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三一重工智能工廠實踐

三一重工18號廠房是亞洲最大的智能化制造車間,有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線,是三一重工總裝車間。2008年開始籌建,2012年全面投產,總面積約十萬平方米。從2012年開始,以三一18號廠房為應用基礎,由三一重工、湖大海捷、華工制造、華中科大等單位聯合申報的“工程機械產品加工數字化車間系統的研制與應用示范項目”
 
  經過3年精心建設,目前,三一已建成車間智能監控網絡和刀具管理系統、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統、計劃、物流、質量管控系統、生產控制中心(PCC)中央控制系統等智能系統,完成了國家批復的項目建設內容。
智能工廠 
圖 1 三一重工智能工廠
 
  同時,三一還與其他單位共同研發了智能上下料機械手、基于DNC系統的車間設備智能監控網絡、智能化立體倉庫與AGV運輸軟硬件系統、基于RFID設備及無線傳感網絡的物料和資源跟蹤定位系統、高級計劃排程系統(APS)、制造執行系統(MES)、物流執行系統(LES)、在線質量檢測系統(SPC)、生產控制中心管理決策系統等關鍵核心智能裝置,實現了對制造資源跟蹤、生產過程監控,計劃、物流、質量集成化管控下的均衡化混流生產,智能化功能和系統性能指標達到國家批復要求。
 
  一、智能加工中心與生產線
 
  1、智能化加工設備
 
  早在2007年,有“智能化機械手”之稱的焊接機器人現身三一挖機生產線,并在2008年后得到進一步推廣。2012年三一重工在上海臨港產業園建成全球最大最先進的挖掘機生產基地,焊接機器人大規模投入使用,大幅提升了產品的穩定性,使得三一挖掘機的使用壽命大約翻了兩番,售后問題下降了四分之三。由于規范了管理,又進一步提升了整個生產體系的效率。不但如此,機器人的使用減少了工人數量,管理模式的重心從原來的管人轉移到了管理設備上,相對而言,管理設備要容易很多。
 
  2、智能刀具管理
 
  在實際加工中,有多種因素會對加工刀具產生影響,首先是加工工件本身的因素,如加工工件材質、結構型式、工件剛度等對刀具使用效果影響較大。其次是加工工裝,定位基準、壓緊方式、結構型式以及工裝剛度等都會影響刀具使用效果。再次加工工藝方案,如加工順序、切削三要素(切深、進給、切削速度)對刀具使用效果影響更大。最后是加工機床,設備的切削功率、設備的剛度、設備的結構型式、切削冷卻介質對加工刀具發揮效率也有很大影響。
 
  三一在實踐中,要充分考慮刀具壽命和加工工件成本的關系,根據不同結構的工件選擇不同的刀具,包括刀具材料(分整體硬質合金、焊接硬質、高速鋼等)、刀具結構(分機夾刀片、焊接刀片和整體材料刀具)以及刀具裝夾方式(熱裝式、強力緊固式、側固式)等。有的刀具選擇涂層刀片來增加刀具的耐用度,延長刀具壽命。在高速加工時,對刀具動平衡也有要求,我們配備了刀具動平衡儀,并在加工成本允許的前提下選擇耐用度較高的刀具。
 
  3、DNC
 
  DNC是計算機與具有數控裝置的機床群使用計算機網絡技術組成的分布在車間中的數控系統。該系統對用戶來說 就像一個統一的整體,系統對多種通用的物理和邏輯資源整合,可以動態的分配數控加工任務給任一加工設備,是提高設備利用率,降低生產成本。
智能加工中心與生產線 
圖 2 智能加工中心與生產線
 

  目前,三一重工已經完成車間機加設備的研發采購與安裝調試,部分完成智能上料機械手、DNC實時監控裝置及刀具管理系統的購置和開發。


二、智能化立體倉庫和物流運輸系統
 
  1、智能化立體倉庫
 
  立體倉庫后臺運作的自動化配送系統由華中科大與三一聯合研制,通過這套系統,三一打造了批量下架、波次分揀,單臺單工位配送模式,實現了從頂層計劃至底層配送執行的全業務貫通,大大提高了配送效率及準確率,準時配送率超95%。
 
