大中型電機智能工廠建設研究

李云生，簡金權，龍罡，張甲輝，周建榮

(1.中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007）

《中國制造2025》圍繞實現制造強國的戰略目標，明確指出提高國家制造業創新能力和深度融合信息化、工業化等戰略任務，自此制造業信息化、智能化已上升到國家戰略層面。根據日、美、歐共同發起實施的“智能制造國際合作研究計劃”中對智能制造的定義：智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各個環節以柔性方式集成起來的能發揮最大生產力的先進生產系統。電機歷來以工業動力之源的形象出現在各個行業，是中國制造業的重要組成部分，是智能制造裝備、新能源汽車、航空航天裝備等高端裝備制造業的核心裝備。而我國電機制造企業存在著諸多痛點：（1）典型的以小批量、多品種為代表的離散型制造模式；（2）設備繁多但是數據共享困難，信息孤島林立；（3）缺乏高端人才和技術團隊，創新能力不足。針對電機行業制造現狀，順應《中國制造2025》的戰略目標，本文提出了一種大中型電機智能工廠建設方案，實現電機制造向自動化、智能化、柔性化邁進，帶動電機制造業整體技術水平的提升。

1 大中型電機智能工廠建設方案

1.1 技術路線

智能工廠建設技術路線，從數字化建模、廠房建設、工業互聯網建設、智能設備和生產線安裝、信息化平臺部署、調試、優化、驗收等方面開展。技術路線圖如圖1所示。

圖1 智能工廠建設技術路線圖

1.2 數字化建模

數字化是網絡化和智能化的基礎，是實現智能化的前提條件。數字化工廠以制造資源(resource)、生產操作(operation)和產品(product)為核心，以產品生命周期數據為基礎，應用仿真技術、虛擬現實技術、實驗驗證技術等，是產品在生產工位、生產單元、生產線以及整個工廠中的所有真實活動虛擬化，并對加工和裝配過程進行仿真、試驗、分析、優化的一種集成組織方式。

數字化建模主要包含三維工廠建模、智能設備建模、工藝仿真三部分。

（1）三維工廠建模。三維廠房包含廠房和公用設備，屬于工業建筑范疇，目前主流建模技術為BIM。BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文縮寫，BIM是建筑學、工程學及土木工程的新工具。通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息，還包含了非構件對象（如空間、運動行為）的狀態信息。借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項目的相關利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺。常用的BIM設計軟件有Revit、ArchiCAD、Bentley System、Tekla Structures。

（2）智能設備建模。生產設備模型復雜、建模要求高。通過人工獲取生產設備的的外形數據，將獲得的數據信息進行加工拼接，通過建模的方式加以整理，將各個孤立的單視角三維數字模型無縫集成。通過對市場調研和自主研發目前大、中型電機行業智能裝備、生產線和基于工業機器人的柔性生產單元主要有以下幾種：

①高壓線圈成型柔性生產線。高壓線圈成型柔性生產線是由三維桁架機器人、繞線機、包保護帶機、漲型機、包帶機、數控包防暈帶機，包鼻端工作臺等組成，其工藝流程為：繞線→包保護帶→漲型→拆白布帶→包云母帶和包鼻端。通過智能調度系統實現線圈成型全過程自動化生產。

②電機島式裝配線。電機島式裝配線，以RGV小車為電機轉運工具，在RGV小車運行軌道兩旁按裝配工位設置裝配島，RGV小車在呼叫器指揮小自動將電機從被呼叫工位轉運到呼叫工位

③電機柔性裝配生產線。電機柔性裝配生產線由機座定子裝配島、轉子軸承裝配島、人工裝配區域、AGV物流島和電機自動測試房組成。

④端蓋柔性化生產單元。端蓋柔性化生產單元由1臺六軸工業機器人負責上下料，3臺數控機床負責端蓋各個工序加工，實現一個柔性生產單元完成端蓋所有加工工序。

⑤電機軸柔性化生產單元。電機軸柔性化生產單元由軸上、下料輸送機、六軸工業機器人及數控機床組成，實現一個柔性生產單元完成電機軸所有加工工序。

⑥多機型定子鐵芯機器人疊片系統。近年來有很多大型的定子鐵芯機器人疊片系統研制出來，該系統由一臺或多臺工業機器人、硅鋼片定位模具、硅鋼片自動上料系統和工業相機組成，通過視覺識別實現機器人自動疊片。

