高端装备篇

第1例 焦作科瑞森重装股份有限公司 散料连续输送装备智能工厂

1.1 简介

1.1.1 企业简介

焦作科瑞森重装股份有限公司（以下简称科瑞森）成立于2003年，是一家集机械装备研发设计、加工制造、海内外营销、工程总包、远程运维服务为一体的国家高新技术企业。产品涉及轨道交通、港口码头、矿山、冶金、粮食等多个领域，迄今已在全球32个国家实施了EPC总包工程，在国家“一带一路”倡议的推动下实现了带式输送机产品和服务的全球供应。

近年来，公司秉承科技创新引领企业发展的理念，积极对接“中国制造2025”，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的发展思路，以匠心精工打造行业精品，以其强大的研发团队和独有的多元化设计平台，一直走在物料连续输送装备制造技术的前沿。通过在技术、市场、管理等方面的持续发力，陆续研制了“C型高倾角压带式输送机”“隧道掘进连续出渣成套输送装备”“履带轮胎组合移动式皮带机”等具有自主知识产权、可替代进口产品的新型装备，突破了多项由外资品牌长期垄断的核心技术，完全具备了与国际行业巨头同台竞技的实力，成为我国散料连续输送装备制造行业的领军企业。

1.1.2 案例特点

项目属于散料连续输送装备制造领域，有下列特点：①通过数字化设计、智能制造、远程运维服务，形成了散料输送行业一体化离散型智能制造新模式；②通过网络协同制造、大规模个性化定制和远程运维服务模式的应用，实现了设备全生命周期的管理；③通过生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化等先进技术应用，做到了工厂各关键环节的互联互通与集成，实现了优质、高效、低耗、绿色、灵活生产。

在项目实施过程中，重点解决下列关键技术难题：

1）将视觉传感器成功应用在搬运机器人上，实现机器人搬运不再依靠定位码垛的新突破。科瑞森2017年引进的“横梁喷漆线自动上下件系统”采用视觉传感器对摆放杂乱无章的托辊横梁进行拍照并获取位置数据，将数据传输给机器人进行计算并精准地抓取工件。此项技术的突破在国内同行业尚属首例，解决了搬运工件需重复定位码垛带来的许多技术难题，优化了生产线工序、降低了生产成本、提高了生产效率。

2）建立离散型非标生产信息化平台。受限于工序流转零散无规律、产品规格尺寸非标、单件小批量新产品较多等刚性问题，离散型非标产品的生产信息化管理是制约离散型智能制造的共性问题。通过“科瑞森智能管控平台”持续升级，最终实现了基于产品物料清单（BOM）数据在管控平台中进行全生命周期管理的新模式，做到了从工艺设计、工时工序设置、生成生产计划、派报工管理、数据收集分析等环节的全平台控制。

1.2 项目实施情况

1.2.1 项目总体规划

按照“数字化、信息化、智能化”的设计理念，充分利用互联网、智能生产管理系统、信息物理系统（CPS）平台、大数据等先进技术，定制高档数控机床与工业机器人设备、智能物流与仓储设备、智能传感与控制设备等先进智能制造设备，以及产品数据管理（PDM）、客户关系管理（CRM）、企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、仓库管理系统（WMS）和运输管理系统（TMS）等智能化软件系统形成企业智能管控闭环，推进科瑞森数字化设计、智能生产、智能物流、智能运维以及产品全生命周期管理等方面的快速提升，达到提质、降本、增效、节能、绿色生产的目标，建成散料连续输送装备智能制造工厂。项目总体技术架构如图1-1所示。

1.2.2 建设内容

1.2.2.1 智能设计

科瑞森大都是针对项目的非标产品，因此研发设计的任务量大、时效性强。项目引入数字化三维设计、PDM等智能化软件，以及基于EDEM的物料仿真工艺设计软件等，实现工艺和产品的大数据仿真模拟与集成管理，并实现计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及PDM、试验数据管理（TDM）和ERP各管理系统之间的协同。建立集成高效的数字化研发设计管理平台，为设备全生命周期管理储存重要的前端数据信息，项目数字化研发平台架构如图1-2所示。