  三一智能化立體倉庫總投資6000多萬元, 分南北兩個庫,由地下自動輸送設備連成一個整體,總占地面積9000平方米,倉庫容量大概是16000個貨位。從南邊倉庫可以看到,這個庫區有幾千種物料,主要是泵車、拖泵、車載泵物料,能支持每月數千臺產品的生產量。
 
  從大廠房到智能工廠,實施智能化改造后,18號廠房在制品減少8%,物料齊套性提高14%,單臺套能耗平均降低8%,人均產值提高24%,現場質量信息匹配率100%,原材料庫存降低30%,2014年18號廠房預計同比節約制造成本1億元,年增加產量超過2000臺以上,每年同比產值新增60億元以上。
 
  2、AGV智能小車
 
  智能化立體倉庫的核心是AGV智能小車,當有班組需要物料時,裝配線上的物料員就會報單給立體倉庫,配送系統會根據班組提供的信息,迅速找到放置該物料的容器,然后開啟堆高機,將容器自動輸送到立體庫出庫端液壓臺上。此時,AGV操作員發出取貨指令,AGV小車自動行駛至液壓臺取貨。取完貨后,由于AGV小車采用激光引導,小車上安裝有可旋轉的激光掃描器,在運行路徑沿途的墻壁或支柱上安裝有高反光性反射板的激光定位標志,AGV依靠激光掃描器發射激光束,然后接受由四周定位標志反射回的激光束,車載計算機計算出車輛當前的位置以及運動的方向,通過和內置的數字地圖進行對比來校正方位,從而將物料運送至指定工位。像這樣的AGV小車,在三一18號廠房有15臺。在18號廠房南北智能化立體倉庫,不僅有這樣的AGV自動小車,其后臺配送也是自動化系統完成的。
自動配送物料AGV小車 
圖 3 自動配送物料的AGV小車
 
  3、公共資源定位系統
 
  公共資源定位系統是三一重工智能工廠的一個重要支撐。公共資源定位系統能實現包括對設備定位和狀態檢測、人員定位以及故障實時處理與報警等功能。通過公共資源定位監控中心,三一重工的生產管理人員能及時的了解生產車間的人員位置、設備位置和狀態、加工生產情況,并及時的指導生產和進行故障處理等操作。
三、智能化生產執行過程控制
 
  1、高級計劃排程
 
  在考慮企業資源所提供的可行物料需求規劃與生產排程計劃,讓規劃者快速結合生產限制條件與相關信息 (如訂單、途程、存貨、BOM與產能限制等),以做出平衡企業利益與顧客權益的最佳規劃與決策,滿足顧客需求及面對競爭激烈的市場。強化了ERP系統中以傳統MRP規劃邏輯為主的生產規劃與排程的功能,APS 系統的同步規劃能力,不但使得規劃結果更具備合理性與可執行性,亦使企業能夠真正達到供需平衡的目的。
 
  2、執行過程調度
 
  三一車間內一排排的MES終端機,生產線上明亮的LED屏幕,整齊劃一的醒目安全燈是系統給我們帶來直觀的印象。SanyMES系統是指由三一集團IT總部自主研發的制造執行系統,它充分利用信息化技術,從生產計劃下達、物料配送、生產節拍、完工確認、標準作業指導、質量管理、關重件條碼采集等多個維度進行管控,并通過網絡實時將現場信息及時準確地傳達到生產管理者與決策者。該系統除了通過各種方式如短信、郵件向管理者傳遞生產信息外,其設置在生產現場的MES終端機,給一線工人生產制造帶來了極大的便利。
 
  通過MES終端機,生產線工人不僅可以及時報完工、方便快捷地查詢物料設計圖紙和庫存情況,更重要的是SanyMES終端機可以正確地指導工人每個工位如何進行安裝、安裝時候需要哪些零部件,同時給予安全提示。有了MES系統后,再也不用去借圖紙,直接在MES終端就能查到最新的圖紙信息,全觸摸屏操作,簡單方便,而且通過查看標準作業指導以規范工人的操作,避免了紙質作業指導書的損壞和更新不及時造成的附加作業,極大提高了工作效率和作業質量。
 
