工程機械燈塔工廠建設探索

引言

工程機械是國之重器，無論是在能源、交通、水利和科研等重大基礎設施建設中，還是在生產廠房、生活設施建設中，已成為保障各類現代工程建設質量、效率、安全和環保的剛需。伴隨著我國基建與城鎮化的長期高速發展，國內工程機械行業持續高質量發展，整體已具備國際競爭力。面對新國際競爭格局、新一代客戶群需求、國內新一代勞動力擇業觀和行業長期特有的強周期性挑戰，過去的跟隨式發展已然不能滿足新發展需要。

近年來，中央經濟工作會議等著重強調：“著力推動高質量發展，打造一批有國際競爭力的先進制造業集群，提升產業基礎能力和產業鏈現代化水平”。然而與大批量離散生產模式的汽車、家電和電子等成熟制造體系不同，工程機械屬于多品種小批量離散生產模式，產品復雜程度不弱于汽車，但產品差異化遠勝于上述行業，導致工程機械等重型裝備行業制造水平明顯落后大批量離散制造業先進水平。借助我國制造業高質量發展轉型政策的東風，與工業互聯網、人工智能和自主工業機器人等新興技術的新動能，我國工程機械行業以智能制造燈塔工廠建設為優先切入點實現了針對以上問題的原創式探索。本文以工程機械首批啟動高質量發展轉型升級的燈塔工廠為例進行分析論述。

燈塔工廠方案

2.1需求分析

該工廠是典型的多品種小批量離散型制造模式，集聚了重型裝備制造業多種典型特征，如工廠訂單淡旺季兩極分化、產品型號多（＞ 200 種）、客制化高（約30%）且尺寸跨度極大（25 ～ 86 m）、結構差異明顯（底盤：2 ～ 5 橋、燃油 / 電動）和產品及工件總體超重超大等。盡管該工廠產品已經取得全球領先，但上述特征帶來的生產計劃調度困難、工藝復雜、體力勞動強度大、安全隱患較大、耗能較高和招工難等問題成為企業保持競爭力與更進一步的阻礙。此外，隨著我國互聯網經濟的發展與人們生活水平的提升，新一代勞動力對高體力勞動強度、重復枯燥作業和臟亂工作環境的容忍度已降低到危及傳統制造業長期穩定生產的程度。新一代客戶群對產品的智能化、多功能化和節能化等也有著更高的要求，產品復雜度、多樣化程度提升也為生產效率與質量保障帶來更多的挑戰。讓機器與數字應用代替或減輕新一代勞動力不樂意、不擅長的工作成為一種兩全其美的方案，此舉既提升了工廠生產效率與質量，也提升了勞動力工作舒適性與安全性。所以傳統工廠轉型方向是具備足夠自動化、柔性化、數字化、智能化和綠色化的智能工廠。作為工程機械龍頭與產業鏈鏈主企業，有責任率先探索建設具備行業標桿意義的智能制造燈塔工廠。

2.2總體方案

該燈塔工廠建設需在現有正常運營的工廠上進行改造升級。與全新規劃、建設新工廠不同，在正在運營的工廠上改造升級需要兼顧生產保供與改造進度，相對更復雜但也更具備研究價值。因為在工廠全生命周期中，新建只有一次，改造才是常態，而且相比推倒重建的方式，改造能夠保留大部分舊有設備設施，投資更小、成本更低、周期更短。對大部分傳統工廠來說，在兼顧工廠正常保供交付的情況下，改造更是最經濟、最理想的高質量發展轉型升級方案。該燈塔工廠建設主要從新興智能制造裝備、技術研究與應用，工業互聯網集成平臺升級兩個方向展開。

（1）新興智能制造裝備、技術研究與應用1）中厚鋼板下料成型工藝段。主要包括引進高速自動精細等離子切割機、大噸位智能高速天車，以及自動分揀、清渣、拋光和校平機器人等自動化設備，升級改造零件智能識別、自動套料、自動折彎和開坡口、全規格多形零件自動裝框碼放、臺套智能集配，以及切割煙塵凈化等智能控制系統。

2）結構件焊接機加工藝段。針對構成產品主體結構的核心部件，完成焊接自動化升級，主要包括引進自動化焊接機器人、柔性變位機、智能吊具和夾具等自動化設備，升級改造大尺寸和高重量部件自動化組對、柔性工裝、智能圍欄和智能除煙等智能控制系統。

