鍛造企業(yè)設備管理信息化應用

文／梁聰明，王淑琴，劉志敏·湖北神力鍛造有限責任公司

為推進企業(yè)實施創(chuàng)新驅(qū)動、持續(xù)改善的發(fā)展戰(zhàn)略，加快企業(yè)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)智能升級，對企業(yè)內(nèi)各生產(chǎn)線（設備）進行實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、存儲與服務等統(tǒng)一數(shù)據(jù)源管理，來全面提升數(shù)據(jù)采集的時效性、準確性、科學性，保障設備管理標準的有效執(zhí)行。本文立足鍛造行業(yè)，系統(tǒng)闡述了生產(chǎn)裝備運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集策略，介紹了設備數(shù)字化、管理智能化、物聯(lián)網(wǎng)與5G 技術(shù)等融合應用技術(shù)在鍛造企業(yè)生產(chǎn)、運營中發(fā)揮的作用。

現(xiàn)階段企業(yè)面臨芯片短缺、需求減少，隨著商用車的市場競爭開啟從增量走向存量的模式，國內(nèi)萬噸線的建設不斷增加，整個前軸鍛造行業(yè)都面臨著產(chǎn)能過剩、同質(zhì)化競爭、內(nèi)卷嚴重、利潤率水平、客戶關(guān)系等諸多因素困擾，企業(yè)面臨著保生產(chǎn)、穩(wěn)經(jīng)營的危機。

作為一家典型的離散型制造企業(yè)，我公司核心流程管理能力落后，尤其在設備管理方面：數(shù)字化及信息化技術(shù)的應用不足，使得企業(yè)工作效率、市場競爭能力和經(jīng)濟效益不斷降低。大數(shù)據(jù)時代下，企業(yè)除了擁有先進的生產(chǎn)裝備，還需對各生產(chǎn)線(設備)進行數(shù)字化建設、運行參數(shù)的實時采集，提高裝備科學管理及運營效率，讓決策者更加詳細地了解現(xiàn)場情況，為生產(chǎn)經(jīng)營決策、設備管理等提供及時、可靠、經(jīng)濟的分析依據(jù)。

傳統(tǒng)設備管理存在的問題

我公司生產(chǎn)設備以萬噸級生產(chǎn)線為主，還有數(shù)控CNC 機械加工設備和其他半自動生產(chǎn)的機械制造設備，其中萬噸級生產(chǎn)線設備狀態(tài)及關(guān)聯(lián)附屬設備等在高溫、高能量、工況復雜的情況下工作。數(shù)控CNC機械加工設備主要以單機為主，工況較為良好，但上述所涉及設備的運行參數(shù)、設備部件壽命跟蹤等均缺乏有效的管理，設備OEE 從2016 年以來長期位于行業(yè)中等水平，且設備管理手段長期處于五年前的管理水平，主要表現(xiàn)在：設備運行狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)雖可以實現(xiàn)采集，但由于管理平臺的缺失，導致數(shù)據(jù)分析時無法實現(xiàn)系統(tǒng)共享以及回歸利用，設備的預測性管理開展缺少關(guān)鍵輸入，從而使設備的重大停機、突發(fā)性停機事件及風險無法得到消除；受制于運行數(shù)據(jù)分析輸入的欠缺，作為DCPW 模式五大支柱中的一環(huán)，TPM 活動的效果沒有得到最大的發(fā)揮，導致了設備維護、檢修費用增長比例較快。其主要問題有：①數(shù)據(jù)采集時效差；②數(shù)據(jù)質(zhì)量差；③缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源；④數(shù)據(jù)分析、決策難。圖1 為某車間設備保全月度報告書。

具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

①設備點檢、巡檢數(shù)據(jù)的手工記錄易流于形式；

②關(guān)鍵設備參數(shù)、設備性能波動的監(jiān)測，設備OEE、良品率、生產(chǎn)節(jié)拍等不能實時檢測，易導致設備性能損失等；

③設備維修數(shù)據(jù)分析、維修履歷、維修知識庫、維修申請、故障原因維護等缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源；