  3、數字化物流管控
 
  三一自動化立體倉儲配送系統實現了該公司泵車、拖泵、車載泵裝配線及部裝線所需物料的暫存、揀選、配盤功能,并與AGV配套實現工位物料自動配送至各個工位。
 
  根據泵車、拖泵、車載泵裝配線及部裝線在車間的位置,北自所設計了兩個庫區,1#庫負責泵車物料的儲存、揀配功能,2#庫負責拖泵、車載泵物料的儲存、揀配功能,兩個庫區共用一個設置1#庫區的入庫組盤區域,2#庫入庫的物料在入庫組盤區完成組盤后通過地下輸送通道自動輸送進入2#庫庫區存儲。
 
  倉儲模式采用自動化立體倉庫存儲(主要儲存中小件為主)+垂直升降庫存儲(主要儲存小件為主)+平面倉庫儲存(主要儲存大件等其他特殊物資)。自動化立體倉庫和垂直升降庫的數據采用一套軟件進行統一管理,集中配送。通過垂直升降庫的應用,解決了將近總量30%的物料種類的儲存和出入庫作業模式,很大程度地緩和了自動化立體倉庫的出入庫作業壓力,有效地提高了整個系統的作業能力。
 
  揀配模式采用提4臺套提前一班(8小時)揀配模式,按照工位進行配送。在兩個庫區分別設置了兩層的配盤區域,根據裝配工位數量及各工位裝配物料情況,對配盤區域的揀配托盤位置進行分配,揀配過程中采用LED顯示屏+RF手持終端模式進行人工作業。北自所根據各工位裝配物料情況,配合用戶設計了多種不同的配送容器,采用多層存放,提高容器使用效率,減少線邊容器數量,最終提高了AGV系統的搬運效率。
 
  4、數字化質量檢測
 
  目前,三一在質檢信息化方面,通過GSP、MES、CSM及QIS的整合應用,實現涵蓋供應商送貨、零件制造、整機裝配、售后服務等全生命周期的質檢電子化,并實現了SPC分析、質量追溯等功能。
 
  以前質檢,是采用紙質記錄本記錄檢驗結果和質量問題,現在則是用生產管理系統(MES),每一個檢驗項目都標準化、電子化,以前在本子上的內容都作為數據錄入PDA和平板電腦等終端。一旦發現質量異常,系統就會第一時間自動啟動不合格處理流程,將情況發送給相關責任人?!霸诓缓细衿房刂屏鞒讨械母綦x、評審等6個環節,保證每道工序的每個產品在下一道工序前合格?!倍鴶祿匿浫雱t會為產品質量追溯提供可靠依據。三一的自制件可以具體查到是某臺產品零部件,制作時間、制作地點和工位、制作人、制作條件等信息,供應商提供的零部件則是可以查到批次和反饋。
四、智能化生產控制中心
 
  1、中央控制室
 
  • 生產計劃及執行情況、設備狀態、生產統計圖
  • 智能計劃系統操作界面
  • 生產現場監控、看板展示及異常報警
  • 各區域監控信息
  • 設計部日常操作(支持10路信號同時切入)
  • 各區域監控信息
  • 物流部日常操作(支持10路信號同時切入)
  • 質量部日常操作(支持10路信號同時切入)
 
  2、現場監視裝置
 
  全方位的工廠車間監控系統能實現對生產過程的全面監控和記錄,保證生產現場的安全,以及現場事故的追溯和回放。
 
  3、現場Andon
 
  Andon系統能夠為操作員停止生產線提供一套新的、更加有效的途徑。在傳統的汽車生產線上,如果發生故障,整條生產線立即停止。采用了Andon系統之后,一旦發生問題,操作員可以在工作站拉一下繩索或者按一下按鈕,觸發相應的聲音和點亮相應的指示燈,提示監督人員立即找出發生故障的地方以及故障的原因。一般來說,不用停止整條生產線就可以解決問題,因而可以減少停工時間同時又提高了生產效率。
 
  Andon系統的另一個主要部件是信息顯示屏。每個顯示面板都能夠提供關于單個生產線的信息,包括生產狀態、原料狀態、質量狀況以及設備狀況。顯示器同時還可以顯示實時數據,如目標輸出、實際輸出、停工時間以及生產效率。 根據顯示器上提供的信息,操作員可以更加有效的開展工作。


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