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推进“数智升级”,打造中铁工业盾构4.0工厂

2023/2/8    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:智能工厂案例  e-works年度盘点  智能制造  中铁工业  
本文为“2022年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2022年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。
一、企业简介

       中铁高新工业股份有限公司(简称“中铁工业”,股票代码:600528),是中国中铁股份有限公司深入贯彻党中央、国务院深化国企改革战略,优化国有资本配置,推动产业聚集和转型升级,将工业板块资产重组整合上市的全新企业。

       公司注册资本22.21亿元,总资产300亿元,年营业收入205.75亿元,员工1.18万人,。作为国内交通工程装备领域的核心企业,中铁工业主营产品涵盖铁路道岔、桥梁钢结构、盾构机、TBM、异形盾构机、大型特种施工机械、中低速磁悬浮和跨座式等新型城市轨道交通道岔产品,形成了集科研设计、制造安装、工程施工、科技检测与维保服务于一体的完整产业链,构建了遍布全国、辐射世界的生产基地网络,拥有健全的科研创新平台和多层次、多学科的专家团队,制造能力和技术水平一直处于行业领先地位,长期为铁路、公路、市政、水利、城市轨道交通等领域提供优质的产品与服务,为国家和世界交通基础设施建设作出了突出的贡献。
 
中铁高新工业股份有限公司
图1 中铁高新工业股份有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

       为了加快基于工业互联网平台的数字化转型步伐,全面提升研发设计、生产制造、供应链管理、远程运维、客户服务等环节的数字化水平,解决企业发展痛点,提高企业生产效率和核心竞争力。中铁装备以“统一规划、分步实施、效益驱动、重点突破、梳理标杆、推广应用”为指导思想,以“国内领先、国际先进”为愿景,根据盾构关键件工厂的设备选型、工艺布置和目标件生产的规划实施目标,基于智能化技术的成熟度和行业匹配性原则,以数字化为驱动,使用数字化、网络化、智能化等手段,实现人、机、料、法、环、测等生产资源的信息化、数字化、互联化和可视化(在线准孪生化)等工作,着力打造以数字孪生模型、仿真驱动设计、设备远程运维、人机高效协同等为核心的智能工厂,形成产品设计数字化、制造流程可视化、生产制造智能化、园区管控智慧化的新型数字化工厂,对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效地管理与控制,极大的改善了生产、制造过程中出现的安全巡检难度大,人工监测效率低,数据海量难统计、柔性制造成本高、网络带宽难满足的制约,加快落实智能制造转型升级,推动企业提质、降本、增效,打破成长边界,实现对外赋能。MES系统与ERP系统的整合,不仅实现企业内部流程的数字化,而且实现整条供应链的数字化,从而扩大有效供给、提升全要素的生产率,以及提高供给端的适应性、灵活性、敏捷性等市场响应能力,从而提高产品质量和供给效率,实现企业降本增效,推动企业可持续发展,提升企业竞争力。

       中铁装备集团建设的现代化产业园设计按照先进制造理念,围绕盾构机的设计、工艺、制造、装配、检测、运维等产品全生命周期过程,以一个基础、两条路线、N个单元、三层展现为思路,建设了五大平台系统:精益产线设计和虚拟生产仿真、数字化研发平台构建及数字样机研发、盾构机制造数字化车间、企业信息化平台、开发装备远程运行维护服务平台,建成了适应客户定制需求、高效率、高质量、绿色化的智能工厂,提升了盾构机设计制造过程的数字化、网络化、智能化水平。