④設備運行、暫停、維修、停機、保養(yǎng)、閑置等設備狀態(tài)檢測管理難度大、管理效率低；

⑤設備備件管理缺少備品備件的生命周期管理，庫存管理難、易造成設備停工等；

⑥缺少故障性停機、計劃性停機的數(shù)據(jù)挖掘；

⑦生產(chǎn)效率分析方面缺少量化核心指標分析。

數(shù)據(jù)采集規(guī)劃及需求分析

針對公司主要生產(chǎn)線(設備)以及設備數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)條件進行分析，首先考慮數(shù)據(jù)采集的便利性，其次是數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟性、技術(shù)性等。根據(jù)公司生產(chǎn)線布局、設備類型、設備開發(fā)接口協(xié)議、PLC 類型、采集數(shù)據(jù)的種類等，從采集的便利性出發(fā)，把通信協(xié)議規(guī)則一致的設備進行統(tǒng)一規(guī)劃，一些原始的串口協(xié)議則從數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟性和技術(shù)性方面重點規(guī)劃分析。先對各生產(chǎn)線(設備)進行數(shù)字化建模，建立生產(chǎn)單元的數(shù)字化工廠，并利用其進行通訊組網(wǎng)底層構(gòu)建，落實各設備數(shù)據(jù)采集所需的工業(yè)網(wǎng)關(guān)設備、網(wǎng)絡設備、電源要求、傳輸距離、服務器等的規(guī)劃布局。設備管理系統(tǒng)規(guī)劃布局如圖2 所示。

完成數(shù)據(jù)采集的規(guī)劃布局后，最重要的是數(shù)據(jù)采集對象的需求分析，通過價值鏈分析法，找出業(yè)務流程中需要采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如：鍛壓生產(chǎn)線主要包括能耗、合格數(shù)量、時間、壓力、潤滑、封閉高度、鍛壓噸位、監(jiān)測；數(shù)控設備主要包括主軸轉(zhuǎn)速、進給量、設備運行時間、停機時長、報警信息等，且對主要關(guān)鍵設備鍛壓機主機、高精度數(shù)控設備進行視頻監(jiān)控，從創(chuàng)造價值的角度做到最大化，成為采集的關(guān)注點。

針對上述采集的各參數(shù)進行信息系統(tǒng)規(guī)劃，實現(xiàn)生產(chǎn)線(設備)、運營數(shù)據(jù)的可視化。不僅在線展示設備運行、分析、異常分析、設備健康等內(nèi)容，且將多個數(shù)據(jù)源、形式多樣的異構(gòu)設備的運行數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)，進行在線聯(lián)機與分析處理，便于企業(yè)管理決策人員掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的實時動態(tài)，實現(xiàn)企業(yè)提質(zhì)、增效、降本的目的。

數(shù)據(jù)采集實施

在125MN 鍛壓生產(chǎn)線中，設備層主要有下料、加熱、輥鍛、鍛造、切邊、校正工序及其物料轉(zhuǎn)運的機械手、傳動小車等。在下料工序，采用基于PLC的數(shù)據(jù)采集并傳輸至邊緣代理設備進行接口轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一通信接口(TCP/IP 協(xié)議)的以太網(wǎng)進行傳輸。加熱、輥鍛、鍛造、切邊、校正等工序方面的設備，采用Profibus 通信協(xié)議，通過RS232、RJ45 接口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)進行傳輸。對于不能通過通信接口直接獲取的數(shù)據(jù)信息，可以采用外加即時視頻、傳感器的技術(shù)方式進行采集；而對于其他因設備因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，則可以通過信息系統(tǒng)的人機交互界面，由作業(yè)人員根據(jù)情況并經(jīng)過圖形和語言信息處理，以人工方式進行采集錄入。總之，根據(jù)經(jīng)濟效益原則，結(jié)合設備自身的PLC型號、通信協(xié)議等一一部署實施，并最終通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)、核心交換機、主路由器，最后進入服務器實現(xiàn)設備間的聯(lián)網(wǎng)通信。

數(shù)據(jù)采集層采用邊緣層的硬件數(shù)采產(chǎn)品，支持3G/4G/5G/WIFI/Ethernet 數(shù)據(jù)傳輸和云平臺接入的工業(yè)采集網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)多種設備、傳感器以及視頻服務接入。利用物聯(lián)服務、數(shù)據(jù)管理、傳輸協(xié)議等數(shù)據(jù)采集平臺接收硬件采集網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，或者在網(wǎng)絡條件優(yōu)異的前提下，直連設備控制器進行數(shù)據(jù)采集服務，實現(xiàn)協(xié)議解析、遠程配置、數(shù)據(jù)緩存、可視化、數(shù)據(jù)報表等功能。

其體系架構(gòu)如圖3 所示，設備層包括傳感器、工業(yè)設備、視頻設備，數(shù)據(jù)采集層利用邊緣智能網(wǎng)關(guān)，應用中間件技術(shù)、協(xié)議解析、邊緣計算實現(xiàn)多協(xié)議(Modbus、S7)、多網(wǎng)絡(4G、5G、無線局域網(wǎng)等)的傳輸。

