一、企業(yè)背景

河北五維航電科技股份有限公司是一家專注于特種合金材料零部件的技術研發(fā)與生產(chǎn)制造的企業(yè)，主要客戶有哈爾濱汽輪機、北重汽輪機、哈爾濱汽輪機、美國通用電氣、法國阿爾斯通、奧地利安德里茨、德國曼恩等。公司核心技術是以特種合金材料的技術開發(fā)以及特種涂層技術為基礎，專注于火電與工業(yè)汽輪機、燃機、水電、核電等高端能源裝備應用領域。

二、業(yè)務發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

公司客戶非常優(yōu)質(zhì)，訂單多，但是公司整體效益低下。主要面臨的問題是訂單生產(chǎn)周期長，客戶訂單無法按時交付，內(nèi)部生產(chǎn)計劃組織混亂，產(chǎn)能不足，資源整體利用率差，同時特種合金材料零部件的定制化生產(chǎn)與精密加工對企業(yè)的協(xié)同設計、協(xié)同生產(chǎn)、協(xié)同供應鏈提出了更高的要求，大量的研發(fā)設計、材料檢測、供應鏈協(xié)同、生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)需要記錄、分析、反饋、決策。

2017年7月，五維航電在張家口市經(jīng)信委的積極推動下與煙臺恒遠智能科技、中國電信簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，正式啟動數(shù)字化管理轉型升級項目，重點推動企業(yè)內(nèi)部的數(shù)字化制造協(xié)同為目標，優(yōu)化企業(yè)內(nèi)部資源配置，縮短產(chǎn)品制造周期，加快制造速度，降低制造成本。

煙臺恒遠智能科技有限公司作為項目的主要實施單位，致力于數(shù)字化工廠的頂層設計與工業(yè)軟件的應用開發(fā)，為客戶提供整體的數(shù)字化工廠解決方案與服務，核心技術與產(chǎn)品有生產(chǎn)設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采技術、數(shù)字化車間管理應用平臺Dssplat、基于云計算的工業(yè)APP微應用等。

三、項目概況

五維項目基于電信工業(yè)PON網(wǎng)絡與恒遠智能科技的設備聯(lián)網(wǎng)數(shù)采技術與數(shù)字化車間Dssplat產(chǎn)品，建立由訂單開始-訂單統(tǒng)籌-訂單執(zhí)行-訂單交付完整的數(shù)字化制造管理協(xié)同平臺，實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)集成與應用。

1.項目背景

1)企業(yè)背景

五維航電發(fā)展目前面臨以下幾個突出問題和潛在需求：

產(chǎn)品定制化需求程度高，但工廠內(nèi)部整體響應速度滿足不了客戶交期。

計劃統(tǒng)籌與組織能力弱化，造成各生產(chǎn)工序脫節(jié)，生產(chǎn)協(xié)同性差。

車間生產(chǎn)加工與計劃脫節(jié)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不透明，潛在浪費嚴重，生產(chǎn)成本居高不下。如無法對設備、人員的生產(chǎn)效率進行有效評估，管理精細度低。

2)行業(yè)背景

五維在特種合金材料零部件制造行業(yè)客戶優(yōu)質(zhì)，新能源新材料領域有核心的技術優(yōu)勢和競爭力，急需對公司的運營與管理進行升級提升，以便后續(xù)公司在核電與海工領域、海外市場的戰(zhàn)略部署。

3)項目可行性與資源優(yōu)勢

五維的產(chǎn)品特性與材料技術決定了工廠生產(chǎn)以設備加工為制造主體，所有的人員、物料、方法、工具等生產(chǎn)要素都要經(jīng)過以設備為單元構成的加工中心，并且材料研發(fā)設計使用大量先進的熱處理、材料檢測等精密儀器與設備，為項目的智能聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集提供了物理基礎。

2.項目簡介

數(shù)字化協(xié)同制造項目整體規(guī)劃以底層的工業(yè)級網(wǎng)絡搭建與設備數(shù)采為技術支撐，以各生產(chǎn)要素集成的數(shù)字化工位搭建為系統(tǒng)核心，車間級綜合數(shù)字化管理平臺為數(shù)據(jù)應用載體，以工業(yè)級微應用APP為數(shù)字化系統(tǒng)的重要延伸。主要分為以下幾個實施階段：