       通过盾构机产品协同研发平台,实现中铁装备内部设计、仿真、工艺及PDM之间的协同,研发系统与管理、制造系统之间的协同,以及与用户、主要订制件供应商的异地协同,增强定制设计和用户参与设计能力,提高外购件的质量、缩短外购件供货周期。依托ERP系统和MES系统构建了供应链管理平台,整合了信息流、物流、增值流、资金流、业务流等各项信息,实现需求到供应端到端的信息集成;基于供应链管理平台建立供应商管理和电子采购系统,打破了传统采购业务的信息壁垒,打通了企业与供应商之间的通道,实现企业与供应链上游企业的交易协同,建立跨地域、跨行业的电子采购信息管理体系,增强内外部供应链的协同,有效对供应商资源进行全面的管理,降低采购成本,提高采购效率;依托大数据处理技术与移动互联网技术搭建了“盾构云”服务共享平台,实现了盾构机运行监控、报警管理、健康诊断、掘进进度与安全风险管控、部件维护保养、项目资料归档、安全教育、工序优化及智能掘进等应用功能集成,努力构建企业云制造服务产业集群生态。基于数控机床、机器人技术实现零部件的高柔性制造,通过立体仓库、智能装配系统提高盾构机总装效率和质量,建设智能在线检测系统,提高零部件和产品的质量。

       同时,中铁装备为建设数字化车间又引进了IOT智能物联平台、WMMS智能化焊机群控管理系统、AGV智能小车、UWB高精度定位平台。IOT智能物联平台和WMMS焊机群控系统分别接入了103台和137台设备,实现了车间机加工设备、焊接设备的互联网连接及控制,不但可以实时监控设备运行状态,后台操控焊接参数调节范围,更重要的是可以统计车间设备利用率,以掌握车间生产设备的负荷饱和度,并将数据投送到显示大屏,动态展示。AGV智能小车的投用实现了焊接工位的焊材自动输送功能,省去了人工拉运。UWB高精度定位平台已实现车间全员职工实时定位,并在大屏显示,为人员调度提供了极大帮助。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1. 项目背景介绍


       盾构机是先进轨道建设所需的重器和利器,是一种集机、电、液、光、控制、通信技术等高新技术的大型复杂工厂化工程装备,覆盖学科专业面广,涉及相关行业多,已成为现阶段衡量一个国家装备制造水平的重要指标之一,被称为“工程机械之王”,是高端制造业的典型代表,产业发展受到高度关注。

       当前国内盾构机行业起步较晚,相比传统工程机械行业,盾构机产品的生产制造过程自动化、数字化、网络化水平不高,与国际先进的生产企业仍存在一定差距。而新一轮的科技革命和产业革命将加快结构调整及动能转换,大数据、人工智能、区块链等新兴技术与制造业的快速融合,推动制造业全生命周期中人、产品、系统、资产和机器之间建立了实时的、端到端的、多向的通讯和数据共享。这种基于数据的智能化推动产品制造商向解决方案提供商转变,从单纯的生产加工向提供设备运营维护、支撑业务管理决策等服务环节延伸,开辟全新的增长空间,用新理念、新技术、新方法来补短板、提能力、促创新,对内推动运营模式、管控方式转变,建立数字化、网络化、智能化的生产运营新模式和集约化、一体化的经营管控新方式,对外推动商业模式、服务模式创新,打造“互联网+”新业态。

       盾构机行业具有设备产品多样、生产过程离散、供应链复杂的行业特征,面临如下行业痛点:

       1)数字化制造水平发展滞后,产品加工制造的外部协作比重较高,设计与工艺间的协同度较低;

       2)盾构机行业的刀盘等大型结构件的智能制造仍存在工艺技术瓶颈,生产模式仍以人工焊接为主,质量稳定性差;

       3)由于单台定制的特点,复杂结构件的装配仿真验证不充分,加上生产车间仓储管理手段落后,导致盾构机装配效率偏低;

       4)传统以预防为主的定期维修无法有效处理潜在或突发的异常故障,也会产生诸多不必要的拆卸和安装,造成过高的设备维护维修费用和额外的磨合损耗;
 
       5)多方面痛点促使盾构机行业急需加快工业互联网平台的数字化转型步伐,全面提升研发设计、生产制造、供应链管理、远程运维、服务数字化、客户服务等环节的数字化水平。

       本项目的实施,将在盾构制造行业建设能够适应客户定制需求、高柔性、高效率、高质量、绿色化的数字化车间,实现设备维护按需化、备件管理精益化,提升盾构机制造过程的自动化、数字化、网络化、信息化水平,建立“产品技术、制造技术和运行维护技术三领先”的盾构机智能制造新模式。

