物联网与智能制造技术相结合，对智能制造产业的发展产生了深远的影响。基于物联网的智能制造产业发展趋势有以下几个方面：1.制造过程向全球化的协同创新发展随着企业逐渐实现跨国的产品开发、营销和服务，对信息系统提出了支持多语种、多工厂、多个企业实体的开发与管理需求，以及全球协作开发的需求。......
2023-06-23
三一集团：数字驱动的工程机械智造与服务实践项目
【摘要】：智能制造是三一集团的三大核心竞争力之一。三一集团通过自主研发，研制出了应用于工程机械装备中的传感、控制、显示、驱动全系列的核心部件，形成了具有完全自主知识产权的产业链。同时，为了实现与被控对象的深度融合，三一集团研制了适用于工程机械的传感器，这种传感器深入执行部件的内部，从而实现了关键核心执行部件的在线调整和设备状态的在线感知。
三一集团以《中国制造2025》为纲领，流程标准化，构建新型能力体系，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；构建高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性数字化工厂。通过对于智能化加工中心与生产线、数字化加工车间刀具管理系统、生产线智能化仓储与运输配送装置，以及公共制造资源定位与物料跟踪管理、数字化加工车间计划与执行管控、数字化加工车间物流执行管控、数字化加工车间质量管控和生产控制中心（PCC）中央控制等智能化生产装备与车间软硬件系统的研制应用，实现业内领先的集成数字化车间智能制造应用。
1.数据驱动的智能制造与服务
三一集团持续推动信息技术与经营管理及产品相融合，坚持以数据驱动为源动力，创新业务模式、优化业务流程，从而以最高的经营效率适应外部环境与客户需求的快速变化，支撑全球化与一体化的战略发展之路，使数据驱动成为三一集团经营的核心竞争优势。三一集团在智能制造、智能产品、智能服务的产业创新和服务转型方面率先尝试的同时，也为行业和国家推动智能制造做出了尝试。
（1）智能制造。
智能制造是三一集团的三大核心竞争力之一。为了科学地解决评估制造系统的合理性，三一集团于2009年引进数字化工厂理念，通过虚拟现实和建模仿真手段，对生产线工艺布局、物流方案、生产计划等进行仿真验证，形成“先工艺仿真后厂房投建”“同步规划车间信息化”两大指导原则。在后续的几年中，全国所有新建产业园都应用了数字化工厂预验证，使用机器人、数控机床、AGV、立体库等先进制造和物流装备，上线WMS、MES、DNC等制造管理系统，相继建成了国内领先的长沙宁乡汽车起重机数字化工厂、亚洲最大厂房长沙18号数字化工厂、北京南口桩机数字化工厂、上海临港挖掘机数字化工厂等。经过5年多的发展，三一集团已形成系统的数字化工厂规划解决方案及产品，为三一精机和三一智能的机床和机器人客户提供机加、焊接数字化车间规划和信息化解决方案。三一集团也积极推进了车间物联网系统应用，通过自主知识产权的DNC系统和共同知识产权的RFID系统，研发适用于离散制造业的三维生产监控解决方案。通过结合物联网技术，开展智能码头规划解决方案研发。通过提供给客户的产品和附加的信息产品，带动下游企业的两化融合水平和产业升级。
三一集团借助智能制造建立了全球最先进的现代化数字工厂，实现了厂房内物流、装配、质检各环节自动化，一个订单可逐级快速精准地分解至每个工位。创造了1h下线一台泵车，5 min下线一台挖机的“三一速度”，同时还建立起贯穿全球流程的精细化管理体系，数字化工厂技术目前已在三一集团十多个业务单位得到应用，助推了生产模式的变革。
（2）智能产品。
三一集团通过自主研发，研制出了应用于工程机械装备中的传感、控制、显示、驱动全系列的核心部件，形成了具有完全自主知识产权的产业链。特别是SYMC控制器，作为行业内第一款具备自主知识产权的控制器，在三一集团的各类产品中得以广泛应用。同时，为了实现与被控对象的深度融合，三一集团研制了适用于工程机械的传感器，这种传感器深入执行部件的内部，从而实现了关键核心执行部件的在线调整和设备状态的在线感知。
