SMC：打造复杂高精度气缸加工与装配数字化车间

一、企业简介

       SMC全球化企业集团，是世界著名的气动元件研发与制造商，拥有业内最大的研发、制造、服务体系。SMC以先进的技术、精湛的工艺、一流的服务赢得客户一致赞赏，国际市场、国内市场占有率均排名第一（40%以上）。

       SMC（中国）有限公司是SMC株式会社在中国投资建成的以研发、生产制造、销售，同时提供技术服务的海外子公司。公司经营项目是国家重点支持的高新技术领域、国家鼓励类外商投资项目，是2015年国家发改委、工信部重点发展的“强基工程”之一。公司主营业务是开发、制造气动元件与装置，以及其他辅助元件、工业自动化元件装置和相关电子元器件；自产产品的技术咨询、技术服务。SMC的气动技术与产品被广泛应用在汽车制造、半导体/液晶面板、太阳能电池、LED、机器人、生物医药工程、食品包装工业等各行各业的自动化生产线、生产装备上。

       近30年来，SMC中国公司稳健经营稳步发展，立足北京先后建成了四家工厂、一个研发中心，三个物流中心，形成了SMC全球最大气动产品制造基地的事业格局，开创了更广阔的产学研合作的平台，现已成为中国气动行业的领军企业及北京高新技术产业链中的重要一环。目前SMC在北上广津4地总占地面积84万平米，员工总人数7500余人，打造了一个高端装备核心零部件配套的“百亿企业”，年营收达130亿元。 
 
二、企业在智能制造方面的现状

       SMC目前为北京市高新技术企业，也是国家级绿色工厂，SMC目前在国内外市场占有率均达到38%以上，所研发、生产的气动元件作为实现工业自动化的重要基础件，被列为“中国制造2025”强基工程的重要组成部分，气动技术与产品被广泛应用在现代汽车制造、半导体/液晶面板、太阳能电池、LED、机器人、机器手、生物医药工程、食品包装工业等各行各业的自动化生产线、生产装备上。

       SMC作为最可靠的先进自动化元器件装备制造商，一直致力于在两方面推进自身工业数字化改造：一是先进的制造方法、工艺，比如自动的、数字化的、节能的、环保的、智能的工艺设计；二是高端智能产品的开发，比如绿色节能、智能互联的产品。

       自2015年起，SMC设立专门的智能制造推进和技术团队开始推动工厂实施数字化、网络化、智能化工作。目前已形成完整的智能制造规划，MRP(Material Requirement Planning，物资需求计划)、OA、CRM（Customer Relationship Management，客户关系管理）等连接制造、财务、营业的多个企业级应用系统已在使用中。同时正在进行的是智能制造的各类协同平台的搭建。

       基础设施方面，企业工业网络覆盖达到90%以上，各工厂到数据中心连接方式由最初的没有冗余的星型点对点专线方式，已升级成为更大带宽的MPLS-VPN为主，IPSec -VPN为备份多链路方式。车间内采用的是IT和OT相结合，工厂外网络采用MPLS及IPSec备份组网方式，实现制造装备、传感器、控制系统与管理系统等的广泛互联与高速传输，实现与车间内、外网的互联互通与业务协同。数字化车间主要采用条码技术，用于标识识别，通过信息系统及数据共享，实现车间内外数据流通、互认。2022年已开展5G测试工作。主要内容有，提高现有5G信号覆盖，测试设备采购，外网穿透，内网服务器的公网地址转换。内部主干核心网络由千兆升级到万兆，无线网络逐渐升级到WIFI6，互联网由百兆升级到千兆。

       车间自动化方面，已大量导入高档数控设备、自动装置、工业机器人，核心设备数控化率也达到90%以上，不仅让车间生产效率提升20%，同时也支撑了车间数据管理、计划与调度方面初步实现信息化管理。 

       车间数字化方面，上千台设备的动态数据采集项目已落地投入使用，自主开发的APS排产系统、MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统)中的报工系统、设备稼动实时状态管理系统、RPS设备报修系统及目视化管理平台，实现岗位间、工序间、部门间的快速数据传递及智能化管理。同时，已建立现场物流管理的信息系统，AGV搬运车试点使用；质量控制和追溯正在由纸质管理向电子化管理过渡，数字化测量系统可全面实现测量数据精确分析，快速显现并改善质量问题，实现不良率降低20%。

       在未来3年，计划逐步完成智能生产协同、智能互联互通、智能资源管理和智能决策支持的搭建，真正实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、网络化的智能化管理与控制。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1. 项目背景介绍

       SMC是北京市首批认定的“外商投资高新技术企业”,同时SMC的气动产品作为工业自动化的核心基础零部件，被列为“中国制造2025”强基工程的重要组成部分，在工业自动化领域有着广泛地应用。因此公司一致认为SMC作为工业自动化核心基础零部件的供应商在支撑北京市制造产业智能升级的同时，有义务积极对接“中国制造2025”和“互联网+”战略，推动自身车间、工厂的数字化、网络化、智能化，柔性制造等新型生产方式，成为北京市智能制造的示范企业。

       同时，身处竞争激烈的时代，SMC一直非常重视改革和创新，近三十年的发展中一直致力于关注市场，把握客户需求，对产品进行全面的创新；并通过全方位的作业改善、工艺创新和积极的设备投资，打造高质量、低成本的精益生产模式，并且近年取得产品工时效率提升约98%的成果。