       项目围绕盾构机的设计、工艺、制造、装配、检测、运维等产品全生命周期过程,通过搭建智能设计平台,智能制造、装配、检测平台,智慧管理系统,智能运维平台,建成适应客户定制需求、高效率、高质量、绿色化的智能工厂,提升盾构机设计制造过程的数字化、网络化、智能化水平,形成“三领先”的盾构机智能制造新模式,拓展产品价值空间、提升产品价值增长。

       盾构机新园区智能工厂针对智能制造系统,目标建设完成五大平台系统:精益产线设计和虚拟生产仿真、数字化研发平台构建及数字样机研发、盾构机制造数字化车间建设、企业信息化平台的建设、开发装备远程运行维护服务平台。
 
中铁装备智能工厂架构
图2 中铁装备智能工厂架构

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       2.1 项目规划

       盾构(TBM)产品属于大型复杂产品,生产模式属于单件生产(或极小批量)。零部件加工生产属于大型超重件、装配过程为场地立体作业。根据上述情况、结合企业当前信息化、智能化实施情况,确定了总体设计思路是:以设计、工艺数字化为主要数据驱动源(一个基础),通过数据驱动的计划、执行路线和物联化标识的内部物流路线(两条路线),交汇到设备、工位、场地、炉窑等具体数字化作业单元(N个单元),对单元、区域、工厂完成实时、在线、准孪生化的展现(三层展现),共同构造4.0示范工厂的蓝图。

       一个基础:即结构化产品、工艺、制造数据数字化基础。实现在EBOM基础上,通过CAPP及制造数据补充构造,实现全结构化(数字化)PBOM(MBOM),可以完成对整个制造过程的数据驱动。在大型结构件工厂,对刀盘、盾体、驱动箱,取得EBOM中组件的完整BOM,按照本工厂加工生产属性,完成PBOM的重构。

       两条线路:即数字化驱动的计划执行线和物联化标识的物流流动线。在计划执行线,要实施智能概念的MRP-II、Smart-MES为手段的精益计划和轻巧执行系统,完成MRP分解和确定相对准确的时限订单,根据工序顺序完成执行系统从材料(钢板)到毛坯、零件、组件和大型结构件的制造过程执行、反馈、跟踪。在物流流动线,基于Smart-MES的拉动从原材料库存到线边库、加工单元、线边库、焊装单元、装配单元的物联状态标识和移动过程在线驱动跟踪管理。

       三层展现:即工作单元层、生产区域层和工厂层准孪生实时展现。对工作单元层可以实时展现工作状态,对生产区域层可以综合展现本区域任务及执行情况,对工厂层可以完成全面生产制造资源部署、任务承接及交付,按准孪生要求实现在线数字化工厂运行再现。

       N个单元:即仓库、线边库、毛坯制造、加工制造、焊装制造、装配制造(制作区)、喷砂喷漆等全制造环境的数字化制造单元。每一台设备(小设备可以几台成组)和大型工作场地、线边库、暂存库、翻转场地等都视同一个工作单元,单元按照时限(时间)和任务执行的要求,通过工业互联和资源物联关联所有相关资源数据,包括材料、设备、工装、人员、运输工具等,可以实时、按时段透明掌握任务在本单元执行情况及资源占用(消耗)数据。对数控下料、高精度坡口加工、机器人焊接和部分数控机床加工等重点工位实现基于离线编程、MES全驱动的无纸、少人、数字化加工水平。对小型零件按照另加成组分类和成组工艺技术,按类型和工艺要求,逐步实现专机准批量生产,显著提高工作效率和零部件质量。

