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卫华集团:基于工业互联网平台的起重机智能化升级实践

2020/1/6    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:工业互联网  e-works岁末盘点  智能制造  卫华集团  
本文为“2019年度中国智能制造最佳实践奖”参评案例。本次活动将评选出2019年度,在智能制造各领域有实践案例,或者有突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业实施智能制造的过程、步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,有效推动中国智能制造应用,供广大制造业行业企业学习供鉴。

一、企业简介

    卫华集团有限公司成立于1988年,经过31年的发展,现已成为以起重机械、矿用机械、港口机械、减速机等产品为主装备制造的领军企业。公司占地面积365万平方米,职工总数5570人,其中技术研发人员600余人,具备各种生产检测设备6965台套,总资产76.97亿元,2018年销售收入122.42亿元,产销量连续十多年蝉联全国第一。

    主导产品广泛应用于机械、冶金、电力、铁路、航天、港口、石油、化工等行业,服务于国家南水北调、西气东输、三峡水电站、酒泉卫星发射基地等国家重点工程,助力“神十”、“嫦娥三号”成功飞天,并远销美国、英国、日本、俄罗斯等129个国家。

    先后荣获“中国机械百强企业”、“中国民营500强企业”、“全国质量标杆”、“全国机械工业质量奖”、“全国制造业单项冠军”等500多项荣誉称号。

卫华集团

图1 卫华集团

二、企业在智能制造方面的现状

    卫华集团立足河南省起重装备产业集聚区,深耕起重装备行业31年,以长期的起重装备工业场景、工业数据实践经验为基础,充分借鉴国内外行业先进经验,在集团“十三五”战略期间,采用物联网、云计算等设计理念建设了“起重装备行业工业互联网平台”,实施基于工业互联网平台的起重机产品智能化升级。

    起重装备行业工业互联网平台应用对象包括:桥式起重机、门式起重机、电动葫芦等。卫华集团在“十三五”战略中规划了产品的绿色化、智能化、定制化的发展方向,通过起重装备的智能化升级,依托工业互联网平台采集起重装备的运行数据、使用状态和地理位置等信息,开发部署运行监测与分析工业APP,实现了产品远程监控、故障诊断、预测性维护等远程运维服务应用,实时追踪并优化起重装备运行状态,提升设备运维效率和产品服务价值,从而使设备质量和使用效率提高30%,设备安全性提高50%,以工业互联网技术赋能传统起重机,使起重机从纯粹辅助搬运设备升级为起重机器人,实现物流与生产联动,成为智能车间、智能工厂中智能物流系统的关键组成部分。

    基于工业互联网平台的起重机智能化升级,助力卫华产品从自动化向智能化的转型,在起重机行业新形势下,形成了“智能起重机+工业互联网平台+实时动态管控+大数据挖掘分析”的自主创新模式。

    2018年,卫华基于工业互联网平台的起重机智能化升级相关应用获得制造业与互联网融合发展试点示范、工业互联网试点示范、物联网集成创新与融合应用项目3项国家级荣誉,成为河南省3家行业工业互联网平台培育名单之一。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

    1.项目背景介绍

    传统起重机制造行业普遍存在产品智能化程度低,质量参差不齐,产品维修、保养、检测未有效落实,产品状态及使用过程的信息不透明,健康状况不能预知,存在安全隐患,缺乏数据支撑,无法有效管理决策等问题。

    在供给侧改革及起重机主机市场渐趋饱和的环境下,实现企业可持续发展,必须严格控制主机故障率,延长设备服役时间,降低设备及产品能耗。而通过起重机智能化升级和建设工业互联网平台,运用大数据分析、互联网、物联网等手段,提升智能化水平,符合市场、政府导向及环境需求,也是起重机制造企业可持续发展的必要前提。

    卫华集团基于工业互联网平台的起重机智能化升级实践瞄准起重装备领域的薄弱环节,着力攻克制约产品智能化的关键技术,提高产品智能化程度、提升设备运维效率。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    1)产品智能化升级技术路线