以泵车为例，除了位置，通过ECC系统能查看到液压、转塔、排量、换向、发动机转速等信息，也可掌握设备实时施工动态。设备一旦出现异常，客户将第一时间得知。更重要的是，设备的数字化还能极大“反哺”研发工作。例如，我们发现主要用于钢材市场装卸货物的起重机，虽然每次吊起的重量不大，但是速度非常快，因此出现臂架疲劳。后来，通过专项研发，加入高强度设计，解决了这一问题，更好地满足了客户的个性化需求。由智能零部件构建的智能产品如图6-9所示。
图6-9 由智能零部件构建的智能产品
（3）智慧服务。
依托智能服务平台，创新服务模式，实现从“保姆式”服务、“管家式”服务到“一生无忧”服务。ECC企业控制中心如图6-10所示。
图6-10 ECC企业控制中心
2.技术创新，智能引领
三一集团针对离散制造行业多品种、小批量的特点，针对零部件多且加工过程复杂导致的生产过程管理难题和客户对产品个性化定制日益强烈的需求，以工程机械产品为样板，以自主与安全可控为原则，依托数字化车间实现“产品混装+流水模式”的数字化制造。并以物联网智能终端为基础的智能服务，实现产品全寿命周期及端到端流程打通，引领离散制造行业产品全生命周期的数字化制造与服务的发展方向。贯穿整个数字化制造的业务架构体系如图6-11所示。
图6-11 贯穿整个数字化制造的业务架构体系
（1）数字驱动的智能制造。
从产品设计—工艺—工厂规划—生产—交付，打通产品到交付的核心流程。通过全三维环境下的数字化工厂建模平台、工业设计软件，以及产品全寿命周期管理系统的应用，实现研发的数字化与协同。通过多车间协同制造环境下计划与执行一体化、物流配送敏捷化、质量管控协同化，实现混流生产与个性化产品制造，以及人、财、物、信息的集成管理；并基于物联网技术的多源异构数据采集和支持数字化车间全面集成的工业互联网络，驱动部门业务协同与各应用深度集成；通过自动化立库/AGV、自动上下料等智能装备的应用，以及设备的M2M智能化改造，实现物与物、人与物之间的互联互通与信息握手。三一智能工厂数字化车间总体架构如图6-12所示。
图6-12 三一智能工厂数字化车间总体架构
①基于三维仿真的数字化规划。
三维仿真的数字化规划（见图6-13）通过对整个生产工艺流程建模，在虚拟场景中试生产，优化规划方案。在规划层面的仿真模型的实验过程中实现产能分析与评估，通过预测未来可能的市场需求，动态模拟厂房生产系统的响应能力；在装配计划层面的仿真模型中，通过仿真实验进行节拍平衡分析与优化，规划最优的装配任务和资源配置设置。
图6-13 基于三维仿真的数字化规划应用
②基于软硬件集成应用的数字化制造。
a.数字化设计。根据工程机械行业的实际需求，应用面向工程机械行业深厚背景知识的成套工业软件系统，形成包括基于三维图形平台的CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等集成化的解决方案，具有工程机械行业特点的知识库、模型库及单项工业软件产品间的接口规范和集成标准，为三一集团提供产品研制过程的信息化支撑。三一集团研发体系架构如图6-14所示。
图6-14 三一集团研发体系架构
以三维模型管理软件技术为基础，建立面向工程机械产品研制的计算机辅助设计软件、辅助制造软件、制造过程管理信息系统、零部件加工质量检测软件，以及各个工具软件与产品研制的信息管理系统的数据集成与信息共享接口开发包，规范数据集成与信息共享接口和相关标准，通过应用实施，提高产品研制水平。