       装备盾构4.0智能工厂覆盖了车间执行、智能制造产线(单元)、设计数据、以项目为主线的企业信息化全流程管理、基于数据池的大数据应用、与ERP系统的一体化集成等。

       业务应用方面结合装备盾构公司按项目设计、制造、交付的工程项目制造业务特点,以设计数据为基础,驱动ERP层面的MPS、MRP,形成计划执行依据,结合工艺标准期量,围绕产品交付周期、工艺、生产、物料配套、仓储、质量、制造资源、制造执行等管控要素,通过实施数字化、制造单元智能化、建立管理层与各业务层闭环管控链路,形成完整的内部物流路线;车间执行层面的若干作业单元借助工业物联网实现作业单元的横向互联,加之系统层面的纵向集成,实时的多业务模块穿透型数据共享,使系统具备了生产进程调度管控的准确依据;从作业单元到区域再到工厂的三层业务数据展示,满足各管理层级、业务部门之间业务进展可视,方便各级管理层及时掌握公司及各部门的生产经营状况,提升公司的管控能力。

       1)数据池统一化

       根据企业经营发展,以数据统一共享为原则,扩展基础数据(如设备、工具、工装、办公用品等)的数据信息,保证数据统一,实现此类数据的企业数字化共享平台。

       通过数据池统一化设计,最终实现以下目标:集成套料软件,使原材从切割到零件的系统内数据共享。

       打通数据池系统与产业园立库系统物料数据,实现以系统指令驱动生产领料,拉动上下游操作人员各负其责、各就各位,从而实现生产到领料至装配整个链条的物料追溯,有利于问题的排查。

       从数据池下发人员信息,到人员定位监控系统,保证厂内人员在各个系统中使用一套代码。

       根据数据孪生系统建设需要,把设备信息同步到数字孪生系统。

       2)设计工艺层

       通过与PDM系统中物料和BOM数据进行集成对于保障新产业园区整体物料编码数据一致性具有重要意义,解决了物料编码来源统一、唯一性问题。将PDM中EBOM/PBOM数据进行结构化并下发形成MBOM数据,在实现产品研发规范化的同时,将产品研发形成的结构化MBOM数据驱动生产计划进行物料需求分解和依据,更能体现研发设计生产一体化的管理模式。同时PDM将工艺文件、作业指导书等文件下发到本系统,建立产品、工序与文件关系,在车间执行现场作业时进行电子化工艺指导。

       通过建立和CAPP系统结构化工艺数据集成,保障工艺设计数据与产品数据高效匹配。CAPP将工艺路线下发到本系统,在补充工时、提前期后,为本系统中智能排产提供准确的工序级期量数据,为本系统工序任务准确关联、过程质量精准控制和工序物料可靠需求提供有效数据支撑。

       3)SCADA系统层

       SCADA是工业控制的核心系统,主要是用于控制分散的资产以便进行与控制同样重要的集中数据采集。主要实现以下功能:

       (1)产线设备接入与制造数据采集

       将各类数控设备和传统设备联网通讯,并及时反馈设备状态、作业进度及质量问题等信息,提高生产自动化水 平以及关键设备的综合利用率。

       (2)生产制造资源动态监控

       综合利用与生产设备加工过程有关的实时数据、沉淀的历史数据信息,对生产设备的实时状态、周期关键状态进行监控及预警,以此提高生产过程的透明化、柔性化程度,为公司的精益运营提供决策依据。

       (3)产线设备智能化分析

       对设备绩效进行考核,通过数据综合分析,找出影响设备综合效率原因,进行量化分析,实现设备健康分析与故障诊断,从而提高设备整体利用效率。

       (4)数控设备分布式控制(DNC)

       DNC系统用于实现全部数控设备的联网,完成机床网络化传输。通过网络化传输,可以实现工作远程下载及上传程序,工人无需输入程序名便可直接调用,避免工人误调用加工程序,使程序传输更准确、更方便、更高效,支持通过MES下达的生产任务,自动的、同步的将加工程序及对刀数据推送到机床,进一步减少工人的操作,提高工人的效率及机床的利用率。