       随着公司提出核心产品市场占有率达到50%以及生产效率翻倍的愿景目标，SMC推动自身制造转型升级的内生动力也愈发急迫，由此，SMC开始从宏观战略、组织构建、文化宣贯和微观层面的系统研发、业务梳理等角度正式开启了智能制造升级之路。

       SMC的智能制造升级项目是建立在SMC工厂现有装备和技术水平的基础上，围绕高效、低成本的目的展开的，其主要思路是：

       首先要在现有条件的基础上补足工业2.0/3.0中关于工厂数字化、自动化的要求，奠定精益制造基础，寻找更优的经济批量，为同期化制造和实现JIT的生产节奏而努力；其次在夯实数字化、自动化的基础上，通过计划生产的管理模式，积极探索柔性生产、智能制造的方法。

       复杂高精度气缸加工与装配数字化车间项目即是在此背景和思路下，公司制定的一系列智能转型升级工程中优先开展的项目之一。

       然而当前充满不确定性的市场经济和快速发展的技术形势下，制造车间的生产活动遇到了很多的挑战，主要面临的问题和痛点有：

       1）能源、人工等成本逐年增长， SMC已持续开展的全员合理化活动的效果逐渐遇到瓶颈，为保持经营的持续性，有必要通过智能制造新技术打开新的局面；

       2）企业生产各工程间、车间内工序间的信息流、物流效率低下，人工干预多，不合理或浪费点多，在市场订单波动较大的情形下，极易造成交货期延迟；

       3）既有的加工设备在机身强度、运转精度、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)功能、网络连接、能源消耗等方面均有不足，设备作业依赖员工的技能水平，且劳动强度较大，效率不高也不够稳定；

       4）新时代的员工对工作内容要求越来越高，缺乏对传统生产作业方式的兴趣，更倾向于数字化水平较高的工作，企业不进行智能转型升级，就很难吸引新员工和基层管理者；

       5）气缸车间属于设备多、难度高的生产单位，且处于整个产品生产周期中的瓶颈工序，提高该车间的效率和稳定性对SMC整个产品的供给能力、成本控制方面意义很大，属于需要优先开展智能转型的车间；

       6）车间的设备操作岗、产品检测等岗位对人员依赖度大、强度高，适宜技术升级替代，比如使用稳定、高效的工业机器人配合数控设备实现全自动加工，比如检测作业、日度管理数据的统计填报作业等利用数字技术可彻底解决效率低、时效性差的问题等。

       另外，随着技术的不断进步和车间级智能转型升级的进展，统一的企业级数字化平台才能奠定基础，实现更高层级的互联互通、大数据分析、智能决策，才能给企业带来更大的价值。

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       2.1 工艺设计方面

       SMC是典型的离散型制造企业，设置了原材料加工一直到成品组装的全工艺链生产车间，提高车间的生产效率和品质稳定性对公司整个产品的供给能力、成本控制方面有重大意义。

       加工车间主要生产产品为某型号导杆型薄型气缸，该气缸为满足客户高精度、长寿命、多样化的使用需要，采用了双导杆设计，具备较强的耐横向负载能力和耐扭力，配置了双向气源供给和4方向安装方式。缸体品质要求涉及同心度、平行度、真圆度、垂直度、孔径、孔间距等，核心关键尺寸公差要求达微米级(例：孔径φ32H7+0.010)，对加工设备及夹具要求非常高。

       1）三维建模应用

       应用CAXA三维设计软件建立车间工艺流程及布局模型，对全工艺链的设备布局、部品流向、人员配置等精准设计。

       2）夹具设计及制作

       夹具是机械制造工艺系统的重要组成部分，特别是在批量生产中，为了提高生产效率，保证加工质量，专用夹具是必不可少的。针对高精度的缸体加工用夹具，在设计中使用主流的计算机辅助设计工具（CAD），进行三维建模、有限元仿真；在制作过程通过计算机辅助制造工具（CAM）实现从夹具的三维模型到制造工艺、加工程序无缝对接；在夹具装配及调试阶段使用先进的测量技术及仿真手段使工件的品质可视化、可控化。

       （1）缸体工件的三维建模
 
       根据产品设计部提供的数据资料，对工件进行三维建模，分析工件的装夹及定位方式。

       （2）工件及夹具变形的有限元分析
 
       利用有限元分析工具，对工件夹紧模型进行有限元分析，制定合理的定位及夹紧机构方案，根据极限的力学失效模型，选取适当的切削加工工艺。

       （3）夹具的数字化设计、制作
 
       夹具的设计完成后，利用CAM工具辅助完成夹具生产制作的工艺设定，加工程序的编制。

       （4）夹具调试中测量及仿真技术应用

       利用先进的压电式力学传感器，对夹具输出夹紧力进行实际验证，并且根据圆度仪检测的导杆孔真圆度情况进行合理的压力修正，实现品质可视化、可控化。
 
       在夹具调试中，利用设备模拟加工仿真技术，实现刀具路径可视化，防止高精度设备发生撞击事故。

       3）装配工艺的自动化

       自动化装配生产线是实现高效生产的一个重要方法，它可以通过互联网接收生产指示，依据指示自动切换生产所需参数，部品准备到位以后可以自动开始装配、生产，过程中部品取放、装配、检测、包装、移动、入库可全部实现自动化。生产时通过设备中的可编程控制器PLC不断地接收、发出信号来控制设备各部分按规定顺序进行取放、装配、检测、搬运等动作，最终完成整体装配工作，过程中可以通过影像系统识别部品方向、位置，还可以检测装配状态，可以通过激光测距系统检测装配尺寸，通过气缸完成压入作业，电缸完成定点、多点移动作业等等，直至包装完成，对于装配过程中的异常品可以按类别区分搬运到指定地点放置，最终由操作者线外处理，这将极大程度的保证生产效率以及生产的稳定性。