3）結構件涂裝工藝段。針對多種結構件混線噴涂，進行全自動化改造，主要包括引進自動拋丸、底漆和面漆噴涂機器人、自動化輸送鏈等自動化設備，升級改造在線脫脂、自動調漆、自動噴淋和烘干、自動噴涂、智能檢測和廢氣余溫循環利用等智能控制系統建設。

4）精密零件機加熱處理工藝段。針對液壓系統精密金屬零件與大型機械結構活動連接件，開展機加工作中心的柔性和智能化的升級，形成無人化的黑燈作業工作島，主要包括引入全自動化上下料、在線檢測、去毛刺、碼垛和包裝等機器人，升級改造熱處理智能調質、刀具自動化檢測、自動打磨和去毛刺等智能控制系統。

5）部裝總裝調試工藝段。針對主流數十款 ABC 多系列裝配，開展自動化升級，主要包括引進裝配機器人、自動擰緊機、智能平衡吊和壓裝專機等自動化設備，升級改造智能加注、智能擰緊、自動化檢測和清洗等智能控制系統，通過調試現場實時監控和大數據分析，推進全自動智能調試。

6）倉儲分揀與物流配送區域。主要包括大噸位長尺寸自動化立庫構建（單件物料重達 5 t，長度達 9 m）、多類型全規格立庫改造，重載（5 t）AGV 聯合研發，以及全廠多類型、多通道、全過程的 AGV 無人化配送和自動化調度。

（2）基于工業互聯網的集成平臺升級改造以智能制造和網絡協同制造為主線，重點打造 IoT 智能互聯系統、MOM 協同制造運營系統、WMS 倉儲配送管理系統，并實現與 PLM、CRM、ERP、GSP、BPM 流 程 總 線、PO集成總線、MDM 數據總線和 DIP 產業鏈集成下料平臺等基礎平臺的全面集成應用，打造可靠、全面和可行的一體化運營與管控平臺，工業互聯網集成平臺架構如圖1所示。

1）IoT 系統：基于樹根互聯自主 IoT 平臺，完成設備、人員、物料和 6S 等多源結構化和非結構化數據互聯互通，建立生產大數據管理和分析中心，實現數據 100% 在線、能源智能監控和管理。

2）MOM 系統：主要包括數字化工藝建模和自動化執行、智能化生產執行管理、高級計劃排產和預測及數字化生產運營等模塊，實現制造全過程 100% 在線、實時、動態和智能管控。

3）WMS：主要包括倉儲全流程數字化管理、配送全過程智能化管管控、無人化理貨和智能化盤點等，實現倉儲和配送全過程 100%，提升配送及時率和倉儲到貨率，消滅倉儲“盲點”。

典型場景成效

該燈塔工廠融合應用了智造大腦 MOM 系統、數字孿生、機器視覺、AGV無人配送、AI 機器人群、智能水電油氣表、IoT 及 5G 等智能化技術和算法，累計智能化升級改造投資 5 億元。實現了生產周期縮短 59%、人均產值提升 83%、單臺制造成本降低 29%，并總結形成了系列模塊化場景解決方案，成功推廣至集團內 45 家智能工廠。重點場景如下：

1）“智造大腦”集成調度。整合升級MOM、APS、AS、QIS、WMS、PCS、IoT 和 DIP 等系統，構建工廠“智造大腦”，如圖 2 所示，實現從生產計劃到成品入庫全過程的數字化管控。打通銷售計劃、生產計劃及采購計劃，應用尋優、遺傳、追溯和動態規劃等算法，實現主機和結構件計劃協同制定、生產智能排程，跨工廠跨地區鋼板切割等產能共享。自主研發派工算法，精準派工到設備和個人，實現機器適配性作業、AGV 自動配送。自主研發鋼板套料算法，實現最小余料混合套料排版和共邊切割，鋼材利用率整體提升 15%。通過數字孿生技術，實現對全場設備、物料和加工動作進行 1∶1的模型構建和數據驅動，推動制造現場高顆粒度的可視化、透明化?？傮w實現生產周期縮短 59%，訂單準時交付率提升 13%。

