鍛造企業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

為推進企業實施創新驅動、持續改善的發展戰略，加快企業轉型，實現智能升級，對企業內各生產線（設備）進行實時數據采集、數據挖掘、數據分析、存儲與服務等統一數據源管理，來全面提升數據采集的時效性、準確性、科學性，保障設備管理標準的有效執行。本文立足鍛造行業，系統闡述了生產裝備運行參數的數據采集策略，介紹了設備數字化、管理智能化、物聯網與5G 技術等融合應用技術在鍛造企業生產、運營中發揮的作用。

現階段企業面臨芯片短缺、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，國內萬噸線的建設不斷增加，整個前軸鍛造行業都面臨著產能過剩、同質化競爭、內卷嚴重、利潤率水平、客戶關系等諸多因素困擾，企業面臨著保生產、穩經營的危機。

作為一家典型的離散型制造企業，我公司核心流程管理能力落后，尤其在設備管理方面：數字化及信息化技術的應用不足，使得企業工作效率、市場競爭能力和經濟效益不斷降低。大數據時代下，企業除了擁有先進的生產裝備，還需對各生產線(設備)進行數字化建設、運行參數的實時采集，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場情況，為生產經營決策、設備管理等提供及時、可靠、經濟的分析依據。

傳統設備管理存在的問題

我公司生產設備以萬噸級生產線為主，還有數控CNC 機械加工設備和其他半自動生產的機械制造設備，其中萬噸級生產線設備狀態及關聯附屬設備等在高溫、高能量、工況復雜的情況下工作。數控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、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，主要表現在：設備運行狀態的監測數據雖可以實現采集，但由于管理平臺的缺失，導致數據分析時無法實現系統共享以及回歸利用，設備的預測性管理開展缺少關鍵輸入，從而使設備的重大停機、突發性停機事件及風險無法得到消除；受制于運行數據分析輸入的欠缺，作為DCPW 模式五大支柱中的一環，TPM 活動的效果沒有得到最大的發揮，導致了設備維護、檢修費用增長比例較快。其主要問題有：①數據采集時效差；②數據質量差；③缺乏統一的數據源；④數據分析、決策難。圖1 為某車間設備保全月度報告書。

具體體現在以下幾個方面：

①設備點檢、巡檢數據的手工記錄易流于形式；

②關鍵設備參數、設備性能波動的監測，設備OEE、良品率、生產節拍等不能實時檢測，易導致設備性能損失等；

③設備維修數據分析、維修履歷、維修知識庫、維修申請、故障原因維護等缺乏統一的數據源；

④設備運行、暫停、維修、停機、保養、閑置等設備狀態檢測管理難度大、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、計劃性停機的數據挖掘；

⑦生產效率分析方面缺少量化核心指標分析。

數據采集規劃及需求分析

針對公司主要生產線(設備)以及設備數據采集的實現條件進行分析，首先考慮數據采集的便利性，其次是數據采集的經濟性、技術性等。根據公司生產線布局、設備類型、設備開發接口協議、PLC 類型、采集數據的種類等，從采集的便利性出發，把通信協議規則一致的設備進行統一規劃，一些原始的串口協議則從數據采集的經濟性和技術性方面重點規劃分析。先對各生產線(設備)進行數字化建模，建立生產單元的數字化工廠，并利用其進行通訊組網底層構建，落實各設備數據采集所需的工業網關設備、網絡設備、電源要求、傳輸距離、服務器等的規劃布局。設備管理系統規劃布局如圖2 所示。

完成數據采集的規劃布局后，最重要的是數據采集對象的需求分析，通過價值鏈分析法，找出業務流程中需要采集的關鍵數據，例如：鍛壓生產線主要包括能耗、合格數量、時間、壓力、潤滑、封閉高度、鍛壓噸位、監測；數控設備主要包括主軸轉速、進給量、設備運行時間、停機時長、報警信息等，且對主要關鍵設備鍛壓機主機、高精度數控設備進行視頻監控，從創造價值的角度做到最大化，成為采集的關注點。

針對上述采集的各參數進行信息系統規劃，實現生產線(設備)、運營數據的可視化。不僅在線展示設備運行、分析、異常分析、設備健康等內容，且將多個數據源、形式多樣的異構設備的運行數據、制造數據，進行在線聯機與分析處理，便于企業管理決策人員掌握生產現場的實時動態，實現企業提質、增效、降本的目的。