       自动化生产线的导入过程：生产线设计→生产线制作及调试→试产及改善→正式量产。

       （1）计算机辅助设计

       通过使用CAXA、CAD等软件使设备的设计、制造和生产管理融为一体。从实体设计直接从三维模型人手，省去设计过程中三维建模与二维之间的转化，操作方便。软件采用参数驱动的设计模式，可以通过修改相关的参数来完善设计方案，支持设计方案的动态修改。软件中包含丰富的标准件图库,也可任意扩充自定义的图库，因而减少了不必要的重复性设计工作，有效地缩短了设计周期，提高了设计效率。
   
       （2）模块化设计（工具库）

       装配自动化设备多种多样，但各种设备实现的功能却大同小异。在实际生产工艺设计改善的过程中，重复机能的装置被反复设计导致效率低下，且由于担当不同导致装置的设计水平参差不齐，对自动化设备的制作效率、成果造成了负面的影响。考虑到除核心一些排他的机能装置外，大体自动化设备包括：部品筛选上料装置、供排料装置、拧紧装置、漏气检测等装置，对这些装置都已形成标准化模块，设计人员只需要根据自己设计设备的机能，选用不同标准化模块，针对核心尺寸进行修改设计，即可完成该模块设计，形成高质高效的设计方式。   

       （3）设备设计三维建模检证

       通过CAXA、CAD等辅助设计软件，可以对设计完成的装置进行任意旋转和剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，发现问题立即修正，把“试制过程”放在设计阶段，可以避免做成实物后才发现问题，提高了新产品设计的成功率。
 
       经过近两年自动化生产工艺设计改善，装配部署共计导入自动化生产设备（产线）52台，累计省人46人。
 
       2.2 设备管理方面

       1）工作概述

       根据设备管理需求，实现了设备联网和数据采集，可以实时采集到设备的稼动状态数据，计算出设备稼动率指标，实现实时稼动状态的监控和稼动率的分析。

       日常设备管理中，发生故障通过故障报警系统进行逐级报警、故障报告记录，以及故障履历的记录；通过故障履历的大数据分析，制定每类、每台设备的预防性维护计划，并进行计划执行的派工、提醒和工单执行结果记录；

       同时，机床稼动状况的大数据，帮助车间管理人员发现管理中的问题，设备工艺中的问题，从而改进工艺和管理，提高设备稼动率和生产效率。

       2）建设状况

       （1）已完成全部设备的稼动率实时监控

       （2）设备的关键数据采集项目正在进行中

       （3）已完成RPS（Rapid Problem Solving）系统

       （4）设备维保管理系统正在进行中

       3）技术方案

       （1）稼动率实时监控系统

       本方案从管理需求入手，为快速实现设备的稼动状态的采集，采用三色灯I/O信号抓取的方案，并且使用了公司内部研发的数据采集盒硬件。
 
       数据采集盒通过读取机床PLC的数字信号，实现对设备工作状态（电源状态、信号灯状态、工件计数等）的采集，并通过WIFI和PC端之间建立连接进行数据交互，处理数据后上传所需数据到数据库表中，另外，可以通过WIFI网页配置，设置端口、服务器地址、工厂号、闪烁周期等参数。

       可视化报表软件平台方面：

       采用.net core 作为开发平台,前端框架LayUi，后端框架为ABP。将IoT平台大数据通过清洗计算后，灌入本系统的数据仓库，再通过网页形式呈现实时时间轴设备稼动状态，通过大数据分析，呈现稼动效率综合分析结果。
   
       （2）RPS系统

       员工使用个人终端，将设备故障的信息上报到阿里云服务器本系统中，系统自动将维修任务分配给技术人员，并通过电话和短信的方式，第一时间通知技术人员到达指定位置。

       当修理过程超出预先设定的时间后，系统会自动将信息升级处理，报告给技术人员的上级，直至工厂长，以引起管理者的关注。

       同时，通过大数据积累和分析，把握设备的易损部位、部件，指导备件采购，或维护保养。

       （3）维保系统

       通过规范维保基准，建立设备维保数据库，系统自动滚动维保计划，生成预测性停机需求，自动推送任务信息，确保维保及时有效执行，延长设备使用寿命；

       同时通过协同关联部门，实现信息互通互享，减少联络、等待时间，提升整体效率。
 
       4）下一步改善方向

       数控机床关键数据采集方面：

       本公司自行研制的发那科和brother系统数据采集盒，硬件设计以及功能实验已经完成。目前正在软件开发中。

       该采集盒，可以解析这两类数控系统专用通讯协议，实现机床状态采集，数控程序上传下载，宏变量读写等。建成后，通过IOT数据服务平台，与MES系统对接，可以实现刀补参数、工件长度、NC程序等多类文件和参数的一键下发。还可以拓展边缘计算，进行刀具寿命的预测。

