京城增材智能化工廠建設實踐

[摘 要]在全球5G發展趨勢的帶動和國家《“十四五”智能制造發展規劃》的指引下，制造業數字化、柔性化、網絡化、智能化轉型升級大勢所趨。北京京城增材科技有限公司以提升3D打印技術服務水平為目標，應用自動化控制、互聯網、物聯網、云計算等先進的數字化、智能化技術，創新推進智能化工廠建設，形成了覆蓋供應鏈管理、生產管控、生產操作管理、設備管理、能源管理等主要業務流程的新型閉環優化運營模式，實現了全面感知、分析預測、優化生產、協同執行四種能力全面提升。

[關鍵詞]智能化工廠；3D打印；轉型升級

北京京城增材科技有限公司（簡稱“京城增材”）于2018年成立，注冊資本金2850萬元，隸屬于北京京城機電控股有限責任公司，是為響應“北京技術創新行動計劃（2014- 2017年）”和北京市科委、市發改委、市經信委聯合下發的《促進北京市增材制造（3D打印）科技創新與產業培育工作意見》精神以及遵循北京市“十三五”戰略規劃中重點發展戰略性新興產業部署和要求而成立的高新技術企業。

公司擁有國際先進的大尺寸工業級3D砂型打印機以及金屬激光3D打印機，并配備多種工藝處理設備，如五軸數控加工中心、熱處理爐、線切割機等，已為航空、航天、國防、軍工、汽車、液壓等行業提供了1200多種基于砂型打印技術的應用和研發。公司還具有不銹鋼、鋁合金、高溫合金等金屬材料直接打印成形的技術服務能力。

在不斷地進行3D打印設備的研發工作中，公司利用多年的打印工藝經驗沉淀，于2021年成功研制擁有自主知識產權的工業級砂型打印機，申報專利達20多項，為更多高端客戶以及前沿技術產學研成果轉化提供了強有力的技術保障和生產服務平臺保障。

公司提供的3D打印技術服務應用，主要包括打印工藝設計服務、材料工藝開發服務、成型工藝設計迭代、三維數據模型動態模擬、三維掃描、強度測試、樣件試制以及砂型打印和金屬打印等綜合性解決方案。

一、項目實施背景

在全球5G發展趨勢的帶動和國家《“十四五”智能制造發展規劃》的指引下，推動制造業研發、生產、管理、服務與互聯網和智能技術的深度融合，推進產品、生產、裝備、管理、服務的智能化，提升制造業數字化、柔性化、網絡化、智能化水平，成為整個制造產業轉型升級的重要方向。

作為計算機技術與傳統制造技術相結合的產物，源生于數字化技術的3D打印技術，具備智能化、定制化、個性化、生態化等特點，其技術的不斷創新會進一步推動3D打印行業提供更加高效、便捷的服務，完成更高質量的產品，不斷加快發展速度。

二、項目實施計劃

京城增材基于3D打印技術服務實施的智能工廠建設，旨在通過自動化控制、互聯網、物聯網、云計算和信息系統提供的支持，將自動化生產、一體化應用、精細化管理、可視化監控、合理化調度有機整合，實現全面感知、分析預測、優化生產、協同執行四項能力。

智能工廠建立了覆蓋供應鏈管理、生產管控、生產操作管理、設備管理、能源管理等主要業務流程的新型閉環優化運營模式，具備較強的自動化、網絡化、數字化、可視化、模型化和集成化優勢能力的智能化工廠（如圖1所示）。

（一）數據的采集及管理

數據是智能化工廠建設的血液，主要在各應用系統之間流動。

在智能化工廠運轉的過程中，會產生設計、工藝、制造、倉儲、物流、質量、人員等業務數據。生產過程中需要及時采集產量、質量、能耗、加工精度和設備狀態等數據，并與訂單、工序、人員進行關聯，以實現生產過程的全程追溯。

此外，在智能化工廠的建設過程中，需要建立數據管理規范，來保證數據的一致性和準確性。還要預先考慮好數據采集的接口規范，以及SCADA（監控和數據采集）系統的應用。必要時，還會建立專門的數據管理部門，明確數據管理的原則和構建方法，確立數據管理流程與制度，協調執行中存在的問題，并定期檢查落實優化數據管理的技術標準、流程和執行情況。