1.2.2.2 智能生产

对工厂进行数字化改造，建设自动焊接生产线、自动涂装生产线；深化产品生命周期管理（PLM）、ERP、MES等系统的集成；打通人机互联、机物互联、机机互联的信息通道，满足人、机器、生产线的随需交互，实现物联网、互联网融合相通。将传统的长生产线改造为高度自动化的短生产线，并进行数字化排产，实现柔性化生产。工厂内部通信网络架构如图1-3所示。

通过工业以太网将现场层（包括设备、工件、人员等）与执行层MES进行集成，MES获取订单拆分为工单，实现工单生产加工、工件智能转运、看板监控、统计分析等信息化管理，企业信息化管理系统架构如图1-4所示。

通过ERP管理系统全面升级，实现对企业资源和车间智能生产信息及运维服务信息等有效的互联互通与集成，解决企业运营过程中出现的信息流问题，减少信息孤岛行为，ERP管理系统架构如图1-5所示。

1.2.2.3 智能运维

鉴于科瑞森全球化的客户资源和散料输送装备行业多站点、分布式、远程化的使用特点，需要打造面向散料输送装备的智能化远程运维管控平台，平台总体架构如图1-6所示。通过预留的开放数据库接口和嵌入的智能传感器，散料输送装备实时上传数据给远程运维服务系统，进行有效筛选、梳理、存储与管理，并通过数据挖掘、分析，向用户提供日常运行维护、在线检测、预测性维护、故障预警、诊断与修复、运行优化、远程升级等服务，实现科瑞森产品全生命周期管理的数据集成及共享。远程运维服务平台功能模块如图1-7所示。

1.2.3 实施途径

该项目分三个阶段逐步推进，第一阶段在2016年，第二阶段在2017年，第三阶段在2018年，各阶段已实施的重点内容如下：

1.2.3.1 第一阶段

1.项目规划

与智能制造系统解决方案服务商合作，根据科瑞森的现状和未来的发展规划，以及生产特点，制定了针对散料输送装备制造行业的离散型智能制造总体建设方案。

2.智能设计

引进PDM和CAE设计软件，并对CAD等软件进行了升级，制定了智能化研发设计发展规划并正式实施。

3.智能生产

购置工业机器人8台，大型数控设备5台，智能化管控软件3套，对ERP及企业智能化管控平台进行了升级。通过智能化改造升级逐步淘汰传统老旧设备，建成了智能焊接、智能喷涂、智能上下件等数字化生产线。

4.智能运维

根据企业智能化发展规划和客户需求打造远程服务平台，成立运维事业部。针对设备全生命周期管理、远程控制等前沿技术，制定了远程服务平台的发展规划。

1.2.3.2 第二阶段

1.智能设计

引进SolidWorks三维设计软件，建立三维产品模型库，实现产品三维设计系列化、参数化。搭建了虚拟仿真平台，初步实现高端输送机产品的虚拟仿真，改变传统的“先样机、再生产”的制造模式，降低新产品研发试制成本，缩短产品研发生产周期。

引进基于EDEM的物料仿真工艺设计软件，建立了基于离散元技术的散料性质数据库，研究物料输送动态特性，在设计阶段识别潜在的问题，如堵塞、设备磨损、撒料、跑偏、扬尘等。

通过对CAD/CAE等相关数字化三维设计与工艺设计软件的升级与集成，可进行产品、工艺设计与仿真，并可以通过物理检测与试验进行验证和优化，实现了产品设计、工艺数据的集成管理和产品试验、测试、在线检测数据的管理，有效缩短了产品开发周期，实现了产品结构和文档的可视化管理，以及产品各类数据快速检索和重用，可进行快速变型设计。

2.智能生产

1）购置大量智能化生产设备，建立了车间级工业通信网络。根据项目规划，公司进一步加大对工厂智能化改造升级的投入，先后实施了高精度托辊智能制造车间、横梁自动化焊接工作站、等离子坡口切割机器人系统、全自动Z型钢加工生产线等15个智能化改造项目。定制了30台（套）智能化工业机器人以及数控弯管机、数控等离子切割机、数控折弯机、双工作台龙门移动式数控平面钻床、数控光纤激光切割机等19台高档数控机床和76套用于研发设计、生产管理、远程运维的智能化软件，数控设备占比80%以上。