       2.3 系统集成互联方面

       车间的生产要素包括人、设备，和其他的自动化装置等，数字化车间建设要求实现这些生产要素之间，以及与信息系统之间的互联互通。比如实现工单执行过程中，以信息系统为指挥中心，实时获取各生产要素的状态，以实现工艺过程为主线，驱动各生产要素，高质量、低成本、高效率地完成工单生产，并完整记录工单的执行结果。

       1）软硬件基础状况

       车间网络建设情况：已实现全车间有线、无线的公司办公局域网络覆盖；已实现关键自动化设备的设备专用网络接入；应用多种现场总线标准，如CC-Link、DeviceNet、TCP/IP等。

       已实现关键设备通过网关，接入局域网，实现数据采集； 

       已实现信息系统间基于数据库同步或API方式的互联互通；

       正在建设中的阿里云服务平台，将员工和管理者的个人终端通过5G网络接入平台，实现故障报警和关键绩效指标监控等功能。

       2）技术方案

       （1）网络架构图
 
       说明： 本方案采用工业平板作为终端，采用无线或者有线的方式与交换机一端的工业网关相连，工业网关与PLC的其中一个网卡相连。PLC采用双网卡，网卡1与内网相连，网卡2与设备的HMI、远程I/O、等设备形成一个局域网，采用CC-Link现场总线方式通讯。视觉检测系统以TCP方式与PLC通讯。局域网与内网之间通过PLC背板进行网络隔离。

       用户终端通过调用应用服务器接口获取数据，并通过ModbusTcp方式与工业网关通讯。工业网关与PLC之间以PLC私有协议通讯。间接的使平板与PLC进行通讯，达到PLC数据采集、PLC控制的目的。

       移动端通过5G网访问阿里云服务，阿里云通过代理转发方式访问本地服务器。

       （2）物联网数据服务平台架构图
 
       说明：

       ①MQTT

       MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

       a）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；

       b）对负载内容屏蔽的消息传输；

       c）使用 TCP/IP 提供网络连接；

       d）有三种消息发布服务质量：

       e）小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；

       f）使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

       本系统选择采用MQTT 消息队列的方式对现场数据进行收级处理。部署各个数据采集客户端在现场PC机，采集客户端通过以太网、串口、等方式连接现场设备，通过配置的方式解析各种不同通讯协议，采集设备数据，同时采集客户端订阅MQTT服务器的主题，并将采集到的数据打包压缩即时的推送给MQTT服务器。需要数据的一方只需订阅MQTT服务器的相关主题即可获得数据。

       ②多源异构数据持久化

       数据库采用开源的PostgreSQL，PostgreSQL是一个高度稳定的关系型数据库管理系统，并具有以下特点：

       a）非原子列：关系模型的主要约束之一是列必须是原子的，而PostgreSQL 没有这个约束。

       b）支持 JSON 数据：PostgreSQL可以运行 NoSQL 工作负载，允许查询和存储 JSON 数据，项目中如果需要存储不断变化或非结构化的数据，在这种情况下，可以构建一个表，其中一列是 JSON。

       数据持久化过程会产生大量的数据，PostgreSQL 提供了出色的 SQL 引擎和强大的分析能力，这使得处理大量数据变得轻而易举，可实现亿级数据秒级响应，利用分布式中间件ShardingSphere-Proxy实现自动分库分表、读写分离、负载均衡，可以有效降低应用系统及服务器压力、提高数据库的访问能力。

       （3）信息系统互联互通

       各信息系统，在数据服务平台中，以模型映射或API接口方式，实现数据交互。
 
       3）下一步改善方向

       加速扩大数据服务平台的应用范围。在当前数据服务基础上，满足高并发、读写分离的性能要求，满足各业务系统调用数据的业务需求。

       2.4 排产调度方面

       应用APS排产系统，精确管理客户订单交货期，系统通过计算准确核算出生产指示的开工时间，每天早晨将核算结果发布到生产班组终端计算机，班组管理者根据收到的排产单进行生产组织，有效保证了准时交货，避免了生产的频繁异常中断。
 
       1）目标和技术路线

       目标：每个生产线自动完成生产安排，减少人为干预。同时，各个加工部门按照指示组装开工日送货到组装部门，实现部品生产进度的同期化。

       项目技术路线：

       总体构想是按照机种别进行开发，前期使用ACCESS进行快捷开发，现场试用并反馈，后期改成在服务器端进行运行。

       主要考虑以下的要求：

       -模块化构建，满足使用者的不断增加的需求（可扩展性）

       -考虑市场上的APS系统以及IT相关的规范（比如操作系统，数据库……）

       -构造所有生产进程中的关键节点产生的数据

       -对应多品番，小批量（利用成组技术）

       通过多年的实际经验，SMC公司形成了自己独有的生产方式：建立在现有市场优势基础上的，以市场导向和预测为前提，尽量满足最佳制造条件，形成最优经济批量，从而实现制造一线舒适、合理、高效生产，利用IT（Information Technology），最大限度减少间接业务，并最终体现SMC交货优势和实现制造成本降低目的的生产模式。这种生产方式主要是推动式生产，同时，伴有拉动式生产。我们要做的生产方式则是以制造要素为中心，参考市场需求量，制定最优经济批量并实施生产的方式，一切通过IT数字化实施管理，发挥制造的最大效率。