    将图像识别、图像数字转化、图像数字驱动控制等机器视觉技术、嵌入式PC、物联网技术、PLC可编程控制技术、变频调速技术、伺服电机驱动技术、运行防摇摆技术等高度集成到起重装备上,实现起重装备操作自动化、控制数字化、物联网化等,大幅提升起重装备智能化水平,以核心物流装备角色参与到智慧工厂、智慧物流建设中。起重装备产品智能化技术路线图如图2所示:

起重装备智能化技术路线图

图2 起重装备智能化技术路线图

    2)产品智能化升级关键技术

    起重机产品智能化升级过程中的关键技术创新点:

    1、高精定位

    通过变频技术、伺服驱动技术、精密齿轮齿条传动技术、光栅尺或激光传感定位技术实现起重装备精确定位。起重机在全行程上最大的水平位移小于1mm,对固定位置水平位移的重复精度小于0.5mm。

    2、智能防摇

    在智能防摇系统中输入钢丝绳长度和起重量等外部参数,智能防摇系统根据起重装备运行速度自主决策加减速度值、持续时间及加减速频率实现智能快速防摇制动。卫华集团研发出具有国际领先水平的智能防摇技术,成功解决起重机载荷摇摆难题,使起重机吊运物料更加精准、更加快捷、更加平稳,停车瞬间摇摆幅度不超过0.2度,减幅95%以上,具有精准点动功能,最小点动距离小于5mm,自动定位与重复定位精度高,定位精度小于2mm,使起重机成为起重机器人。

    3、智能可视化

    针对生产作业现场条件恶劣,无法准确获得现场信息的工况,智能化、可视化技术研究是解决问题的有效途径。电气控制系统及施工定位系统包含传感器,可实现数据采集并输入可视化系统,结合数据通信技术、计算机图形学、计算机程序设计和传感器技术,实现作业可视化。

智能挖泥船

图3 智能挖泥船

智能可视化示意图

图4 智能可视化示意图

    4、故障自诊断

    搭建故障模型,对故障进行定义与编码,利用传感器采集起重机关键参数,通过边缘计算实时分析产品状态,起重机运行过程中达到临界状态会自动触发报警,如双重限位失效,双抱闸失效,冗余系统中机构失效,客户不容易发现的意外故障,主要电气元件寿命到期报警提示,实现故障预测与自诊断。

起重机运行数据监视图

图5 起重机运行数据监视图

故障数据查询图

图6 故障数据查询图

    5、远程运维

    起重装备通过先进的采集控制器进行运行数据采集,利用无线通信模块、移动网络和GPS或北斗定位技术将采集数据传输至起重装备工业互联网平台,在远程运维控制中心对数据进行分析和可视化管控。

远程运维控制中心

图7 远程运维控制中心

远程运维业务逻辑

图8 远程运维业务逻辑

    3)产品智能化升级主要性能指标

    卫华使用互联网、移动终端、云计算、物联网等新兴技术,打造产品智能化升级的7类关键指标,实现智能起重机在工业互联网环境下高效的工业设备管理能力、便捷的软件应用管理能力、海量的存储和计算能力、多元的应用开发能力、灵活的平台间调用能力、安全的资源迁移能力、先进技术应用能力。

表1 远程运维业务逻辑产品智能化升级的7类关键指标

远程运维业务逻辑产品智能化升级的7类关键指标

    4)产品智能化升级实施方法

    1、开发物联模块

    数据采集是工业互联网平台的基础,工业互联网平台首先要解决的是连接工业中的人、机器设备和业务系统,但是设备连接在工业现场并不是一件容易的事情。当前,我国规模以上工业企业里,80%以上的机器设备都是没有联网、不会说话的“哑”设备,只有20%的设备联了网、会说话,但是这些设备遵循不同的通信协议,存在严重的“语言障碍”,严重制约着工业互联网平台建设。

    基于卫华集团与项目参与单位强大的研发能力,研发低成本的数据采集模块,支持总线协议、工业以太网协议和无线协议等众多通信协议,能够兼容、转换多种协议,实现起重工业设备互联互通,解决设备联网难,工业数据采集难、成本高、效率低的问题。