2）AI 機器群高柔性制造。通過融合機器人、機器視覺和智能算法形成 AI 機器人群，實現 263 種機型全工藝流程混線柔性制造，如圖 3 所示。包括超大尺寸超強鋼板智能化切割、分揀，多形狀多材料多厚度鋼板智能化折彎和開坡口，大型復雜鋼結構件自動組對和弧焊，噴漆部件身份識別，液壓閥塊去毛刺、表面粗糙度檢測、閥組自動擰緊等。研發重工行業首個深度適配性優化的高精度 3D/2D 工業視覺檢測系統，實現 10 m 級大尺寸、2 萬種工件、模糊特征材料鋼板亞毫米級測量，準確率達99.99%；應用自適應點陣磁吸控制技術實現不同尺寸工件柔性裝夾；自主研發基于電弧尋位的自動糾偏算法，攻克重型工件易震動工況下穩定跟蹤定位問題，焊縫合格率提升 13%；應用“智造大腦”、視覺和 RFID 等技術實現數控程序自切換，焊接、噴涂、加注和擰緊等加工參數自適應?？傮w實現人均產值提升 83%，設備作業率提升 40%。同時，在重工行業中小件工件領域首次實現從下料（上海東普）、折彎（埃斯頓）、焊接到庫內分揀（大族）、物流配送（海星、國自、嘉騰）全流程國產機械手及 AGV 應用。自主機器人多場景應用如圖 4所示。

3）AGV+ 立庫驅動無斷點重載物流。研發全場無斷點的精準高效、綠色集約型重載物流系統，如圖 5 所示。應用電動 AGV、大跨距超重載堆垛機實現 8 t 級物料廠內自動運輸、出入庫；自主研發行業首個基于 5G 的端云協同室外無人叉車，實現料斗等直供物料跨廠房轉運；應用 0.1mm 高精定位、智能避障和智能防搖擺天車，實現 10 t 級物料自動上下料；研發貪婪算法，實現立庫托盤空間規劃和出庫序列最優化；研發融合時序協調算法，實現多臺桁架機器人多種揀選任務協調作業；通過“智造大腦”智能調度和低時延、高可靠 5G 通信，實現物料臺套高效配送?？傮w實現配送及時率提升 11%，庫存周轉率提升 51%。

4）設備能耗、健康一體智能運維。如圖 6 所示，應用智能傳感器、智能儀表及 IoT 系統，實現對全廠所有關鍵設備運行數據（電機運行電流、核心元件運行溫度、執行機構動作次數壽命和軌道震動量等）、能耗（電耗、油耗、氣體消耗和水耗）等 44 534 項數據統一平臺實時監控。通過故障機理分析、大數據和深度學習等技術，進行機床、風機等設備失效模式判斷、預測性維護及運行參數調優，總體實現設備故障停機時間降低 18%；通過末端電能平衡模型、能效分析模型，智能識別異常電路負荷點，優化設備動態運行效率?？傮w實現萬元產值碳排放降低 8%。

結束語

工程機械產品復雜、工藝復雜、工況復雜、數據復雜且周期性強，該燈塔工廠在最難的領域，在沒有先例的情況下，用創造性思維打通了核心技術，得到了中國科協、麥肯錫和麻省理工等國內外權威的一致認可。卓越的領導力、“嫉慢如仇”的文化、清晰明確的數字化戰略、短而迅速的決策流程、靈活的業務架構、高效的人才引進及批量培養機制、高質量的大數據和快速迭代的數據分析模型等共同支撐了方案快速落地。

雖然該工廠取得了一定的成績，但是建設過程中不乏發現方案缺陷及時調整的案例，而不是將錯就錯降低預期目標。此外，隨著燈塔工廠全面投入使用，可以發現智能化程度越高，其容錯能力越弱，問題排查越困難，維持高可靠性的挑戰越大。所以燈塔工廠不是一次性工程，其完善空間依然很大，需要長期持續迭代。

該燈塔工廠建成后又衍生了許多新的待解決事項，但不影響其作為全球首家探索重工行業燈塔工廠建設給行業帶來的啟發意義。其自主創新向業界及國內制造業證明了中國制造從“跟隨發展”向“先發創新”轉變，做到“以我為主”是可行的。有利于提升中國制造從業者開拓創新的自信與攻堅克難的勇氣，鼓舞國內制造業全面自主創新，推動制造大國向制造強國快速轉變。