       从以下几个过程来进行简单描述：

       （1）订单发行

       在订单发行的业务单元，采用可用量承诺ATP（Available To Promise）进行订单匹配，在库满足时，从在库进行下架出荷；当库存量无法满足订单时，订单下发时即形成生产指示，快速进入APS系统，参与配套计算和可承诺交货期的确认。

       （2）在库设置及指示核算发行

       根据在库设置和订单需求，补库需求，核算每个库别的内制部品的指示发行及外购部品的订货数量。

       （3）交货期确认

       根据排产的配套结果以及成品和半成品的生产周期，对交货期进行确认。

       （4）订单欠品挂靠不同的中间状态

       找出各个指示的中间状态及库存量，对于组装欠品挂靠到不同的状态和指示上面，便于各个工序进行安排生产。根据资源的状况及各工序生产的结果，次日再次进行匹配。

       （5）生产组织（接收工单，打印票据，领料，生产，入库）

       2）解决的问题

      削减现场管理者的工单管理和查找工时

       基本实现多半成品的同期化生产；提高生产效率；减少人为干预

       技术突破手段：

       日期范围的计算（向前及向后）；模块化的实现；需求（订单交货期及重要度，计划生产工单）的优先级别定义及判断；配套的计算方法。

       3）下一步改善方向

       升级排产系统以便适应多车间生产调度，同时考虑刀具和质量要素。

       2.5 作业控制方面

       1）工作概述

       数字化车间的作业控制，主要是围绕订单执行过程和工艺执行过程，这两个过程的数字化管控。即，如何最优地调动资源，按照最优的工艺过程，高质量、高效率地完成生产订单。

       作业控制的核心的信息系统是MES（Manufacturing Execution Systems）系统。通过建设MES系统，对生产车间的人员、设备、工具等资源，进行管理，以MBOM和工艺数据为基础，有效执行工单，交付订单。同时，通过该系统实现生产中异常的管理，并满足批次质量追溯的数据采集和管控要求。

       2）建设状况

       （1）已实现工艺数据管理

       （2）已实现人员工位派工管理

       （3）已实现工单导入及自动下发

       （4）已实现工单开工准备、执行结果报工

       （5）已实现与设备监控数据连接功能

       （6）刀具管理功能建设中

       （7）电子图纸和工艺参数查看功能建设中

       （8）质量自检、互检任务生成，及测量仪器数据连接功能建设中

       （9）物料配送与批次绑定追溯功能建设中

       3）技术方案

       作业管控业务架构图：
 
       （1）业务框架说明：

       向上承接生产管理系统（MRP）下发的生产指令，及APS系统排定的日生产计划，根据MBOM和工艺路线，自动下发工单，完成各工序派工；同时与WMS系统对接，下发MBOM清单，进行物料精准拣配；生产过程中，与关键设备进行数据交互，一键启动设备，并且收集生产和质量数据，最终实现车间实际生产总成本管控。

       （2）技术平台说明

       采用.net core 作为开发平台。.net core 是一个跨平台的高性能开源框架，可以开发web应用程序和服务，IoT应用和移动端，可以在Windows，macOS，和Linux上进行开发和部署。

       采用领域驱动设计(DDD)模式。领域驱动设计是一种通过持续进化的模型来满足复杂需求的软件开发方法. 领域驱动设计的关键是:把项目的主要重点放在核心领域和领域逻辑上；把复杂的设计放在领域模型上；发起技术专家和领域专家之间的创造性协作，以迭代方式完善解决特定领域问题的概念模型。

       （3）子模块说明

       ①工厂建模：支持建立集团级、事业部级，到HOLON级、班组级的多层树形结构；可方便的增加、删除、修改组织层级；

       ②结构化工艺数据管理：工艺数据是作业管理模块的的基础数据，是工单流转的依据，也是质量控制和效率管理的标准。本车间生产型号众多，工艺复杂，系统需要对历史工艺进行进行重新清洗，转化为满足结构化工艺数据库存储要求的数据。

       ③工单导入：班组长导入每台设备生产指示清单，导入计划的同时，指定工艺路径；当有至急指示插入时，班组长可以在任务调整画面中进行追加、删除和数量修改。

       ④工单执行：员工刷员工卡登录系统后，可以查看派工的任务，并且按照任务清单进行开工前准备，以及执行后生产数量、停机原因、不良数量的上报。

       ⑤数据查询：可查询工单执行进程，标准工时和机时的达成率，员工效率，各工序在制品数量等。

       4）下一步改善方向

       （1）打通MES、WMS、APS、IoT多个平台，更大程度地减少人工干预和控制，实现基于工艺流程的自动管控；

       （2）以关重材料批次绑定为手段，实现正向、反向的有效的质量追溯体系的建设；

       （3）实现工单工艺参数、产品参数的下发，一键启动数控机床；

       （4）实现电子图纸查看及检验任务生成，对接测量仪器数据。

       2.6 仓储物流方面

       1）PDA项目应用

       PDA(Personal Digital Assistant)个人数字助理在仓储库房中的广泛应用——库房管理、入出库业务、盘点业务、工序间货物转送数据处理。

       PDA项目中主要含有几个子项目：入出库业务改善（云入出库），盘点业务改善、线边库叫料，国内外供应商标签一体化应用。

       云入出库项目：通过流程分析，合理安排入出库人员行走路径，达到拣货路径最短的目的；反之，通过在库货位容积、距离、高低频货位等参数计算，合理分析出入库上架的最优路径。