圖1 數(shù)字化協(xié)同制造項目規(guī)劃

工業(yè)網(wǎng)絡：以電信的工業(yè)PON網(wǎng)絡為基礎進行車間級工業(yè)網(wǎng)絡的整體升級，搭建設備運行與數(shù)采的網(wǎng)絡基礎設施。

數(shù)據(jù)采集：應用恒遠科技的設備數(shù)采技術，根據(jù)不同的設備接口與通訊協(xié)議，設計數(shù)采方案，EverMonitor進行設備級的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)字工位搭建：集合設備加工的人員、物料、工具、作業(yè)方法、技術圖紙等生產(chǎn)要素數(shù)字化，結合設備自身狀態(tài)監(jiān)控、加工參數(shù)采集，形成完整的工位級數(shù)字化管理生態(tài)。

車間級數(shù)字化管理平臺：綜合計劃管理、品質(zhì)管理、工藝管理、物料管理、人員管理、效率管理等多個模塊及功能應用，實現(xiàn)對車間的全方位的數(shù)字化升級管理。

工業(yè)級微應用APP：針對五維特定的應用場景，開發(fā)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(xié)同化

多樣化的產(chǎn)品形態(tài)，導致整個制造鏈條信息冗雜，管理難度高、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)速度與效率低下，通過數(shù)字化平臺，將設計-采購-制造-倉儲-物流-交付-服務等各個環(huán)節(jié)打通，進行數(shù)據(jù)集合與應用，實現(xiàn)協(xié)同設計、協(xié)同制造及供應鏈協(xié)同。

2)產(chǎn)品智能化

裝備制造的關鍵材料、核心部件的設計、研發(fā)、測試的大數(shù)據(jù)采集、分析，如材料研發(fā)設計參數(shù)、監(jiān)測評價數(shù)據(jù)等；產(chǎn)品智能化遠程運行參數(shù)監(jiān)控與預警；

圖2 特種合金零部件產(chǎn)品工藝圖

四、項目實施

五維航電數(shù)字化管理升級項目一期主要以數(shù)字化協(xié)同制造為目標，重點是企業(yè)對內(nèi)部制造過程進行數(shù)字化升級改造。

1. 項目總體架構和主要內(nèi)容

圖3 項目總體架構

五維協(xié)同制造數(shù)字化平臺總體架構主要分為：流程層、設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采層、數(shù)據(jù)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(tǒng)進行流程建模仿真與模型設計，對公司整體業(yè)務進行價值流分析與設計，識別系統(tǒng)TOC流程點與缺失項，進一步定義數(shù)字化匹配的標準業(yè)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）設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采層

基于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等通信協(xié)議，4G網(wǎng)絡、NB-IOT等無線通信協(xié)議將設備接入網(wǎng)絡；通過EverMonitor采集設備進行加工參數(shù)、設備狀態(tài)、故障分析與預警等實時數(shù)據(jù)的采集，內(nèi)部集成了多種采集協(xié)議，兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等各類工業(yè)通信協(xié)議和軟件通信接口，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉換和統(tǒng)一，另一方面基于盒子的內(nèi)置高性能芯片與處理系統(tǒng)，能夠將數(shù)據(jù)從邊緣側、傳輸?shù)皆贫耍瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程接入。

圖4 設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采結構圖

（3）數(shù)據(jù)中心模型層

所有采集的數(shù)據(jù)會存儲到數(shù)據(jù)中心模型集成庫，除了存儲功能，核心功能是封裝了幾百種工業(yè)技術、管理技術、機器學習、數(shù)理統(tǒng)計的算法，實現(xiàn)機理建模，能夠對歷史數(shù)據(jù)、 實時數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)進行聚類、關聯(lián)和預測分析。如五維集成了更多的特種材料的設計仿真算法模型、定制化材料加工的流程算法模型，實現(xiàn)對現(xiàn)有資源的優(yōu)化配置。

（4）應用平臺與微應用層

基于五維特定的研發(fā)設計端與生產(chǎn)制造端的問題，建立一體化的數(shù)字化車間管理應用平臺，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)集成與應用。