（二）設備聯網

設備聯網是企業建設工業互聯網的基礎。針對公司原有工藝設備，考慮接口不統一或不含有相應接口，決定另行搭建數據采集系統及聯網、組網（如圖2所示）。

對于新研發設備，提前規劃布局統一的接口，組建MES系統，實現設備互聯，精益生產，為傳統工廠賦予新的價值，實現低耗能、高產出的目標。

（三）智能裝備應用

在規劃智能化工廠時，公司高度關注智能裝備的最新迭代，充分考慮到砂型打印產品存在質量重、體積大等特點，在打印成型后采用工業機器人進行掃描上傳作質量分析以及構件提取等工作，現場由AGV配合運輸、入庫。結合生產執行系統和物聯網技術，通過生產調度智能驅動，各組件無縫匹配，數據無感傳遞自動互聯，實現數字智慧助力生產。

（四）產品設計數字化

智能化工廠采用計算機輔助設計（CAD）等技術，來實現產品數字化設計；采用計算機輔助工藝規劃、設計和工藝路線仿真、可靠性評價等先進技術，實現工藝數字化設計及仿真優化。同時，建立產品數據管理系統（PDM），實現產品多配置管理、研發項目管理，產品設計、工藝數據的集成管理。

（五）制造過程管理信息化

制造執行系統（MES），實現制造數據、計劃排產、生產調度、質量、設備、能效等管理功能，并且建立倉庫管理系統、物料清單系統（BOM），實現生產制造現場物流與物料的精準管控。

（六）無紙化辦公系統

在傳統的辦公管理中，每一份文件都必須要進行嚴密的分析、解讀，以紙質的形式不斷進行著修改，這樣不僅降低了工作效率，也使員工的工作量增多，同時也很容易出現修改失誤或文件信息丟失的問題，致使文件中的信息存在漏洞。

搭建OA系統，實現數字化協同辦公，實現自動化的管理各類文件。利用計算機網絡技術對文件進行分類和統一的傳輸，在保留好原文件的前提下，提出一些可行性的建議。同時對系統進行嚴格的管理，要求工作者通過身份驗證才能夠登錄系統，并查看所需要的文件資料，有效地保證了企業內部文件的嚴密性。

三、項目實施步驟

該項目實施主要分為設備層及云服務層。設備層主要負責現場各類設備的接入，將現場西門子設備數據點另行接入自行搭建的S7- 1200系列PLC，通過物聯網網關將PLC采集的數據轉成MQTT協議，通過wifi模塊傳輸至云服務器。

云服務層主要是以數據為中心，自動化控制、生產調度優化、資源計劃管理三位融合的智能制造過程管控系統。與傳統的智能工廠信息化系統及信息化建設過程相比，設備互聯與智能管理平臺具有三大特點：

？軟硬件結合，挖掘生產設備聯網的深層紅利。

？以設備為中心，關注設備運維與精益生產。

？數據整合分析，深度數據挖掘，實現預測性維護。

設備運維管理平臺主要分為幾大功能模塊，分別是運營中心、設備中心、工作中心、成本中心和配置中心。

（一）運營中心

通過對分析和計算的統計信息以圖形化的方式進行展示，主要給企業領導者和管理者決策提供輔助參考。

1.運營駕駛艙

“知情才能管理”，只有領導者對管理指標的落實情況有了實時的了解，對管理目標的行為有了實時知情的權利，管理才能形成閉環，才能真正落到實處。

展示內容包括生產產量、設備績效、能耗分析、運維分析等數據，日常管理工作的KPI指標執行情況一目了然（如圖3所示）。

2.集中監控

集中監控界面是提供設備維護和管理人員觀看的界面，類似生產車間的安燈界面（如圖4所示）。界面里面是所有設備的縮略圖，用顏色表示不同的設備工作狀態，包括正常、報警、離線、待機等狀態。所有的設備的工作狀態可以通過顏色一目了然。有異常顏色的設備可以點開，看到具體是哪個指標出現了問題，快速找到問題點進行處理。單機圖塊可顯示設備詳細數據（如圖5所示），單機詳情可查看設備詳情（如圖6所示）。