       国内外供应商标签一体化应用：供应商平台的上线并与WMS系统与对接，供应商提供的标识可为我司所用。

       工序间货物转送处理：加工和表面处理之间属于上下生产工序关系，每个出库人员配备一台PDA，扫描待出库品生产随行票即可完成品番、数量的数据上传。

       解决的重大问题：PDA通过接收MES的任务，对仓库出入库数据进行维护和记录，做到将每一项货物是何时入库、何时出库的各种信息记录下来，同时可以根据用户需求追溯到仓库各个货物在各个时间段的出入库情况，能及时、方便且灵活的进行查询、打印、对比信息。

       2）AGV智能搬运系统

       项目组目前已利用IE基础工具，梳理作业流程，收集基础数据，并判断项目的可实施性。设计并规划了布局、路径、上下料站点位置及通路尺寸。当前正处于设备选型阶段。

       2.7 质量管控方面

       1）质量数据采集

       通过对新技术的不断学习和不断尝试，成功导入并运用视觉检测和无线数据采集装置，改变传统纸质手工记录方式。各类电子测量仪器通过连接无线装置，实现自动数据采集。通过程序编制，实现检测过程中的自动检测、自动判断和自动记录，简化人员作业，降低检测者的技能要求，从而杜绝作业过程中的“漏、混、错”，实现真正的人为差错防止。

       除在装置上追加传输装置外，还利用影像技术，实现了光学影像检测装置的自我发开、开拓了测量的新方式。通过视觉检测可实现位置、轮廓、直径等尺寸的自动测量、自动判断、自动采集、自动分析，进一步提高了质量数据数字化，提高了检测自动化程度及品质数据的应用价值。

       2）在线检测装置的应用、数据在线采集

       利用设备测头装置，在设备加工完成后自动进行取点测量。并利用程序进行自动判断、出现异常设备停机报警。为保证测量数据的准确性，设备内部追加校正装置，设备自动校正。计划通过数据采集盒使测量数据实现在线采集、传输、判断、警报。

       除此外，项目初期经过了对各种视觉检测设备及无线数据传输装置对比，最终确立了采用自主设计的视觉检测设备，开发了适用于生产现场的数据采集软件，实现了局部自动测量和自动数据采集的方案。

       3）数据应用、产品质量数据活用、预防工作开展，实现精细化质量管理，并对产品实现全周期追溯及控制。

       下步计划将与MES系统对接，智能数据自动上传数据的基础上，实现智能分析，且与生产信息交互，达到工厂级别实时监控管理的重要作用。

       现场操作层：测量数据以自动及手工一键发送两类快捷的方式发送至测量软件与预设标准公差进行比对，当数据接近或超出上下限时记录区域颜色发生变化提示测量员，彻底消除了手工记录错误。测量软件记录的全部测量数据以EXCEL 文件格式实现自动备份保存至服务器，并实时展示在现场显示屏幕，进行数据在线展示，便于现场的可视化管理。 

       现场应用层：主要是涉及品质及工艺的相关人员，对产品的控制，规格指标等进行设置，对反馈的问题进行跟踪及分析，并采取相关的改善措施，同时对产品全周期的数据把握，实时追溯；品质管理及相关工艺技术人员通过对历史数据进行分析，发现潜在的品质或工艺问题，从而进行品质及工艺的持续改善。

       管理层：对品质状况进行汇总查询，掌握产品品质的整体状况；管理人员通过综合汇总报表， 掌控产品品质的整体状况，为品质管理决策提供数据依据。

       2.8 安全管控方面

       充分运用光电安全装置，自动检测设备安全防护状态，打开安全门设备即刻停止动作；车间全区域设置烟感报警器，连接厂区消防中控配合高清摄像头、高压水泵站组建成自动消防控制系统。

       公司采取以人为本的管理理念，属地责任区管理，将安全融入到岗位作业、日常管理的各方面。上层领导策划层面，公司从人、机、料、法、环、管全方位进行管理，不断持续改进。不论是设备采购、材料选购、工艺设计、产品设计，公司一直秉持本质安全的理念，从源头上解决过程安全、产品安全问题。例如，公司选用高安全等级设备设施，如光栅、连锁制动、双手按钮、声光警示等控制措施，避免人员误操作，实现异常情况下的报警、连锁制动。同时，公司也设置了消防联动和泄漏报警联动系统，保证在发生紧急情况下，第一时间可以启动消防设备设施灭火以及事故排风、切断等功能。

       安全管控方面，公司过去三年未发生重大安全事故，且是北京市安全生产标准化二级企业。多年连续获得顺义区、综合保税区先进单位，并在顺义区组织的各项安全比赛中获得荣誉。 

       下一步工作是建立适应全球的ISO45001职业健康安全管理体系，更加系统的建立对标世界标准的管理目标和管理标准，不断提高公司的安全韧性，支持公司的可持续发展。

       2.9 能源管控方面

       公司主要使用的能源是电能和蒸汽。目前电能管理采用能源数字化管理及无人值守辅助系统；车间温湿度控制主要应用是无线温湿度大气压采集器。

       电力能源数字化管理及无人值守辅助系统主要实现了以下功能：

       （1）实现能源日常管理细化管理，发现能源流失原因，削减能源流失；

       （2）提供ISO50001能源管理体系基本数据统计和电能计量要求；

       （3）实现各能源动力站房无人值守运维管理；

       （4）辅助判别能源动力设备运行故障诊断；

       （5）为预防性检修提供数据支撑等。

       项目建设的长远目标是将厂内所有配电室都纳入到这一管理体系中来，实现公司内部能源集中精细化管理、辅助动力设备运行故障数字化诊断，提高公司能源管理水平和管理精度。

       2.10 环保管控方面

       为了实现对污染物排放的精准把控，我公司在主要废气排放口处安装了15套废气自动监测设备，实时监控废气流量、流速、温度、湿度、压力和污染物浓度等信息，在废水排放口自主安装了两套废水自动监测设备，实时监测废水流量、pH值、COD、氨氮等信息。