自主研发数据采集物联模块

图9 自主研发数据采集物联模块

    物联模块主要功能是通过传感器数据采集硬件模块采集起重机的相关设备状态参数及运行参数,经有线或无线通信方式把采集到的数据传递给远端数据平台,并进行持久化存储,以便远端进行数据分析和展示,从而为设备运行的故障侦测预警、保障维护、远程管理提供基础的技术支撑。

工业设备接入架构

图10 工业设备接入架构

    (1)硬件架构

    物联模块包括数据采集模块、网络传输模块、数据传输模块、数据持久化模块、数据可视化模块。1)数据采集模块和网络传输模块嵌入到硬件模块中,支持Ethernet、802.3、802.11等网络协议,支持边缘计算,可以满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求;2)数据传输模块由终端客户端、远端服务器、远端客户端组成,支持OPC、OPC-UA、ProfiNet等协议;3)数据持久化模块由数据库系统、数据存储模块组成;4)数据可视化模块由远端WEB服务器、报表引擎、数据展示模块组成。

物联模块

图11 物联模块

    (2)数据传输架构

    数据通过设备传入远端协议网关服务器,进入消息队列服务器MQTT,消息经过订阅后,存储到数据库服务器(SQLite、MySQL、NoSQL等),并通过Web服务器对外发布展示内容,客户端可以通过Web浏览器查阅数据及相关的展示内容。

数据传输架构

图12 数据传输架构

    (3)数据存储架构

    数据经由MQTT对外发布消息,消息订阅后,按照相应的权限,被保存到数据库服务器中。

数据存储架构

图13 数据存储架构

    (4)数据展示架构

    数据展示架构为工业云前台展示提供了框架,可以在平台上提供设备管控、故障管理、报表分析、位置显示等多种功能。

数据展示架构

图14 数据展示架构

    2、产品物联接入

    对经过智能化、网络化改造的设备,安装采用DC 24V电源供电的物联模块,从起重机的PLC中采集数据,并传输至平台。

设备接入逻辑

图15 设备接入逻辑

    (1)通讯方式

表2 通讯方式

通讯方式

    (2)支持通过远程对PLC进行在线监控调试、上传、下载程序。

    (3)支持对采集到的数据进行断点续传和边缘计算。

    3、建设工业互联网平台

    卫华集团严格依据GB/T 28264-2017《起重机械安全监控管理系统》、TSGQ7015–2016《起重机械定期检验规则》、TSG Q7016-2016《起重机械安装改造重大维修监督检验规则》、GB12602-2009《起重机机械超载保护装置安全技术规范》等起重机特种设备要求,创建基于互联网先进技术,具备资源管理能力和服务能力的工业互联网平台,建成起重装备数字化设计与智能制造技术基地,形成行业先进技术的示范应用,打造国内一流的起重装备工业互联网平台。

    平台建设采用自购软硬件与租赁互联网服务商云资源相结合的方式开展设计和建设。平台利用云计算相关技术,构造一个功能齐全、设备先进、运行高效、使用灵活、维护方便、易于扩展、投资省、高安全可靠的全局性基于平台的数据资源中心。

    平台作为IT基础架构的一套完整解决方案,通过采用硬件设备虚拟化、软件版本标准化、系统管理自动化和服务流程一体化等手段,将IT设备提供的计算能力,通信能力,存储能力封装成资源池,建设一个以服务为中心的云计算管理平台,把资源的使用方式从专有独占方式转变成资源池化的共享方式,运行环境可以自动部署和调整资源分配,实现资源随需掌控。从而帮助用户建立一个基于业务的资源共享、服务集中和自动化的云计算数据中心,具备了跨平台、跨厂商、高融合、可定制等四大优势,摒弃繁琐的手动流程,提供自助服务接口,使用户随时、随需申请资源,实现对业务服务需求的快速响应,实现分级资源自动部署,并保证资源部署的一致性和高效利用率。