數據采集實施

在125MN 鍛壓生產線中，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運的機械手、傳動小車等。在下料工序，采用基于PLC的數據采集并傳輸至邊緣代理設備進行接口轉換、統一通信接口(TCP/IP 協議)的以太網進行傳輸。加熱、輥鍛、鍛造、切邊、校正等工序方面的設備，采用Profibus 通信協議，通過RS232、RJ45 接口轉換實現TCP/IP 協議的以太網進行傳輸。對于不能通過通信接口直接獲取的數據信息，可以采用外加即時視頻、傳感器的技術方式進行采集；而對于其他因設備因素產生的數據信息，則可以通過信息系統的人機交互界面，由作業人員根據情況并經過圖形和語言信息處理，以人工方式進行采集錄入?？傊?，根據經濟效益原則，結合設備自身的PLC型號、通信協議等一一部署實施，并最終通過工業網關、核心交換機、主路由器，最后進入服務器實現設備間的聯網通信。

數據采集層采用邊緣層的硬件數采產品，支持3G/4G/5G/WIFI/Ethernet 數據傳輸和云平臺接入的工業采集網關實現多種設備、傳感器以及視頻服務接入。利用物聯服務、數據管理、傳輸協議等數據采集平臺接收硬件采集網關上傳的數據，或者在網絡條件優異的前提下，直連設備控制器進行數據采集服務，實現協議解析、遠程配置、數據緩存、可視化、數據報表等功能。

其體系架構如圖3 所示，設備層包括傳感器、工業設備、視頻設備，數據采集層利用邊緣智能網關，應用中間件技術、協議解析、邊緣計算實現多協議(Modbus、S7)、多網絡(4G、5G、無線局域網等)的傳輸。

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

采用的核心技術及目標

該設備信息化應用，作為公司數字化、信息化、智能化戰略的重要環節，首先基于工業互聯網技術、5G 技術、設備數字孿生等方面在設備數字化、信息化在線聯機分析、管理。

其次，在大數據技術應用方面，通過采集各設備的運行數據等，實現數據源的統一采集管理，并結合公司在效率、質量、研發、成本等管理績效指標的數據存儲、抽取/清洗、聯機分析處理、數據挖掘等能力，最終進行績效指標的數據呈現。在數據的計算與存儲方面，采用云計算和云存儲技術，并基于SaaS 服務運行模式實現存儲平臺、計算平臺、應用系統的共享管理，減少運營維護成本(人、物等資源)。

各管理技術的最終呈現，都少不了統一的管理平臺來實現運營管理的集成?；跀祿寗拥闹窃靺f同管理平臺系統來賦能一線生產者以及各部門、各層次管理人員，從而達到全員管理，實現數據聚合、分析解讀、實時協同、智能決策等；在設備管理方面，提升設備OEE 水平，實現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，數據分析，以降低生產等待、縮短生產周期減少生產浪費、降低生產成本、降低備品備件費用等。

基于績效管理目標呈現，通過對設備的數字化、信息化以及管理技術的集成，全面實現業務流程系統化、生產設備可視化、備品備件管理精細化、設備管理標準化、異常管理的制度化、數據分析智能化，提高企業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)圍繞企業整體信息化規劃進行，在信息化平臺開發、流程管理結合日常設備管理進行系統部署。通過服務器在計算機終端和移動端進行可視化呈現為依據。把日常的設備維護保養、備件及其生命周期管理、保全、點檢納入信息化建設的范疇，并把現場各控制平臺的面板顯示映射、集成到信息化平臺系統，實現線下線上統一數據源。通過信息系統平臺再現生產線(設備)的數字化工廠，根據管理流程、管理目的實現各線、設備運行狀態預警監測，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，同時利用工業互聯網把各生產線(設備)的運行參數等進行實時統計、分析設備OEE、良品率，為生產節拍統計分析提供條件。為計劃性停機、故障性停機進行聯機分析處理、數據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劃和信息系統規劃建設實現數據準確采集和有效集成，及時準確掌握生產運營過程中的動態數據信息，為提高生產效率和資源利用率提供指導。

結束語

通過對上述企業設備數據采集、信息化建設的詳細闡述，重新定義了企業的業務流程、決策分析、設備管理等實現的目標范圍。設備運營數據、生產數據、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；線下數據線上化、無紙化，提高數據收集、分析效率，為公司提供科學有效決策；系統上線，設備管理制度，標準化落地了，效率提升了、資源節約了，工作習慣改變了，最終實現了降本、提質、增效的目的。