       (5)焊机群控管理系统

       焊接质量检测对焊接成果的检测,保证焊接结构的完整性、可靠性、安全性和使用性。除了对焊接技术和焊接工艺的要求以外,焊接质量检测也是焊接结构质量管理的重要一环。

       大型零部件尺寸和平面度检测,有效的控制不合格品进入下道工序,减少人为因素或设备原因造成的工厂经济方面损失,保证大尺寸零部件进展和工期,降低工厂的生产成本。

       4)供应链层

       新园区智能制造4.0工厂,主要依托产业园智能柔性热处理车间、智能柔性机加车间、智能柔性焊接车间、智能仓储中心,以盾构机结构件生产业务为主线,串联WMS、车间定位系统围绕盾构物料来料、智能仓储、物联转运车间物料流转场景,实现盾构机结构件生产制造过程业务和物料深度融合和高效同步。

       (1)与智能仓库(WMS)、位置定位系统集成

       通过将浪潮ERP、MES与装备智能仓库(WMS)、工作单元位置定位系统集成,完成库存数据的精细化管理。将系统间的出入库、调拨、移库等业务数据进行集成传输,实时完成库存数据的实时互通互联。

       (2)建设车间线边库和半成品库

       以车间加工单元为主体规划线边库和半成品库的建设,实现工序级来料管理和半成品转运精细化需求,可通过工序级线边库和半成品库账本数据归集为后续计划调度排产提供可靠的数据支撑。

       (3)满足车间生产执行和物流运输高效联动

       从物流流动线出发,基于MES的工序任务拉动从原材料库存利用物流执行至线边库、加工单元、焊装单元的物联状态标识,生产过程中在制品工位流转按物流路线联动运输设备触发智能化定向传输以及线边仓、半成品仓的自动出入库,实现生产执行拉动物流运输的在线驱动生产模式。

       (4)实现钢板精细化管理

       规划钢板按单件管理的精细化模式。钢板作为盾构的主要原材,占整体材料成本较高,根据盾构公司现业务流程,需要对钢板进行更为精细化的管理,实现与盾构套料软件的集成,将钢板的采购需求,到货、堆垛、生产领料进行整体的流程管理,同时在整个钢板流转过程中进行钢板的单张管理。

       5)生产制造层

       (1)建设完备的基础数据

       在现有EBOM基础上,规范输出,同时通过CAPP及制造数据补充构造,实现全结构化(数字化)PBOM(MBOM),使BOM数据具备对整个制造过程的数据驱动能力。

       在大型结构件工厂,对刀盘、盾体、驱动箱,取得EBOM中组件的完整BOM,按照本工厂加工生产属性,完成基本BOM的重构,根据工艺要求补充工艺路线、工序、材料定额和各大工序制造“提前期”等计划数据。

       工艺信息作为计划排产数据支撑,其中涵盖工艺路线、工艺文件、NC程序等。对于工艺路线,要求具备结构化属性(计算机可识别)、完整性,描述工序与关键设备资源(工作中心)关系,明确工序层面主辅材料定额,具有准确的工序期量标准关系、物料期量标准关系。

       (2)生产制造与供应链仓储系统协同

       针对产业园生产制造外协占比较高,多外协单位支持产业园拼焊。外购/外协物料需求配套情况,制约组拼、焊接工作的开展。从两个层面建设生产制造与仓储系统协同,依赖准确库存数据。

       生产计划形成阶段,协同仓储系统提供准确的库存数据,实现精准MRP运算,形成的相关物料需求,推送物资采购部门;

       结合仓储系统的库存数据,经过准确运算形成的MPS项,经过自制、外协流程后,及时反馈至供应链仓储系统,更新库存信息;以此为依据,开展总拼任务的齐套检查,对于仍处于缺料状态的自制/外协备件,及时追踪,确认缺料的推送物资采购部门补料。

       (3)生产制造与生产执行单元协同

       根据生产任务产生的生产订单,MES系统基于生产订单中的开工、完工时间要求,自动或半自动(提示、提醒模式)完成各零部件工序派工;各制造单元可以自动获取任务订单,可以驱动领料、查看图纸、工艺规程、NC代码等(实现执行数据驱动及无纸化);完成相关生产任务,任务完成后确认报工,同时完成各时段资源状态、能源消耗、材料(零部件)转移、人工投入等与任务关联;完成精细化的工位(机床)时间、任务、消耗管理及成本数据归集。

