产品质量、制造、管理等方面迈上新台阶。

e.通过建设工厂网络架构,实施信息系统集成,打通数据链,实现全流程数字化 管理

(1)工厂网络架构建设:网络设备升级, 对在用网络核心引擎和接口板卡进行升级。 优化网络架构,核心层由一主一备工作模式升级为双工模式并配置 VSS 三层虚拟化; 汇聚层设备由分厂全部迁移至数据中心, 统一管理, 所有网关由核心下放至汇聚层;建 设基于工业 PON 技术的新型工业以太网,实现生产设备的网络互联。

(2)依托于 MES,向外拓展并整体涵盖产品设计研发与制造集成、生产管理、供 销服务、质量管控四大方面, 涵盖数字化三维产品设计、三维工艺设计、产品数据管理 (PDM)、质量管理(QMS)、客户管理(CRM) 等,形成一体化运作平台, 实现了物流、 资金流、信息流、工作流的四流合一,全价值链数字化管理。

f.基于工业控制系统信息安全标准,建设大数据管理中心,部署网络安全防护体 系, 提升数据稳定性和安全

(1) 依据国家 B 类机房标准, 建设集数据存储、数据备份功能的高等级数据中心, 实现体系化、标准化、规范化、流程化运维管理, 从而保障数据中心安全、稳定、可靠 运行。

(2) 实施电子文件安全管理系统, 实现图纸、技术文件、办公文档等按需加密, 硬 件端口可控,从而提高电子文档的安全性、保密性。

(3) 实施和综合应用桌面监控系统、企业级防病毒系统和上网行为管理系统等安全 措施,提高信息系统的安全性。

实施成效

徐工重型智能工厂建成后,实现了生产效率、运营成本、研制周期、产品质量 以及能源利用率等企业生产经营关键指标的大幅改善。考核指标及指标分解如表 1 所示。

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经验复制推广

在轮式起重机智能工厂建设过程中以及建设完成后,徐工重型在智能工厂顶层设 计、信息系统实施及系统集成、智能生产线的建设或改造升级等方面都积累了大量的宝 贵经验, 创造了离散型制造企业实施智能制造的新模式。这种经验和模式在行业内主机 生产企业、零部件配套企业、上下游产业链企业乃至行业外离散型机械制造企业都得到 了很好的推广应用,部分自主研发的智能制造装备已经被行业内其他企业模仿和复制。

经验内部推广

1. 离散型智能工厂顶层设计规划示范

通过轮式起重机智能工厂建设,徐州重型机械有限公司探索形成了以智能装备和 生产线为基础,以 MES 和 SCADA 系统建设为突破口,以核心信息系统集成为主线, 以大数据应用为驱动, 以打造产品高可靠性为目标的智能工厂模型, 采取自上而下设计、自下而上集成的实施策略, 为离散型智能工厂顶层设计规划提供了良好示范。该模式已成功推广至徐工集团内部的挖机、 混凝土机械两家企业, 助力两家企业成功申报江苏省 智能制造示范工厂。.

2.离散型制造企业实施信息系统集成示范

在智能工厂建设中, 徐州重型机械有限公司采用了工业互联网、 工业云平台、工业 大数据等新一代信息技术, 对研发、生产、管理、服务等全流程的信息系统进行泛在连 接和高度集成, 创新应用了多源异构信息融合及系统间数据集成与交互等技术, 为离散 型制造企业实施信息系统集成提供了示范。目前推广到了徐工集团内部的挖机、混凝土 机械、高空作业平台机械 3 家企业,正在进行系统集成项目实施。

经验外部推广

上下游产业链转型升级和协同发展示范。在智能工厂建设中, 徐州重型机械有限公 司同步研发了新一代智能化产品, 包括轮式起重机新型断开式车桥, 高端泵、阀、马达 等液压元件, 智能控制系统等核心零部件, 并应用了国产 Q1100 超高强钢板等原材料, 带动了上游供应商产业升级。同时智能焊接机器人、重载智能物流装备等核心技术装备 的应用, 为国产装备提供了早期验证和推广应用的平台, 带动了国产核心技术装备协同 发展。目前已带动唐山开元、南京钢铁等产业链配套公司转型升级。

体会与建议

体会

1. 做好顶层设计是实施智能制造的前提保障

智能制造是一项系统工程, 做好顶层设计是实施智能制造的前提保障。实施智能制 造涉及的业务面广泛, 包含了底层装备的自动化改造及生产线建设、设备的互联互通、生产及质量数据的采集、 信息系统的实施应用、信息系统集成以及业务协同、跨企业的 供应链协同、大数据研究应用等; 实施智能制造要从“研、产、供、销、服”整个企业 经营的全价值链进行推进, 各个环节环环相扣、紧密结合; 实施智能制造需要产品技术、 制造技术、信息技术多学科交叉融合、融会贯通,一支专业化的人才队伍是资源保障; 以企业为主体, 研究院所、高等院校和各类供应商参与合作的“产学研用”联合体组织 是动力源泉。

2. 信息透明化、可视化和实时化是贯穿智能制造推进过程的灵魂

智能制造推进过程中, 将沉淀在各项业务底层的数据和信息挖掘出来, 包括产品生 产过程信息、质量信息、能源消耗信息等, 各类信息通过过滤和集成, 应用信息系统可 视化手段展现出来,做到信息流与业务流的同步性、一致性,随着信息透明度的提升, 将发现各项业务潜藏的各类问题,取得意想不到的实施效果。

3. 业务数字化是推进智能制造的核心手段,业务协同是推进智能制造的关键举措

数字化是各个信息系统实施的关键, 也只有数字化才能使业务透明化。数字化是系 统集成、业务融合的基础, 数字化程度越高, 业务的集成度就越高, 业务的协同性就越 好, 智能制造的实施效果也越明显。业务协同由低到高分为三个层级:单项业务内部的 协同、跨业务的协同、跨产业链的协同。协同层级越高, 实施难度越大, 获得的效益也 越大。

4. 分步实施、持续迭代是推进智能制造的正确路径

智能制造工程建设是一场持久战,实施智能制造绝不是一蹴而就的,统筹规划、 分步实施、持续推进才能最终取得效果。在智能制造推进过程中,不同的阶段对各个 业务的要求、相适应的信息系统、应采用的技术手段都是不同的,业务需要层层提升、 逐步扩展,信息系统需要迭代更新,系统集成度需要不断加强,因此,打好持久战才 能取得最终胜利。

建议

实施智能制造要做好顶层设计规划,抓住信息透明化的“牛鼻子”,大力推进结构 化、数字化,高度重视各层级业务协同化,持续推进实施。

(1) 推进智能制造必须结合企业实际, 实事求是、脚踏实地地进行。各企业的业务 不同, 存在的核心问题有差异, 核心需求不同, 实施基础不同, 因此, 实施智能制造必 须从企业自身实际出发,有针对性地开展各项工作。

(2) 推进智能制造必须持之以恒、循序渐进、步步提升,若是选择跳跃式发展将 带来较高的实施风险。自动化、信息化、数字化和智能化是逐步递进的过程,同时也 是相互促进的关系。一些企业大力推进自动化改造,但是设备不能互联互通、业务不 能协同,则很难取得智能制造的实质性成果。

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编辑:雷生杰
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