2）应用了人机界面（HMI）以及工业平板等移动终端，实现了生产过程无纸化。在人工操作工位建立了防差错系统，可适时给予智能提示，同时建立了安灯系统（Andon），实现了工序间的协作。在生产现场采用看板管理，实现在“柔性生产模式”下保证计划的刚性。由ERP系统制订一周生产计划，采购（外协）、车间、物流根据计划安排外协、生产、配送等准备工作，生产现场根据“周计划”实行电子看板管理，看板显示计划任务、计划开完工日期、配套和缺料信息等，看板还可以与条码系统集成，操作员根据完工情况，扫描条码提交数据，看板直接显示实际完工情况。现场人员可以在一周范围内根据看板内半成品配套情况自行调节生产，这样就可以减少由于不配套导致计划无法完成的情况，从而有效控制了现场在制品的积压现象，提高了生产效率，缩短了生产周期。

3）建立了生产过程数据采集和分析系统。生产线关键设备可以通过通信总线进行远程控制，提交必要的数据信息给上位软件系统，包括状态信息、生产信息、工艺信息、能耗信息等。硬件通信协议以RJ45接口为主。使用以太网通信，通信链路可以链接到交换机。软件通信协议使用了通用开放的总线协议，方便上位软件进行控制。

4）建立了MES。科瑞森通过MES的应用，实现了从订单下达到生产完工全过程的透明化管理，包括生产计划、加工过程、质量管理和设备管理等，规范生产过程，优化各项制造资源，实现生产效率的有效提升。

5）建立了ERP、SCM、CRM管理系统。科瑞森先后建立了资源计划系统（ERP）、供应链管理系统（SCM）、客户管理系统（CRM），通过各系统的支持，建立了“科瑞森智能管控平台”，2017年经全面升级后，进一步增强了质量和成本分析的功能。

6）智能化管控系统集成应用。科瑞森充分利用工业物联网技术，基于“数字化、信息化、智能化”的设计理念，搭建了完善的智能化内部网络架构，实现生产设备、监控设备、控制系统与定制的智能管控平台等系统的互联互通，对公司智能工业机器人、智能物流与控制设备等提供了技术支持和保证。

3.智能运维

1）智能装备的数据采集、通信和远程控制功能升级。科瑞森远程运维服务的所有装备均配置开放的数据库接口和嵌入式智能传感器，具备数据采集、通信和远程控制等功能。同时配备SDC智能数据采集器，对设备状态、运行参数等情况进行采集和上传；数据采集器可以自动判断装备起停状态，触发停车采集模式、主动采集模式（默认等间隔采集，变化率超限后自动切换到高频采集模式），数据上传间隔时间可调（2~3s/10min/2h）。同时具有本地储存功能，断网后数据自动保存在本地，重连后可续传；可采集设备运行参数和工艺类参数，包括电流、电动机功率、轴功率、机身温度、进气压力、排气压力、供气量等。焦作总部的控制中心或管理人员利用手机App，可以对远程数据进行分析研究，通过云平台管控系统对设备的运行参数进行远程设置和调控。

2）远程运维服务平台功能升级。功能包括：①远程监测：服务项目设备的远程状态监测有助于掌握整体设备状态、操作作业和环境情况数据；②远程调控：通过远程管理系统的数据监测，有利于项目实施过程的远程调测和运行故障分析；③远程监测告警：对于被监测设备发生的各级别的告警和紧急操作，系统做完整记录和警示，维护人员通过历史告警数据可以对系统设备的运行状态做相应分析；④远程诊断分析：对于监测到异常项目，可以通过历史数据以及相关数据的趋势分析和参数对比，辅助判断分析异常项目的故障因素。

同时，科瑞森远程运维管理系统内置了研发设计、加工制造、合格检验、出厂时间、安装调试以及上线运行时间、维修记录等档案信息，可准确记录储存设备运行的起始时间、总时间等数据，得出设备使用的生命周期。系统设计时预留了备件、库存、日常维护等内容的端口，方便对行业内不同群体对备件需求的情况进行记录、存储、查询，方便设计人员掌握设备配件的生命周期、配件质量等内容，还可以为科瑞森对设备备件的供应商管理提供可靠参数依据。远程运维服务系统从装备的研发设计、加工制造，到现场安装调试，以及后期的运维服务，建立了装备的全生命周期健康运维管理集成方案，并与用户实现了信息共享。