3.地圖監控

對于設備分散在不同地理位置的用戶，地圖監控可以讓用戶在GIS地圖上看到設備的分布，對設備有一個全局的了解，地圖上會標出每個設備目前的工作狀態，用顏色加以區分。同時這里也是設備詳情的一個入口，通過地圖監控界面，用戶可以通過地圖上的設備圖標進入相應的設備詳情界面，了解設備更詳細的信息。

4.信息監控

平臺的信息主要分為四大類，分別是報警信息、工單信息、事件信息、公告信息（如圖7所示）。這四類信息構成了用戶與平臺之間完整的信息交互。

5. 報表管理

設備生產和維護的統計報表，作為設備管理工作的工作報告（需特殊權限才可查看）。

（二）設備中心

設備中心圍繞設備的各種信息進行展示和分析，通過各個維度的展示，讓用戶對設備有更全面地了解。

1.設備詳情

設備詳情是設備中心最重要的一個模塊，是對設備所有信息的匯總，相當于設備的完整檔案（如圖8所示）。設備信息包括設備的實時數據、歷史數據、報警數據、視頻數據、工單、維保計劃、臺賬、文檔和報表等設備詳情，是設備運維管理平臺最核心的功能模塊之一。通過一個界面可以看到與該設備相關的所有信息。界面友好，操作方便。單機可查看單體設備運行詳情。

2.設備臺賬

臺賬是記錄設備的所有靜態屬性，包括設備的生產廠家、型號、安裝時間、維保到期時間、負責人及設備的地理位置等信息（如圖9所示）。

針對不同級別的設備工況也有不同的展示界面。對于車間級的“設備”，展示界面可以不再展示某個設備的工況信息，而是展示車間各個設備的績效、能耗和狀態信息，如同生產車間里面的生產看板，讓管理人員對車間的設備運轉有整體的掌控。用戶也可以將相同屬性的不同設備歸類在一個“設備”中，比如可以將不同設備的耗材歸類在一個設備中統一監控，這樣便于管理。

3.設備文檔

設備相關的文檔，包括使用說明、運維手冊等文檔，在這里可以在線查看和該設備相關的文檔。

4.設備報表

通過設備聯網可以獲取到生產信息、能耗信息、工藝信息。通過對這些信息的匯總和運算，生成客戶需要的各類報表，如生產日報、月報等。

（三）工作中心

工作中心是設備管理人員日常派工和報工使用的模塊。工作中心可以生產各類工單，包括報警工單、運維工單和臨時工單。

1.工單管理

工單管理是平臺所有工單的匯總，在這里可以看到所有人所有類型和完成狀態的工單（如圖10所示）。工單列表客觀地反映了日常設備運維工作的執行情況。點擊右上角的“□僅顯示指派給我的工單”便可以看到指派給當前工作人員的工單。在本界面工作人員可以根據自己的實際情況進行查看工單的內容，并進行接單和派單。接單是由本人來完成工單，派單是將工單委派給其他人來完成。工作人員在接單后也可以再將工單委派給其他人員。

2.維保計劃

維保計劃是展示設備相關的周期性的維護保養工作（如圖11所示）。

（四）成本中心

主要記錄統計物料信息資料、出入庫記錄，以及服務信息的管理統計和成本計算的相關信息。

（五）配置中心

1.設備管理

設備列表是瀏覽和創建實際設備的界面，通過將設備模型與數據源、視頻源相綁定，建立起實際的設備（如圖12所示）。設備之間也可以建立層級關系，通過拖拽即可將一個設備設置成另一個設備的子設備。建立設備的層級關系有利于對設備的精細化管理，根據不同屬性將設備、零件和耗材加以區分管理。同時設備的上層還有車間、分廠、集團等，通過設備分級使平臺可以管理集團級的設備。

2.界面組態

界面組態是為每一種設備類型建立一個或多個工藝展示界面和看板，并與現場數據相連接，可以實時顯示現場設備的運行情況（如圖13所示）。界面組態模塊采用最新的界面設計引擎，即可以設計工藝流程圖，又可以設計圖形化儀表板，操作方式類似photoshop的多圖層引擎，可以組態復雜的展示界面。