       这些数据会实时传输至北京市生态环境局自动监控与基础数据库和各个产污设备、污染治理设施负责人的手机APP里。各负责人可以随时在自己的电脑上、手机上查询污染物排放信息，通过分析污染物排放趋势变化可以判断污染治理设施处理效果是否下降、为治理设施的维护保养决策提供精准判断依据。当污染物出现连续上升趋势或达到预先设定的报警值时，手机APP还会发出报警信息，提示各负责人及时处理。自动监测设备可以自动计算出每小时的污染物排放量，使环境保护税、生态环境数据统计等申报数据的准确性大大提高。

       自动监测设备的安装运用提高了我公司环境管理的信息化、数字化水平，为污染物排放的精细化管理、科学化管理提供了数据支持。
   
       2.11 生产制造技术

       1）先进加工设备选型

       缸体类零件属于多孔加工铝合金零部件，需要加工设备频繁的快速进给（G00）和切削进给（G01），又针对此型双导杆型缸体的高精度品质要求，本车间用的加工设备具有以下关键性能。

       （1）设备的高加速、高响应、高刚性

       Z轴使用大功率永磁电机，实现2.2G加速度；主轴使用低惯量马达，短缩启停响应时间；强化后的床身及立柱提高了设备静刚性，减少切削振动。以上是实现缸体高效率高质量加工的根本。

       （2）搭载高精度旋转工作台

       缸体工件为多面，多孔类加工，使用高精度旋转工作台实现一次装夹定位全加工，减少重复装夹因素造成的累计误差。

       （3）自动的热补正功能

       设备加工中频繁的快速进给和切削进给，各轴的回转及传动部件发热；车间温度随着外部环境温度变化都会引起设备产生热位移，从而影响设备加工精度。设备主轴及床身设置了温度传感器，根具温度变化数据实施自动的热补正功能，对加工偏差数据进行修正，实现高精度加工。

       （4）自动测量装置

       使用设备机内自动接触式测量装置，对毛坯进行自动测量，修正加工基准，确保形位公差要求；对加工后的工件进行在线测量，数据实时传送，即时把控工件加工品质。

       2）人机协作、全自动加工

       主要建设内容如下：

       ①现阶段需要人工上下工件的作业进行机械手的增加；

       ②在加工过程中需要补充充分的切削液的工作由手工变成自动添加；

       ③在加工过程中需要操作者目视确认的刀具折断问题进行自制装置的自动确认。

       把以上固定式作业内容进行自动化智能化改善提高生产效率及降低对人员技能水平的要求。

       项目技术路线：

       车间总的发展是向自动化、无人化发展。通过增加自动设备，添加自动上下料器、机械手代替人工作业，减少实际的操作人员，实现自动化，由一人多台向无人化发展。

       3）制造调度与协同

       自主开发的APS排程系统，精确管理客户订单交货期，结合不同部品生产周期存在的差异性，计算各种部品在不同车间的库房在库及工序间在库数量。当组装所需部品在库不足时，自动匹配到上一级在库及工序途中在库。各库房及中间工序根据组装的开工时间，及时把部品送付到组装部门，实现各部品的有效调动和协同生产，达成部品的同期化生产。同时，也便于部品生产部门生产有需求的部品，有效地利用工时和机时等资源。

       加工部品所用的素材，通过核算，把相应的素材需求信息传递到素材生产部门，便于在素材排程系统中的优先级顺序的确定。这样，可以保证加工部门生产的连续性，实现生产的最大效率，同时，对于客户订单的纳期确保给予保障。

       4）设备预测性维护

       维保系统：

       通过规范维保基准，建立设备维保数据库，系统自动滚动维保计划，生成预测性停机需求，自动推送任务信息，确保维保及时有效执行，延长设备使用寿命；

       同时通过协同关联部门，实现信息互通互享，减少联络、等待时间，提升整体效率。

       2.12 通信网络技术

       1）通信网络基础

       工业互联网是全球工业系统与互联网和高级计算、分析、感应技术等新一代信息技术的深度融合，是智能制造的重要支撑。工业互联网中的网络可以分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络分为IT（Information Technology）网络和OT（Operation Technology）网络两个层次。IT网络用于企业管理、生产监控，以以太网/IP技术为主，主要采用有线及无线WIFI，与互联网技术能较好地融合；OT网络指的是生产现场、车间的网络，采用的是现场总线或工业以太网技术，有一定的封闭性。IT网络和OT网络通过网关或工业交换机实现互联互通。工厂外网络主要是用于支撑工业生命周期各项活动为目的，用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户的网络。目前主体还是基于IPv4的互联网。