b.数字化制造。为了快速、准确地响应需求，提高产品质量和服务水平，必须借助物联网等现代信息技术与数字化技术，对全制造过程中人、机、料、法、环等数据进行采集与处理、分析及应用，从而打通企业信息化与制造装备、生产物料、人力资源等各种资源之间的联络通道，实现企业从数字化设计→数字化管理→数字化制造→数字化控制→数字化装备的闭环控制，使企业能有效地掌控企业的技术资源和制造资源，从而实现对复杂工程机械装备产品制造过程的集成管理与精确控制。数字化车间闭环的企业信息流及数据层流模型如图6-15所示。
●智能装备。利用智能装备实现生产过程自动化，机器换人，提升生产效率。
●工业生产物联网搭建。通过网络连入机台，实现机台的生产信息采集，机台互联，实现控制与数据传输，使机台使用率最大化。
●公共资源精细化管理。通过新技术的应用，实现在制品资源跟踪定位、叉车定位、人员定位、设备资源定位、数据采集、无线通信与数据传输平台。公共资源定位数据架构如图6-16所示。
图6-15 数字化车间闭环的企业信息流及数据层流模型如图7
图6-16 公共资源定位数据架构
制造资源定位通过WSN、RFID和GPS等定位技术对各类制造资源进行定位，并将制造资源的位置信息传至数据HUB。数据HUB对这些制造资源的位置信息进行解析和转换等处理，再将处理后的信息输入制造资源定位数据库。例如，实现刀具从采购到报废的全流程管控，并实现了选刀、刀具领用及归还的管理，刀补数据通过RFID管控。
●仓储物流。根据生产过程监控及排产计划，自动提前下库，波次下架；依据先进先出原则，防止呆滞料产生；智能化的分拣、盘整指引；智能引导线边准时配送；转运车辆智能跟踪定位、调度与线边疏导；智能供应链物料园区疏导，以及准时配送与直供上线。仓储物流应用架构如图6-17所示。
图6-17 仓储物流应用架构
●质量管控。利用信息系统，并借助与PDA、平板电脑等移动设备，支撑质量体系的建设；利用SPC分析，提升过程质量的监控，同时检测数据的采集。质量管理体系应用范围如图6-18所示。
图6-18 质量管理体系应用范围
●生产管控中心。借助企业ECC的硬件平台（大屏、监控设备）及现场PCC生产中心设备，对生产现场进行集中管理与调度。PCC生产控制中心构建原理如图6-19所示。
图6-19 PCC生产控制中心构建原理
（2）用户驱动的智慧服务。
以三一集团业务现状和信息系统为基础，设计面向全生命周期的工程机械运维服务支持系统——智能服务管理云平台，并借助3G/4G、GPS、GIS、RFID、SMS等技术，配合嵌入式智能终端、车载终端、智能手机等硬件设施，构造设备数据采集与分析机制、智能调度机制、服务订单管理机制、业绩可视化报表、关重件追溯等核心构件，构建客户服务管理系统（Customer Service Management，CSM）、产品资料管理系统（Product Information Management，PIM）、智能设备管理系统（Intelligent Equipment Management，IEM）、全球客户门户（Global Customer Portal，GCP）四大基础平台。智慧服务平台系统关系如图6-20所示。
图6-20 智慧服务平台系统关系
使用大数据基础架构Hadoop，搭建并行数据处理和海量结构化数据存储技术平台，提供海量数据汇集、存储、监控和分析功能。基于大数据存储与分析平台，进行设备故障、服务、配件需求的预测，为主动服务提供技术支撑，延长设备使用寿命，降低故障率。大数据应用架构如图6-21所示。
图6-21 大数据应用架构
基于大数据研究成果，对企业控制中心（Enterprise Control Center，ECC）系统升级，实现大数据的存储、分析和应用，有效监控和优化工程机械运行工况、运行路径等参数与指标，提前预测预防故障与问题，智能调度内外部服务资源，为客户提供智慧型服务。大数据应用范围如图6-22所示。
图6-22 大数据应用范围
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