数据驱动的智能制造方案

数据驱动的智能制造-18 号智能工厂三一“智造”工业革命在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，以数字化、网络化、智能化为特点的智能制造已成为未来发展趋势。

“中国制造2025”、“德国工业4.0”、“美国工业互联网”等制造业国家战略，均旨在构建自身的智能制造体系，特别是新一代信息技术与制造业的深度融合，以促进制造模式、生产组织方式和产业形态的深刻变革，改变全球制造业的发展格局。

自“中国制造2025”国家制造强国战略发布后，国家又连续出台“互联网+”、绿色制造、工业强基、智能制造、服务性制造、智能硬件等相关产业政策，为产业发展、制造企业转型升级提供了明确的路径指导，宽松的环境和优厚的政策支持。

三一集团始创于1989 年，是中国领先、全球第五的工程机械制造企业，年销售600 亿元，产品销往全球100多个国家和地区。

作为重工领域的标杆，三一集团以其18 号厂房成为智能制造应用基础的示范。

这间总面积约十万平方米的车间，成为了行业内亚洲最大最先进的智能化制造车间。

在这里，厂房更像是一个大型计算系统加上传统的操作工具、大型生产设备的智慧体。

一、“三一式”智能制造平台1.高度离散制造企业的困局三一是一个高度离散型制造企业，这种制造模式分散且独立，需要大量的人力物力予以配合，才能完成产品的生产制造。

随着人工成本的提高，工程机械行业的深度发展，这种制造模式显然不能满足企业高质量的发展需求。

为破解这一困局，三一积极借助信息化时代的优势，导入智能制造模式，优化运行系统，提升设备生产制造能力，积极应对工程机械企业多品种、高效率、高质量、低成本方面的压力与挑战。

本项目建设实体18 号厂房建筑面积10 万平方米，是亚洲最大的单体生产厂房，有混凝土机械、路面机械、港口机械等多条装配线，是三一重工总装车间，年产能300 亿元，生产的混凝土机械全球第一，港口机械中国第一。

2.科技驱动生产模式变革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，及客户对产品个性化定制日益强烈的需求，三一以工程机械产品为样板，以18 号厂房为应用基础，依托数字化车间、新一代信息技术打造“产品混装＋流水模式”的智能制造试点示范，驱动集团生产模式变革。

“所有结构件和产品都在很精益的空间范围内制造，车间内只有机器人和少量作业员工在忙碌，装配线实现准时生产，物流成本大幅降低，制造现场基本没有存货。

”——三一新生产模式的朴素愿景。

3.打造“三一式“智能制造平台打造从订单到制造的过程自动化管理，符合工业 4.0 纵向集成模型的样板工厂，从而实现“产品混装+流水”线的高度柔性生产。

1）运用物联网、大数据等新一代信息与数字化技术，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；2）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；3）有效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。

二、数据驱动智能制造“18 号厂房更像是一个大型计算系统加上传统的操作工具、大型生产设备的智慧体，每一次生产过程、每一次质量检测、每一个工人劳动量都记录在案。

装配区、高精机加区、结构件区、立库区等几大主要功能区域都是智能化、数字化模式的产物。

”1.技术创新，智能引领（1）总体架构18 号智能工厂从产品设计→工艺→工厂规划→生产→交付，打通产品到交付的核心流程，总体架构如图 1 所示。

图1 18 号厂房智能工厂总体结构图1）全三维环境下的数字化工厂建模平台、工业设计软件，以及产品全生命周期管理系统的应用，实现数字化研发与协同；2）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；3）自动化立体库/ 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；4）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。

（2）基于三维仿真的数字化规划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。

图2 基于三维仿真的数字化规划应用图（3）工业物联网与智能产线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；同时搭建工业生产物联网，通过网络连入机台，实现机台的生产信息采集、机台互联，以及自动控制与数据传输，使机台使用率最大化。

图 3 智能装备的应用示意图基于物联网平台集成的现场设备数据、生产管理数据和外部数据，运用机器学习、人工智能等大数据分析与挖掘技术，建立产品、工艺、设备、产线等数字化模型，提供生产工艺与流程优化、设备预测性维护、智能排产等新型工业应用。

图 4 工业生产物联网应用结构图（4）MES 和ERP 无缝集成集成MES 系统与ERP 系统，实现了客户订单下达到生产制造、产品交付以及售后追踪的全流程信息化，实现了生产制造现场与客户的实时交互。

客户的个性化需求可以第一时间到达计划、制造、商务等相关部门，制造人员就能直接按照客户的要求进行快速生产和交付，客户也可以随时了解所购买设备的生产进度。

图 5 SANY MES 系统结构图生产现场以MES 系统为主线，辅助智能派工、现场LED 看板等可视化信息，集成化计划/物流/质量等控制系统，从生产计划下达、物料配送、作业标准查询、质量管理等维度进行在线管控，实现了人员、资源实时调度，生产制造现场与生产管控中心的实时交互。