工业互联网平台总体方案

图16 工业互联网平台总体方案

    5)市场推广应用状况

    1、智能化技术应用于航空航天

    卫华自主研发的智能防摇摆精确自动定位控制技术,利用计算机控制关键部件的运行,能把摇摆的角度降低到0.2°以内,把摇摆的幅度降低了95%,控制精度达2毫米,为世界首创、填补了此领域的技术空白。成功应用于酒泉卫星发射基地,助力“神州”、“嫦娥”、“天宫”系列等发射成功。

产品应用于航空航天

图17 产品应用于航空航天

    2、智能化技术应用于集装箱起重机

    卫华研制的集装箱门式起重机综合运用物联网技术、防摇摆技术、PLC控制技术、CMS信息化管理系统等技术开发而成。信息化程度高、防摇效果好、运行稳定可靠,实现了集装箱运输高效、安全、快速。

集装箱门式起重机整体机构

图18 集装箱门式起重机整体机构

集装箱起重机信息管理平台

图19 集装箱起重机信息管理平台

    集装箱门式起重机设备应用物联网技术、射频识别技术,结合GPS全球定位系统,实时采集到的集装箱信息应用到堆场调度中,可以实现货物位置的优化分配,实现堆场空间的合理利用,实现对集装箱的全程追踪、信息共享和可视化供应链管理,从而消除集装箱在运输过程中可能产生的错箱、漏箱事故,保证了运输的安全性和可靠性。加快了货物周转速度,极大地提高物流企业的运行效率。

CMS起重机管理系统

图20 CMS起重机管理系统

    3、智能化技术应用于仓储起重机

    在智能化仓储系统复杂控制要求下,搭载卫华仓储智能起重系统的仓储智能起重机,通过与仓库信息系统之间的通讯,实现自动调度、自动运行、物资货位对应、起吊动作连锁,最终完成自动化操作,实现精准定位。仓储智能起重机所配备的工控机,还可以将指令推送至手持APP,操作员可以通过手机或移动平板完成指令确认及传送工作,易于操作。

起重机仓储智能系统图

图21 起重机仓储智能系统图

仓储智能控制系统流程图

图22 仓储智能控制系统流程图

    4、智能化技术应用于各行业专用起重机

    基于工业互联网+设计创新,形成起重机产品智能化,近三年已成功研制国内领先水平的全自动垃圾吊、全自动化冶金换辊起重机、全自动钢管搬运起重机、智能焙烧多功能起重机等,应用于各细分行业领域。

    5、智能化技术应用于起重机运行状态宏观统计

    主要实现对指定企业或指定区域的起重设备位置、运行状态进行宏观统计,便于掌握所有设备整体分布、运行情况。采集起重机参数点位108个,应用于起重机制造企业5家,覆盖全国12个省,预计在2019年覆盖30个省份。

起重设备运行状态宏观统计

图23 起重设备运行状态宏观统计

    6、智能化技术应用于起重机远程自动运维

    主要实现设备运行状态的实时监控,包括运行档位、电压、电流、工作现场视频图像等信息,并通过3D仿真的形式对起升机构、运行机构的工作过程进行直观展示。基于设备即时数据和异常检测模型,系统可以自动触发故障服务工单,售后服务工程师能够准确获取故障处理方案,提高设备维修效率30%以上。

起重装备工业互联网平台

图24 起重装备工业互联网平台

起重装备运维服务工单

图25 起重装备运维服务工单

    7、智能化技术应用于起重设备云端管理

    通过手机、平板等移动设备,对系统的整体运行数据以及单台设备的运行情况进行全面监控,可以随时掌握起重机的运行状态。

起重设备云端管理APP

图26 起重设备云端管理APP

    3.效益分析

    卫华集团通过实施“基于工业互联网平台的起重机智能化升级实践”驱动企业转型升级,产品质量优势、产品智能化优势和起重装备市场竞争力明显提升,稳固保持行业业绩增长与产销量增长双第一的行业标杆位势。