生產設備建模軟件有SolidWorks、UG、Pro/Engineer。

⑦工藝仿真。在廠房和智能設備建模完成的基礎上，采用Flexsim和Visual Component兩種主流仿真軟件同時結合計算機技術對生產線進行真實模仿，通過仿真實驗得到各種工況的仿效記錄，進而驗證項目的有效性、合理性和優化效果。

1.3 工業物聯網建設

工業物聯網的提出給智能制造、智能工廠提供了一個新的突破口。工業設備物聯網是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。電機企業的整個工業物聯網系統可分為四層，分別是：硬件設備層、網絡設備層、基礎架構層、工廠應用層，在電機行業智能工廠的車間，每隔幾秒就收集一次數據，利用這些數據可以實現很多形式的分析，包括設備開機率、主軸運轉率、主軸負載率、運行率、故障率、生產率、設備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質量百分比等。在生產工藝改進方面，在生產過程中使用這些大數據，就能分析整個生產流程，了解每個環節是如何執行的。一旦有某個流程偏離了標準工藝，就會產生一個報警信號，能更快速地發現錯誤或者瓶頸所在，也就能更容易解決問題。

1.4 智能設備組網集成方式

（1）硬件方式。硬件方式集成是指通過現場總線的方式配合對應的總線通訊硬件實現設備連接。電機工廠設備中的控制器種類繁多，如三菱、西門子、臺達、歐姆龍等等。涉及的通訊協議種類有CC-Link、Profibus-DP、RS-485、PROFINET、TCP/IP、Ethernet等。

（2）軟件方式。設備集成方式為各個單機設備通過與設備控制器對應的通訊協議的將控制系統連接至工控機或者專用服務器。通過在工控機或者是服務器開發API（應用接口程序）實現與單機設備的通訊。再通過應用程序開發建立系統平臺對設備的數據交互進行統一管理。而開發API有兩種方式：一種為不同通訊協議需要定制開發，定制開發驅動程序，另一種為基于OPC技術來實現系統設備集成，目前用于數據交互的重要的兩個規范是OPC DA規范和OPC UA規范。

1.5 信息化平臺部署

針對大、中型電機行業獨有特點，在信息化建設方面主要以PDM為主軸，產品信息貫穿制造全過程；如果企業已有ERP，對其進行改進，沒有則引進；引進MES，進來起生產系統與管理信息系統的聯系；引進WMS，建立起倉儲管理系統，加強物料可追溯性，實現智能物料配送，提高物料管理效率。大中型電機企業典型的信息化平臺加工圖見2。

圖2 信息系統平臺

ERP、PDM和MES三者不可或缺、不可替代，為了保證企業運營的最優化，需要3個系統無縫對接，三者在開發和運維過程中需遵循以下原則：

（1）標準化：基礎編碼的標準化。

（2）及時性：這不僅僅是因為三者集成，要求及時性，就每個系統自身的運行，也要求各種及時性。

（3）協同性：3個系統畢竟是獨立的系統，自身都有自己一套完整、嚴謹的運行邏輯和體系，但要做到三者的集成，就要兼顧協同作用。在任意系統優化時，都要考慮對其他系統的影響。

2 建設示范工程及驗證實施效果

示范工程項目在某電機廠高壓成型線圈車間實施，車間實施區域為12米×70米，空間凈高為7.35米。項目實施了生產線前3個工位，機器人實施長度為15.75米，實施現場圖見3。

圖3 某電機廠示范示范工程

線圈制造管理信息系統采用當前先進的數據倉庫技術實現電機生產線數據共享，結合自動轉運的上下料機器人、線圈抓取機械手等新設備實現機器人和各工序設備的自動匹配并完成電機線圈的自動搬運，實時監控整條生產線，對加工關鍵工藝數據和作業過程中發生的故障報警信息和做歸檔記錄，并且預留和企業其他信息系統（MES、ERP等）的通信接口。

3 結語

本文首先對智能制造理論進行闡述，接著分析了電機制造企業現狀及電機制造向自動化、智能化、柔性化發展的需求，提出了一種大中型電機智能工廠建設方案，并通過建設示范工程對方案可行性進行了驗證，實施效果良好，經過驗證本方案能夠提升電機制造業整體技術水平，有一定的市場推廣意義。