（5）公共资源精细化管理公共资源定位系统是18 号智能工厂的一个重要支撑。

公共制造资源定位平台融合不同的定位方式并满足不同的业务需求的同时，实现基础设施的共用，达到减少重复建设、提高基础设施利用率的目的。

1)通过物联网技术实现对在制品、叉车、人员、设备资源的实时定位、追踪与监控；2)实时获取物料和运输工具的状态和位置等信息，并可以通过对这些信息的分析实现对物料的高效调度；3)综合运用WSN、RFID 和GPS 等多种定位技术，满足不同制造资源的定位需求。

图 6 公共资源定位系统结构图（6）智能化立体仓库和物流运输系统智能化立体仓库和物流运输系统实现泵车、拖泵、车载泵装配线及部装线所需物料的暂存、拣选、配盘功能，并与AGV 配套实现工位物料自动配送至各个工位。

仓储模式采用自动化立体仓库存储（主要储存中小件为主）+垂直升降库存储（主要储存小件为主）+平面仓库储存（主要储存大件等其他特殊物资），配合全自动化的AGV 小车，把工人从繁复的运输工作中解放出来，使装配区内整个物流通畅有序，改变将近总量30%的物料种类的储存和出入库作业模式，很大程度地缓和了自动化立体仓库的出入库作业压力，有效地提高了整个系统的作业能力。

图 7 智能化立体仓库和物流运输应用示意图图 8 智能化立体仓库和物流运输系统结构图（7）SPC 质量在线检测与分析18 号智能工厂通过GSP、MES、CSM 及QIS 的整合应用，实现了涵盖供应商送货、零件制造、整机装配、售后服务等全生命周期的质检数字化，以及SPC 分析、质量追溯等功能。

图9 SPC 系统结构图图10 SPC 应系统用示意图质检员所使用的设备，以工业级平板电脑和PDA 为载体，在总装及部装线全面应用，实现了图形化质检，指导质检员快速、准确定位质检部位及质检标准。

质检项图形化率达90%以上，质检电子化率100%，全面提升了质检效率。

（8）生产控制中心PCC厂房建设有PCC 生产控制中心，通过对生产过程中物料、设备、辅助生产资源等数据采集，并集成PDM\ERP\CRM\MES 等应用系统，实现订单执行与生产现场的集中管理与调度。

核心业务包括生产计划与执行管控、质量管控、物流管控，以及生产现场视频监控等。

图11 PCC 系统结构图图12 PCC 系统应用示意图2.安全及可靠性18 号智能工厂是一个典型的离散和流程混合型工业控制系统。

根据目标系统实际情况和潜在安全问题，建立三位一体的安全防护体系，实现对车间工控安全及网络安全进行监管加强和安全加固，以及对网络接入及互联网出入口的监控。

图 13 18 号智能工厂安全网络拓扑图3.智能制造+人文关怀18 号厂房延展了智能制造的内涵，强调“智能制造+”——智能制造+人文关怀，将“以人为本”的人文精神贯穿工厂的每个角落，生产的每个环节。

厂房拥有8 千平米的景观区及员工休息区，一尘不染的地面、流动的水幕、跳跃的喷泉、鲜活的花草、挺拔的棕榈树、欧式风情的休闲区，让每一位进入18 号厂房的员工和客户都感到心情无比愉悦。

同时整个厂房设计及产品设计制造均贯彻了绿色制造理念。

宽敞、明亮、绿色、愉悦的工作环境及节能环保的产品，诠释了三一对现代化智能制造更进一步的理解。

三、离散型柔性制造典范1.从大厂房到智能工厂实施智能化改造后，18 号厂房实现了对整个生产过程的精益管控，大大提高了产品制造过程的质量、物流、生产管控程度，企业生产效率提高24%以上，生产周期缩短28%，减少生产误操作40%，不良品率下降14%，物流运作效率提高18%以上，送货速度提高12%；节省人力成本约20%，总体制造运营成本降低28%，生产节能7%。

2.三一速度实施智能化改造后，18 号厂房实现了厂内物流、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，创造了一小时下线一台泵车的“三一速度”，实现“产品混装+流水”线的高度柔性生产，具备20 个工位，30 余种型号混装、年产300 亿的生产能力，源源不断的生产着世界领先的混凝土机械产品。

四、三一梦、智造路作为机械制造行业领军者，三一集团对智能制造积极配合和大力推进，从传统的粗放型工业生产模式到积极探索互联网+工业的新型生产模式，用信息技术对制造业进行升级，建立先进的制造和管理系统，做大做强中国制造业。

继18 号智能工厂建成运营后，三一相继建成了国内领先的长沙宁乡汽车起重机智能工厂、北京南口桩机智能工厂、上海临港挖掘机智能工厂等。

目前，智能工厂技术已在十多个业务单位得到应用，助推了集团生产模式的变革。

三一集团在智能制造总体规划、技术架构、业务模式、集成模型等方面进行了有益的探索和应用示范，为工程机械行业开展转型升级提供了一个很好的范式与典型，也为我国装备制造业由生产型制造向服务型制造转型提供了新思路。