界面配色采用統一的風格，用戶在一套主題風格中選擇顏色可以保證界面的美觀與和諧。界面組態模塊提供了多種組態元素，包括容器、畫板、卡片、表格、標簽、圖片、管道、屬性值、指示燈、開關、計量表、曲線圖等組件，協助用戶自行開發展示界面。界面組態模塊不僅可以設計電腦端的展示界面，也可以設計手機端的展示界面，與手機App無縫整合，大大降低了系統開發的難度和周期。

3.設備模型

針對每一種設備，建立一個標準的設備模型，創建設備的動態屬性、靜態屬性，定義數據類型和報警范圍、讀寫屬性等（如圖14所示）。在設備模型模塊，將用數據構建出一個設備的全貌。

4.數據接入

設置接入設備數據源，數據源可以來源于網關、數據庫，也可以是第三方的信息化系統（如圖15所示）。每一個數據源的信息設置好后，平臺會主動和數據源建立聯系，并判斷數據源的狀態是在線還是離線。在設置好數據源后，數據源內部的數據點需要進行配置。配置的方法有多種，可以手動逐一添加，可以導入配置文件，可以主動獲取網關的點表配置，也可以通過偵聽數據包來自動生成點表配置。

5.視頻接入

設置接入視頻源的類型和實例的界面（如圖16所示）。針對視頻數據的類型可以分為HLS/RTMP/RTSP等多種類型，根據攝像機廠商又有不同的設置。每個數據源有唯一的配置信息。將這些類型、設置和配置信息統一在視頻接入界面進行管理和修改。

（六）移動端App

移動端App用于企業管理人員和現場維護人員進行移動辦公，實時了解現場設備運轉情況和運維人員工作狀況（如圖17所示）。

在App內可打開設備監控界面，可以清楚地從設備看板了解目前所管理設備的綜合情況。包括設備總數、報警設備數、在線設備數和離線設備數據等。可以實時查看本地視頻監控，了解設備周邊的環境，進行遠程監控和作業指導。用戶可在App內隨時查看設備的定位信息以及修改個人信息等。

四、創新設計

（一）砂面檢測系統

基于雙目視覺砂面不平整度檢測系統采用特制的矩陣光源作為多維線光源，通過細小的模型光源照射到砂面，在砂面上形成幾何投影，通過傳感器獲得砂面的成像，對成像處理后即可獲得砂面的具體情況。若存在0.9mm深的細溝，將啟動滾刷對鋪砂器進行清潔，并在手機端及PC端云平臺發出報警。若未得到改善，溝深超過1.8mm，將自動進行停機處理，并在平臺上作出通知。

（二）多設備聯合、協調工作

當砂型打印結束后，平臺會自動通知工作人員打印完成；計時兩小時靜置黏結后，平臺會再次發出清砂請求。當工作人員應答清砂完畢后，機器人將自動識別模型設定的抓取位置，抓取打印模型放至砂型托盤上，并下發指令通知AGV前來搬運砂型送至倉儲區（如圖18所示）。

五、效益分析

（一）決策高效，促進生產

通過數字技術的應用，提高了公司員工獲取、控制和管理資源等方面的能力，能夠快速根據公司現有組織、能力、原料、設備、庫存、供應鏈等信息，依據用戶模型數據適配出解決方案，完成高品質的產品，節省時間成本，提高生產效率。

（二）智能裝備，安全高效

數字化轉型為企業創新活動提供全新的技術條件和手段，規模化應用工業機器人、數控裝備、智能檢測、智能搬運、智能采集等智能裝備，降低了企業運營成本，安全、高效生產。

同時，物聯網和工業互聯網等技術的發展，降低了信息搜尋和溝通成本。數字仿真和數字孿生等技術對產品研發的支持，大大降低了企業研發成本。

（三）客戶參與，降本提質

依托互聯網商業模式和數字化分析能力，用戶可以通過遠程方式參與設備研發及模型結構規劃，形成數據驅動型研發創新，降低了創新的市場風險，實現了企業與用戶的價值共創。

（四）遠程管理，智能運維

在研發的產品中，公司融合了智能和遠程功能，可以遠程監測客戶設備的運行狀態及故障信息，方便進行遠程指導及設備維護，減少工程師外出服務，對降低運維成本有顯著作用。

編輯/車玉龍 統籌/蘇曉