圖5 數(shù)字化管理平臺

1)搭建數(shù)字化Dssplat平臺，建立由訂單開始-訂單統(tǒng)籌-訂單執(zhí)行-訂單交付完整的數(shù)字化制造管理協(xié)同平臺。

2)基于關鍵工序與瓶頸設備，集成人員、設備、物料、工具、方法等生產(chǎn)要素建立以設備加工中心為核心的數(shù)字工位。

圖6 數(shù)字工位

圖7 工業(yè)APP微應用

3)基于特定場景，深度挖掘數(shù)據(jù)價值與用戶行為分析，開發(fā)移動端的工業(yè)APP微應用服務，如異常管理微應用、設備智能管家微應用、訂單執(zhí)行管理平臺微應用等。

4)全面的可視化運營決策數(shù)字化管理平臺與移動領導駕駛艙應用。

圖8 領導駕駛艙

2. 網(wǎng)絡互聯(lián)架構

工業(yè)PON網(wǎng)絡系統(tǒng)是中國電信立足于構筑新一代智能通訊網(wǎng)，在對傳統(tǒng)工業(yè)交換機系統(tǒng)研究基礎之上，結合最尖端的無源光網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，創(chuàng)新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。

圖9 網(wǎng)絡架構圖

項目通過工業(yè)PON網(wǎng)絡系統(tǒng)為企業(yè)構建雙冗余容錯環(huán)網(wǎng)，確保生產(chǎn)網(wǎng)絡出現(xiàn)連接中斷的情況時，立即啟用另外一條通路，使網(wǎng)絡通信的可靠性大大提高。

工業(yè)PON網(wǎng)絡在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓撲結構實現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。

車間現(xiàn)場采用移動終端掃描二維碼方式采集數(shù)據(jù)，需要通過無線網(wǎng)絡接入，但是車間現(xiàn)場環(huán)境復雜，電磁干擾密布，為了滿足車間現(xiàn)場對生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性需求，采用工業(yè)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(yōu)AP，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3. 數(shù)據(jù)架構和應用

數(shù)據(jù)是企業(yè)未來核心資產(chǎn)，數(shù)據(jù)就是價值，數(shù)據(jù)架構決定企業(yè)能否將數(shù)據(jù)有效采集和利用。

圖10 數(shù)據(jù)架構和應用

我們將數(shù)據(jù)分為三大類，設備實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)。其中，設備實時數(shù)據(jù)由系統(tǒng)通過設備接口和協(xié)議自動采集，生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)由生產(chǎn)過程中的參與人員通過二位碼掃描采集，業(yè)務數(shù)據(jù)由生產(chǎn)管理人員通過系統(tǒng)Web端頁面操作錄入。

設備實時數(shù)據(jù)是設備運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括設備運行狀態(tài)、故障代碼、核心參數(shù)等，由系統(tǒng)通過設備協(xié)議自動采集，采集頻率高，數(shù)據(jù)量大。所以我們在采集終端進行了預處理和格式化，并用Redis做緩存控制，減少通信中斷對數(shù)據(jù)采集造成的影響。

數(shù)據(jù)按照格式轉發(fā)到服務器端后，服務器會對數(shù)據(jù)進行二次清洗，將業(yè)務相關數(shù)據(jù)存入業(yè)務數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)管理和協(xié)同提供支持。業(yè)務數(shù)據(jù)庫使用用開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL搭建，輕量化、低成本，完全滿足生產(chǎn)需要。

其他設備數(shù)據(jù)將會被實時轉存到非關系型數(shù)據(jù)庫中，進行持久化存儲，為大數(shù)據(jù)分析建立基礎。此數(shù)據(jù)庫用MongoDB進行管理，MongoDB也是開源數(shù)據(jù)庫技術，支持高并發(fā)寫入和分布式存儲，性能優(yōu)越。

五、下一步實施計劃

圖11 項目遠期規(guī)劃

1.智能化產(chǎn)品

特種合金材料零部件的使用環(huán)境要耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，產(chǎn)品的使用壽命、產(chǎn)品的附加值高，零部件本身的損耗對大型裝備的運行性能影響大，如核電設備對零部件的使用狀態(tài)要求較高，但缺乏必要的監(jiān)控手段。后續(xù)會針對一部分高端產(chǎn)品進行物聯(lián)網(wǎng)技術應用和智能化改造，如高端合金材料智能螺栓，通過耐高溫特種傳感器技術進行遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，實時對零部件的運行狀況數(shù)據(jù)進行預警，提高維保的效率與整體設備的穩(wěn)定性。