       (4)生产执行系统与套料系统协同

       增加套料软件集成,增加新工厂对于原材料的闭环管理,套料产生的钢板需求,将作为采购依据;套料软件产生的钢板和下料零件对应关系,也需要被集成在ERP系统中,将作为生产任务的驱动MES执行下料,加工等任务。

       6)车间执行层

       新园区4.0智能工厂,依托智能加工单元,通过关键部件切割下料、坡口、焊接、机加工、表面处理等关键工序数字化,实现盾构机结构件生产制造信息化、数字化、智能化。车间执行以车间为载体,以四个生产任务驱动(钢板下料、零件加工、部件加工、构件加工),过程中物料紧密关联。由钢板下料发起,基于生产执行过程中工序流转和物料状态变更密切协同,最终物料形态变化表现为:钢板—>零件—>部件—>构件。

       车间执行接收来源于生产计划下发的生产订单,由车间调度关联PDM文档和产品工艺基于车间设备有限能力进行智能排产,排产后工序任务区分外协和自制分别走外协流程和下发至工位机作业台。

       车间工人基于工位机作业台识别工序任务进行扫码作业,集成WMS系统和位置定位系统在业务流按工艺路线流转的同时实现在制品物流的同步流转,建立工位级线边库,将工序作业与物料状态变更紧密融合。

       质量部将质量要求融入工序检验要求,将生产过程质量控制与业务流转进行有效控制。

       基于生产执行过程中完备的业务流、物流、质量流过程数据,进行多维度数据统计分析,输出工位级、产线级、工厂级等多级可视化进度看板,建成正反向数据可靠的质量追溯机制。

       2.2 项目实施与应用

       1)在离散化制造、个性化定制的高端工程装备行业实现产品全生命周期多源异构数据的互联互通与智能管理

       盾构机的生产制造是典型的离散型制造,以个性化定制为主,面向订单的生产模式,从而满足客户不同类型的需求。中铁装备智能工厂项目规划设计充分结合盾构机生产特点,以敏捷生产、拉动式生产以及“一个流”的平衡化生产为原则,以价值流程为导向,以流程迭代优化、6S、TPM、看板、快速换产等手段,应用编码技术、成组技术,采用模块化设计、成组化工艺实现智能工厂精益布局。本规划总体上以盾构机产品制造工艺流程路线为主导,以价值流分析为依据,理顺下料、焊接、热处理、探伤、总装等各生产过程,选择先进的工艺模式,建设符合工艺要求的智能化生产车间,从而打造功能完善、布局合理、工艺先进、物流顺畅快捷的盾构机现代化制造基地。

       项目规划设计总体上贯穿以下思路:

       采用精益化理念对车间工艺、设备、物流路线、生产组织方式等内容进行分析、设计,实现生产周期短、库存量小、物流搬运少的拉动式生产方式。

       工作区地址标识设计:明确标识各种工位器具位置、物料定置及流动、工作区使用物料明细,并准确传递各类生产信息。

       精益生产中的物料配送及管理设计:根据生产特点对物料进行分类,按照生产节拍制定合理的配送机制,采用先进的搬运工具与容器,在所需求的时间内配送到准确的工位,以满足生产的物料供应。

       车间物流分析:物流工具、配送方式、物料识别跟踪方式及厂房物流、参观流线分析。

       针对现有的供应链管理软件支持力度不够、采购计划不精确、物料控制不严谨、存在许多不增值的环节、物料控制不严密和缺乏供应链的协调的问题。结合中铁装备智能制造的总体规划,通过建设ERP系统包括销售管理、采购管理、仓储管理、生产辅助、财务管理,以及可外接的数据接口方案实现采购、库存、生产、财务等业务的紧密协同作业。