3）建立了专家库和专家咨询系统。科瑞森远程运维服务系统设有专门的专家咨询系统功能模块，公司整合包括美国、马来西亚、印度尼西亚在内的国内外优势技术资源，组建了13人的专家团队，其中教授级高工5人，博士8人。同时，与东北大学、华中科技大学、河南理工大学、郑州大学、北京大学建立了产学研和专家协作模式，建立了科学、有效的远程运维专家库，主要为装备的远程诊断提供智能化决策支持，并为用户提供科学的运行维护解决方案。

4.信息安全

建立了完善的信息安全技术防护体系，具备网络防护、应急响应等信息安全保障能力，先后实施部署了防火墙、安网核心路由器、华三核心交换机及层级交换机、高性能服务器，并建设了专业机房，通过100Mbit/s带宽光纤与联通骨干网相连接。并与专业网络安全公司合作，做好安全策略，拒绝外来的恶意攻击。关键软件均建有安全保护系统，采用了全生命周期的方法可有效避免系统失效。同时，公司建立了完善的工业信息安全保密管理制度，实行信息安全保密责任制，公司系统信息内容更新全部由专业工作人员完成，确保使用网络和提供信息服务的安全。

1.2.3.3 第三阶段

对第二阶段实施的项目内容进一步完善、提升、固化，总结经验、建立标准、申报专利、示范推广；认真贯彻落实河南省政府“三大改造”政策和省工业和信息化委员会关于《河南省“企业上云”行动计划（2018—2020年）》，与第三方合作，结合科瑞森实际情况推进工业互联网平台建设和企业上云工作。

1.2.3.4 后续实施计划

计划每年新增投入300万~500万元，用于项目智能化水平的持续改进和软硬件升级；通过持续改进，实现设计、工艺、制造、管理、物流等环节的产品全生命周期闭环动态优化；推进企业数字化设计、装备智能化升级、工艺流程化、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流等方面的快速提升；通过持续改进，建立高效安全的远程智能服务系统，大幅度提升嵌入式系统、移动互联网、大数据分析、智能决策支持系统的集成应用水平。

1.3 实施效果

1.3.1 数字化设计使企业创新能力快速提升

通过数字化三维设计与工艺仿真设计软件的应用，装备数字化仿真设计已成为科瑞森创新的助推器。在传统的装备研发流程下，对于非标产品过度依赖于样机的测试，研发团队是比较痛苦的，需要不断做结构设计、样机测试验证，通过样机的不断迭代最后实现开发目标。而这就往往导致产品研发周期较长，成本较高，且难以精确定位装备在项目施工中的需求。而装备的数字化仿真设计则是通过数字样机和数字化仿真试验循环优化产品设计，让样机变成最终方案的验证。图1-8展示了仿真模型与实际装备的对比。

通过仿真分析，拓展了工程师的设计思路，提高了产品创新的速度，提升了整体设计水平和产品质量，可避免装备运行过程中的堵料现象，降低停机风险，延长设备的运行周期；可精确计算磨损，合适布置衬板；可从源头上降低扬尘，节省后续的除尘设施；能避免撒料导致的人员安全问题和环境污染问题；可有效避免跑偏，减少传送带磨损撕裂的风险，提高运输设备的使用寿命；可避免超标设计和低能力设计带来的能耗浪费和运量不足等。图1-9为EDEM仿真分析软件的应用实例。

经统计，数字化仿真设计让科瑞森装备研发周期缩短50%，研发费用下降50%，数字化产品设计与科瑞森在美国、马来西亚、印度尼西亚研发中心的数据实现共享，让全球化协同开发成为可能，可更好地挖掘装备的改善潜力。数字化仿真设计未来能够让装备的设计达到最优化，能够更高效地利用研发资源，使产品创新速度得以提高，使科瑞森与用户的交流更直观、更高效。