2. 智慧供應鏈

通過物聯(lián)網(wǎng)、服務計算、云計算等信息計算與制造技術融合，構成智慧供應鏈平臺，實現(xiàn)軟硬件制造資源和能力的全系統(tǒng)、全生命周期、全方位的感知、互聯(lián)、決策、控制、執(zhí)行和服務化，進而實現(xiàn)人、機、物、信息的集成、共享、協(xié)同與優(yōu)化。

3. 行業(yè)大數(shù)據(jù)平臺

進行行業(yè)數(shù)據(jù)與資源整理，建立特種合金材料的研發(fā)設計大數(shù)據(jù)平臺，為行業(yè)內(nèi)的特種材料企業(yè)提供數(shù)據(jù)仿真模擬、數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析服務。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術對特種合金材料零部件產(chǎn)品的智慧化改造，逐步建立核定領域的零部件運維監(jiān)控中心，為終端用戶提供遠程運維與監(jiān)測預警服務，降低企業(yè)運維成本。

六、項目創(chuàng)新點和實施效果

1. 項目先進性及創(chuàng)新點

（1）設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采技術應用

基于恒遠科技EverMonitor的設備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)采技術，設計多協(xié)議、多設備的標準化集成采集技術方案。如智能監(jiān)控預警，設備聯(lián)網(wǎng)并實時監(jiān)測材料車間的冶煉設備、熱處理設備、機加工設備監(jiān)控爐溫曲線、轉軸與進刀速度等工藝參數(shù)，實現(xiàn)預警功能。

（2）工業(yè)級APP微應用

基于五維的數(shù)字化管理平臺，結合客戶瓶頸工位與關鍵問題，深度挖掘數(shù)據(jù)價值與用戶行為分析，開發(fā)應用了多個工業(yè)APP微應用。

如異常管理數(shù)字化APP，可解決異常頻發(fā)、管理鏈條長的問題；設備智能管家APP，解決設備生命周期管理數(shù)字化的問題等等。

（3）行業(yè)數(shù)字化平臺解決方案

形成了特種合金材料零部件制造行業(yè)的標準數(shù)字化制造端到端的應用解決方案，實現(xiàn)了設備、人員、物料等資源要素的.橫向網(wǎng)絡化集成，同時打通了由設計研發(fā)到生產(chǎn)制造的縱向集成。

如設計數(shù)字化仿真應用，合金材料的配方研發(fā)實現(xiàn)數(shù)字化仿真模擬應用，建立試樣工藝參數(shù)模型，并進行3D畫面動態(tài)演示與數(shù)據(jù)算法簡易化配置。如檢測評價智能分析應用，對檢測設備進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)智能化檢測與評價，建立檢測評價中心大數(shù)據(jù)庫。

圖12 行業(yè)數(shù)字化平臺橫向集成方案

2. 實施效果

（1）制造速度提升

通過訂單的數(shù)字化車間管理平臺，減少研發(fā)、設計、工藝、采購、生產(chǎn)之間的信息不協(xié)同問題，提高計劃組織的準確性，產(chǎn)品的平均生產(chǎn)周期由 5~6 個月左右縮短至 1~3個月；產(chǎn)品的準時交付率由 47%提升至 75% ；

（2）生產(chǎn)成本下降

通過生產(chǎn)制造的實時數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)品標準工時數(shù)據(jù)可以實時分析，并生成人均產(chǎn)出和效率報表；同時，設備數(shù)字工位的設備狀態(tài)、停機故障時間、任務與產(chǎn)能的大數(shù)據(jù)分析，實時核算設備OEE；報廢率、不良率等指標可視化，制造成本數(shù)據(jù)能夠實時核算與分析、預警，產(chǎn)品的單位制造成本降低 5%~15% 。

（3）效率提升

制造數(shù)據(jù)的可視化與領導駕駛艙的搭建，為運營決策提供大量的數(shù)據(jù)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，異常問題關閉率由 57%提升至 94%。