       MES系统作为连接设计与制造、控制与管理的桥梁,与底层的设备运行状态监测及上层的PDM、ERP、质量大数据分析等系统都有稳定、开放的集成接口,通过MES系统可实现从设计/工艺、管理、制造等多个层次的数据共享和信息沟通。基于“软硬件管控一体化”原则,建立企业管理、研发与生产信息一体化集成平台,通过数据集成、平台管理、开发工具、微服务框架等关键技术,实现设计与工艺、制造、计划、采购等部门的信息集成和过程集成,对于集成接口的过程进行日志记录,对于出现异常的接口过程进行及时日志分析和处理,缩短了中间信息交互、过程评审的时间,真正达到联通数字化设计、数字化制造和数字化管理,最终实现数字化企业目标。

       2)工艺物流仿真的具体实施

       盾构机生产制造是典型的离散型生产方式,在加工制造、装配环节,工艺物流系统是影响生产效率、成本、能耗的重要因素,通过仿真技术进行模拟验证,寻找物流系统最优解决方案。物流系统仿真主要从生产流程仿真、物流路线分析、物料平衡分析、仓储及线边库分析、物流设备投入分析、周转容器投入分析等方面进行。

       在对项目需求进行分析,充分了解项目意图的基础上,进行项目的调研,主要是对项目初期的工艺规划方案进行了解和沟通,对车间生产现状进行现场调研,对生产车间工艺布局、工艺流程、物料配送等生产中的痛点进行梳理,在此基础上,对工艺规划方案提出改善意见和建议,并与车间的技术人员进行讨论;在充分了解工艺规划方案的基础上,对车间设备、物流设备、存放区、预处理工位等进行仿真建模,进行产线仿真和车间仿真联调、试验,就发现的问题进行调整分析,并对工艺规划方案迭代优化,验证生产、物料转运是否冲突、设备选型是否合理、产能是否满足规划要求,形成阶段性汇报材料,重新完善模型、联调、试验和迭代仿真,编制项目仿真分析报告,根据仿真的定量分析结果,迭代优化工艺规划方案,并形成基于仿真结果的最终工艺规划方案修改意见和建议。

       3)建立面向用户定制的混流生产的数字化车间 

       针对盾构机单件定制生产要求,建立了面向用户定制的混流生产的数字化车间,实施技术创新点主要体现在: 

       每条生产线都具有一定的柔性,能够适应定制产品、不同尺寸、不同配置的盾构机产品、TBM产品的混流生产; 

       每条生产线都是一个信息物理系统CPS,不仅包含物理执行机构,还包含有信息采集、状态监测、物料自动识别、数据存储等功能; 

       生产线关键工位具有一定的智能化功能,能够自动感知所操作对象的状态并做出反应,比如在线视觉检测、通过物料自动识别来设置操作终端显示等等。

       4)多条柔性生产线、物流单元的集成管控和协同工作 

       生产过程中,中铁装备盾构机结构件数字化焊接车间部件制造产线和盾构机总装产线的各生产单元、物流单元必须协同工作,才能减少非增值活动时间,提高生产效率,创新点体现于: 

       每条生产线的接口形式(通讯方式、数据格式)各异,为实现异构设备集成,统一定义接口标准; 

       设备运行状态监测系统的构建。该系统是上层MES系统和下层生产线执行层的中间层,它由数据采集处理接口及数据中心构成,实现从各生产线管理系统、独立数字化设备、WMS中获取生产过程实时数据,根据统一数据标准,将数据存入制造数据中心,供MES、质量分析等系统调用。同时,该系统获取MES的调度指令,并将指令下达给生产线管理系统、独立数字化设备和WMS系统,以驱动生产设备协同工作; 

       计划与物流的协同优化。对于自动化生产线和物流单元而言,不同产线之间的计划协同、以及计划与物流的同步比人工操作更为重要,对于减少在制品数量、减少等待时间、提高生产有序性和生产效率具有意义。 