應用層根據(jù)企業(yè)的需求進行設備信息化建設，使用標準的RESTful-API 進行開發(fā)。對于實時性要求較高的應用場景的數(shù)據(jù)回傳需求，信息化平臺將根據(jù)具體情況開發(fā)輕量事件處理應用以保證對接程序性能。

采用的核心技術(shù)及目標

該設備信息化應用，作為公司數(shù)字化、信息化、智能化戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，首先基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 技術(shù)、設備數(shù)字孿生等方面在設備數(shù)字化、信息化在線聯(lián)機分析、管理。

其次，在大數(shù)據(jù)技術(shù)應用方面，通過采集各設備的運行數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一采集管理，并結(jié)合公司在效率、質(zhì)量、研發(fā)、成本等管理績效指標的數(shù)據(jù)存儲、抽取/清洗、聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘等能力，最終進行績效指標的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。在數(shù)據(jù)的計算與存儲方面，采用云計算和云存儲技術(shù)，并基于SaaS 服務運行模式實現(xiàn)存儲平臺、計算平臺、應用系統(tǒng)的共享管理，減少運營維護成本(人、物等資源)。

各管理技術(shù)的最終呈現(xiàn)，都少不了統(tǒng)一的管理平臺來實現(xiàn)運營管理的集成。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智造協(xié)同管理平臺系統(tǒng)來賦能一線生產(chǎn)者以及各部門、各層次管理人員，從而達到全員管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合、分析解讀、實時協(xié)同、智能決策等；在設備管理方面，提升設備OEE 水平，實現(xiàn)設備備件全生命周期管理，包括電子臺賬，預防性維護預警、決策，數(shù)據(jù)分析，以降低生產(chǎn)等待、縮短生產(chǎn)周期減少生產(chǎn)浪費、降低生產(chǎn)成本、降低備品備件費用等。

基于績效管理目標呈現(xiàn)，通過對設備的數(shù)字化、信息化以及管理技術(shù)的集成，全面實現(xiàn)業(yè)務流程系統(tǒng)化、生產(chǎn)設備可視化、備品備件管理精細化、設備管理標準化、異常管理的制度化、數(shù)據(jù)分析智能化，提高企業(yè)設備整體管理水平和競爭力。

設備管理信息化部署、設施

設備信息化建設(圖4)圍繞企業(yè)整體信息化規(guī)劃進行，在信息化平臺開發(fā)、流程管理結(jié)合日常設備管理進行系統(tǒng)部署。通過服務器在計算機終端和移動端進行可視化呈現(xiàn)為依據(jù)。把日常的設備維護保養(yǎng)、備件及其生命周期管理、保全、點檢納入信息化建設的范疇，并把現(xiàn)場各控制平臺的面板顯示映射、集成到信息化平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)線下線上統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。通過信息系統(tǒng)平臺再現(xiàn)生產(chǎn)線(設備)的數(shù)字化工廠，根據(jù)管理流程、管理目的實現(xiàn)各線、設備運行狀態(tài)預警監(jiān)測，為設備健康管理提供保證。把設備點檢、巡檢信息實時進行收錄，同時利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)把各生產(chǎn)線(設備)的運行參數(shù)等進行實時統(tǒng)計、分析設備OEE、良品率，為生產(chǎn)節(jié)拍統(tǒng)計分析提供條件。為計劃性停機、故障性停機進行聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘來解決設備利用率低的問題提供材料。將制造過程中各種信息通過確實可行的采集規(guī)劃和信息系統(tǒng)規(guī)劃建設實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確采集和有效集成，及時準確掌握生產(chǎn)運營過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，為提高生產(chǎn)效率和資源利用率提供指導。

結(jié)束語

通過對上述企業(yè)設備數(shù)據(jù)采集、信息化建設的詳細闡述，重新定義了企業(yè)的業(yè)務流程、決策分析、設備管理等實現(xiàn)的目標范圍。設備運營數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、更加透明、決策更加準確；移動端的部署使員工、管理員、管理者異常事件錄入、處置、決策上更加便捷；線下數(shù)據(jù)線上化、無紙化，提高數(shù)據(jù)收集、分析效率，為公司提供科學有效決策；系統(tǒng)上線，設備管理制度，標準化落地了，效率提升了、資源節(jié)約了，工作習慣改變了，最終實現(xiàn)了降本、提質(zhì)、增效的目的。