    1)管理效益

    (1)形成高效、协同的产品研发创新模式

    卫华“基于工业互联网平台的起重机智能化升级实践”形成基于互联网+的起重机高效、协同的产品研发新方法,对于提升整体研发能力、缩短设计周期、提高设计质量、降低设计成本等方面产生巨大的推动力,使公司产品设计研发能力达到国内领先水平。

    实践过程中,卫华将原有的互联网设计信息系统资源进行整合,将CAD\CAPP\CAE\PLM参数化设计系统、有限元分析系统、基于互联网+的产品数字化、起重机三维参数化设计平台、起重机关键零部件性能设计分析软件平台、基于VR/AR技术的虚拟制造数字样机综合仿真系统集成在智能起重机设计平台上,形成高效、协同的设计创新模式。

起重机有限元分析

图27 起重机有限元分析

起重机模拟仿真设计

图28 起重机模拟仿真设计

    2、提升产品设计效率和设计质量

    基于工业互联网和云计算的设计中心,提供了虚拟制造、虚拟装配和虚拟施工验证,以及产品数据库设计、运行管理,实现了样机的三维建模、运动学和动力学仿真分析、作业情况模拟等虚拟化设计工作,让研发过程变得更加高效、可靠。不仅为起重机产品提供了创新的设计工具,而且能够降低对设计人员知识、经验的要求,提升产品设计的效率和质量。

    3、形成知识的数字化传承和应用

    卫华采用云存储技术,建立了产品设计需求数据库、供应商产品信息库、三维模型库、典型设计案例库、设计结果数据库,实现结构轻量化、参数化、通用化、标准化、模块化设计,同时结合专家经验,形成一套智能化专家设计系统。将海量的设计工作,优化分析等嵌入软件系统,实现只要输入简单的产品参数,就能准确的依照专家模式完成高水平的产品设计。

    2)经济效益

    1、企业整体经营业绩呈稳步增长态势

    卫华建立了以智能起重机+工业互联网为框架的公司核心竞争力,使其成为经营管理、产品升级、产线再造、服务创新、绩效提升的工具和系统方法。2018年销售收入122.42亿元,其中智能新产品销售收入73.45亿元。与去年同期相比,智能化冶金产品订单增长45%,全自动程控起重机订单增长49%,交通运输行业智能起重机订单增长39%。

主营业务收入持续增长

图29 主营业务收入持续增长

    2、产品细分领域达到国际水平

    在产品细分领域,卫华多项指标领先同行业水平,达到国际水平。

表3 技术指标对比表

技术指标对比表

    3、科技成果持续增加

    卫华集团受理专利共计728项,其中发明专利66项。获省级以上科技成果鉴定61项,其中国际领先1项、国际先进4项、国内领先56项。承担以智能化产品为主要内容的国家级研发项目7项,其中863项目1项,国家火炬计划2项,国家科技支撑计划4项。

    3)社会效益

    1、提高品牌影响力

    卫华集团基于工业互联网平台和智能起重机,利用起重装备产品智能化、轻量化、起重机精确定位防摇摆等关键技术,自主研发的智能化产品广泛用于航空航天、港口物流、核电、环保、冶金等国家重点领域,尤其是自主研发的防摇摆精确自动定位起重机,高精度完成长征五号在厂房内的搬运、翻转、检测和测试,为助推“神州”、“嫦娥”、“天宫”系列等重大航天发射,做出了突出贡献。

    2、促进行业资源整合、优势互补

    卫华集团依托工业互联网平台和智能远程服务系统,通过“智能起重机+工业互联网平台+实时动态管控+大数据挖掘分析”,整合上下游包括供应商、用户在内的合作伙伴,将研发成果与实际应用进行有效的融合,实现行业优势互补,形成强大的成果转化、生产试制和市场推广能力。实现企业由单纯的产品研发、生产、销售向系统解决方案的工程总承包模式转变;服务方式由现场售后服务模式向远程预防模式转变。将领先的研发、供应链、销售等运营能力向外延展为服务,从而为客户创造更多价值。

责任编辑:程玥
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