       5)开发特厚板焊接系统与工艺 

       机器人焊接与反变形焊接技术的结合,大大减小了焊接变形。盾构机板单元结构复杂、尺寸较大、焊缝多且不规则、焊缝的填充量大,焊接过程中变形严重,如果采用常规机器人焊接方法,焊后变形量大,效果不理想。自主研制的盾构机特厚板焊接系统,将焊接机器人与液压反变形翻转台架联合设计,通过板单元预置反变形,多机器人焊接同时施焊等技术,克服了常规机器人焊接后变形大,外观质量较差的缺点,减小了焊接变形,节省了80%的焊后修整工作量,提高了焊接质量和效率,经济效益明显提高。

       6)数字孪生平台与制造现场数据实时交互的制造过程监控 

       通过可视化MES,方便生产管理人员从多个视角了解生产过程全貌、发现生产异常并快速进行处理,从而使生产管理更加透明化、实时化、可视化和协同化。 

       数据驱动的三维虚拟车间实景和实绩呈现:以三维虚拟车间模型为载体,以多维统计图表为展现形式,动态可视化展示与车间生产过程相关的设备状态、生产进度、质量状况、物流状态、工厂能耗等实时信息和绩效信息; 

       生产异常的指挥与协同调度:通过MES与设备运行状态监测系统的交互,可以及时、动态、发现生产过程出现的各种异常,比如设备故障、物料短缺、质量超差等等,通过仿真和优化分析,可以对作业计划进行优化,消除制造过程瓶颈,保证制造任务的准时、高效执行。

       3. 效益分析

       项目实现盾构机的数字化生产,使生产效率提高25%以上、运营成本降低20%以上、产品升级周期缩短30%以上、产品不良品率降低30%,单位产值能耗降低12%。具体测算如下:

       1)生产效率提高25%以上

       以盾构机关键部件刀盘结构焊接为例,采用机器人焊接主梁、扭腿底座、刀箱等,人工焊接时间为190小时,而采用机器人焊接时间为105小时,比人工焊接可减少85个小时,焊接工序效率提升45%;在库房及物料管理方面,通过智能仓储系统的引入,可实现减少库房管理人员和取料时间,节约盘库时间,在取料时间及效率上,人工方式找料取料时间每人每件约3分钟;采用智能仓库后,由设备自动找料,人工固定位置取料,每件需时间约1.5分钟,仓储配送效率提高50%,综合各类智能制造手段,可将盾构机生产周期由目前的8个月减少至6个月以内,生产效率提高25%以上。

       2)运营成本降低20%以上

       通过智能制造的实施,减少设计变更、装配碰撞干涉现象,减少返工整改;提高标准化设计,从而降低原材料种类及库存成本;通过优化工艺流程,降低原材料消耗及不良品率;同时制造过程自动化水平的提高可带来人力成本降低。综合以上,运营成本降低20%以上。

       3)产品升级周期缩短30%以上

       通过提升智能设计水平,构建CAD/CAPP/CAM/CAE三维一体化设计、仿真协同研发平台,采用模块化、参数化设计,提高产品变型设计能力,缩短产品设计周期、仿真试验验证周期,特别是借助大数据及云平台技术,为优化设计提供辅助决策,当前盾构机技术迭代更新周期为1.5年,项目实施后可压减至1年内,产品升级周期缩短30%以上。

       4)产品不良品率降低30%

       通过引入车间设备运行状态监测系统,实时掌握设备的运行状态,进行集中管控,降低产品的不良品率。如对群焊焊机的监控系统,可将同一工作位置的焊机的工作参数如焊接电流,电压等根据专家库数据进行统一设置,提高了焊缝的良品率,根据统计手工焊接的每35000mm中800mm需要返修,经过集中管控需返修量可降至500mm;数字化装配车间应用虚拟装配仿真技术,对关键部件的进行装配模拟,降低了装配的次品率。综合各类智能制造手段,盾构机一次性验收合格率可由95%提高至96.5%,不良品率降低30%。

       5)单位产值能耗降低12%

       通过智能制造实施,公司万元产值综合能耗降为0.003784吨标准煤/万元,相对公司2017年万元产值综合能耗0.0043吨标准煤/万元降低12%。
责任编辑:梁曦
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