1.3.2 智能制造实现了降本、提质、增效

科瑞森倾力打造的散料输送装备智能制造工厂普遍应用自动化、数字化、智能化生产装备，高精度托辊智能制造车间、机器人焊接生产线、360°数字化喷涂生产线、大型数控加工设备如图1-10~图1-13所示。引入多套智能化管控软件，使先进的数控等离子切割机、数控激光切割机、数控锻压机、数控弯管机等各类数控设备以及自动上下料机械手、机器人工作站等互联互通，实现了生产的自动化、可视化。同时，引入的分布式数控（DNC）智能监控网络系统具有强大的机床工况数据采集与分析功能，能够动态获取机床利用率，提升机台稼动率。

通过引进WinCC设备监测管理软件，实现设备运行数字化管理，可详细掌握各关联设备（工位）的生产运行情况，并将实际运行数据反馈给计算机终端，对设备的加工记录及数据进行采集统计，可及时给出改善和调配措施，如图1-14所示。目前，车间各工序数据自动采集比率已达95%以上。

所建设的生产经营智能管控系统将传统依靠计划人员、统计人员、技术工人通过日常口头沟通、纸单传达统计的生产制造模式，变革为以智能管控平台统一协同管理数据、自动化设备自动传输统计、信息化系统集成分配资源的现代智能制造模式。销售订单录入系统后，各协同部门自动接收信息和任务，开发设计人员通过协同创新设计平台进行产品设计及PDM数据库建立，工艺人员通过PDM数据库提取产品BOM数据并进行工艺计划的自动生成，生产计划部门根据工艺计划进行各生产车间及工序的自动排产，车间将排产计划下发至各工位及自动化生产线进行生产制造。生产结束后进行自动报工管理，并通过仓储物流系统进行入库和发运计划的自动排程；通过该智能化管控平台，让所有流程和信息流实现在线管控，使生产经营所有关键环节实现无纸化办公。

与传统制造模式相比，生产效率提高了50%，资源综合利用率提高20%以上，综合运营成本降低了40%，产品不良品率下降了17%，物流运作效率提高35%以上。

1.3.3 远程运维助力企业服务型制造转型升级

项目通过对科瑞森远程运维服务系统计费模式以及远程控制、在线监测、专家库等功能上的探索和创新，改变了传统的维护保养一次按配件和工时计费，以及功能不全的问题。通过智能化远程运维平台的升级，实现了对用户装备进行全生命周期的售后服务，按系统服务时间计算日常运维服务费，对需要更换的配件则按正常销售流程执行，可实时监测、诊断用户装备的运行指标是否正常，并及时给予专业化指导，确保设备的正常运行，并延长设备使用寿命。科瑞森远程运维服务部分案例（缅甸、巴基斯坦、中国烟台港）如图1-15所示。

远程运维服务平台的建立和不断升级进一步提高了公司产品的售后服务水平和品牌形象，使可远程跟踪追溯的设备达到90%以上，异常事件响应时间缩短了70%，总装质量问题可达到100%的追溯。不仅增强了同原有客户的黏合度，而且使企业每年服务型收入占比提高到了40%以上，进一步提升了科瑞森在售后服务环节上高效、贴心的形象。

1.4 总结

项目形成了散料连续输送装备制造行业可复制、可推广，能实现“自动焊接、自动装配、自动上下料，多工序自动流转”的离散型智能化工厂解决方案，以及散料输送装备“远程控制、故障预警、诊断修复、在线检测及设备全生命周期”的智能化远程运维解决方案。

建议企业在智能化改造升级过程中：①建设自己的PDM平台，实现企业设计研发过程的信息化管理，提高设计研发的效率和质量，推进产品开发的标准化程度；②对智能制造车间进行软硬件改造，在执行设备层引入工业机器人、数控机床等智能制造设备；③在数据采集层、网络层部署智能传感器、网络设备等物联网基础节点；④在控制层、管理层引入管理和控制系统，如MES、ERP、PLM等，实现设备之间的互联互通与集成；⑤搭建各种开放信息服务平台，共享数据资源，不断夯实智能制造的数据基础。企业可根据实际需求和产品及市场特性，考虑开发远程运维服务系统，通过创新售后服务模式，提高服务质量，提升客户满意度，增强客户对企业品牌的忠诚度。