       2）先进网络技术

       （1）制造装备、传感器与管理系统的互联互通和高速传输

       ①设备专用内部网络通过专用交换机实现智能设备间互连和互操作；公司办公局域网络通过专用通讯网卡与设备网络联通，实现设备与信息系统的互连和互操作，同时又使两个网络间实现物理隔离；

       ②采用Modbus TCP工业以太网技术。Modbus TCP是?泛使?的不依赖具体供应商的Modbus协议的?个变体，采?开放式的标准化设计，可实现?量并发连接，是互操作环境下的最佳选择；

       ③采用MQTT消息队列遥测传输协议，是基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务；使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，可以解除应用程序的耦合。

       （2）基础网络建设方面，SMC正在进行和展望更先进通信网络技术的应用，具体有：

       ①5G技术与应用：我司2020年完成4G网测试工作，今年已开展5G测试工作。主要内容有，提高现有5G信号覆盖，测试设备采购，外网穿透，内网服务器的公网地址转换。公司的基础设施比较完备，目前5G作为补充手段逐渐提高网络互联效率。

       ②工业互联网，物联网的基础准备：生产网络不再采购办公网络交换机，调整为适合工业环境和各种工业协议的工业网络交换机，如Cisco IE和H3C IE系列。物联网协议如Modbus，蓝牙和Zigbee等支持工作。

       ③提高内、外部网络带宽：内部主干核心网络由千兆升级到万兆，无线网络逐渐升级到WIFI6。互联网由百兆升级到千兆。

       ④运用边缘计算，降低网络延时：核心数据放置在总公司数据中心，中间件服务器放置分公司机房，边缘计算设备在采集现场，从根本上缩短网络延时。

       ⑤独立与办公网络的的工业网络架构，最开始仅仅是办公网络的延伸，后逐渐升级为独立组网。

       2.13 其他先进制造技术

       无线测量数字化技术采用的接收器通过读取测量仪器端发射器的数字信号，实现对测量仪器上数据的自动采集，并通过无线接收器和 PC 端之间建立连接进行数据交互，处理数据后上传所需数据到采集软件中，确保数据的真实、准确、实时，实现不同检测仪器的数据共享、数据互联，采集软件是依据SMC产品多种检测需求开发，适用于加工生产过程检测记录使用，促进QC工作的无纸化、数字化、智能化、平台化。

       3. 效益分析

       SMC智能制造项目以企业精益生产追求为基础，以自动化和数字化为现阶段主要方向，以高效高收益低成本项目为切入点，并且多以自我技术力量为主开展软硬件开发和应用，实践过程中解决了大量在制造企业中常见的典型问题，且由于工厂涵盖研发、机加、组装、物流等各环节或工序，所以对于制造企业有广泛的借鉴性和示范意义。SMC通过和上下游的供应商、客户间的指导、参观和交流等活动，每年将自己的智能制造的理念、经验和案例辐射给上百家企业。主要有以下几个方面：

       1）基于IE和精益管理基础的智能制造

       精益生产和IE的改善手法，在SMC已经持续运用了10余年。由高层管理者亲自引领，引进IE人才，学习并运用IE工具，营造全员参与的精益改善。基于10余年的精益改善，才奠定了自动化、信息化改善的基石。SMC依据自身精益基础的智能升级项目可为制造业企业从精益制造向智能制造转型提供较大的借鉴作用。

       2）夯实基础的“自动化+数字化”智能升级方向

       在精益基础上，以自动化和数字化改革为抓手，逐步落实SMC的智能升级项目是最符合当前企业转型升级的道路。以自动化和数字化的专业团队按照项目推进工作的方式也是有很强借鉴意义的管理模式。

       3）打造低成本智能制造实现体系

       SMC的智能制造升级模式不是利用大投资一蹴而就、全面推进的推进方式，而是通过专业团队立足精益改善逐步推进各子项目，并充分发挥自身技术力量，降低外购成本的方式，对其他中小型制造企业的转型升级有更高的借鉴价值。

       4）强烈的危机意识、挑战精神，以及创新意识

       SMC对待智能制造推进工作不是按照常规项目的姿态来推进的，而是以强烈的危机意识、挑战精神，以及创新意识来要求全体管理者和技术团队，并且一定是通过高层经营者的指示、推动、参与来实践的。这是智能制造能够成功并取得效果的重要保证。这对其他企业也有一定的借鉴作用。

       随着车间智能改造不断深化，数字化软硬件系统不断完善，在具体经济绩效指标方面也逐步显现成果，如下：

       1）经济效益

       加工产量由32.3万个/月提升至37.8万个/月,增长17%；装配产量由1,090万台/年提升至1,803万台/年，增长66%；

       2）生产效率

       加工工时效率由12.2个/H增长到现状的15.6个/H,增长28%；装配工时效率由194元/H提升到219元/H，提升12%；

       3）能源利用率

       动力费单耗2019年比削减40%；综合能耗由0.0299吨标煤/万元，下降至2021年的0.0168吨/万元，下降了44%；

       4）设备管理

       数控化率已达到90%以上，自动化率51%；加工设备有效稼动率由83%提升至85%，提高2%；装配设备有效稼动率由84%提升至88%，提高4%；

       5）加工设备

       稼动状态自动采集率达50%；装配数据自动采集率由30%提升到90%；

       6）质量管控

       加工产品不良损失率由0.24%降至0.18%，下降25%；装配产品一次不合格率：由0.14%降低到0.11%，下降21%。