杭州奥星实业有限公司传统制造模式数字化改造提升案例

文档作者	邓立新  梁鹏
职务	副总经理、项目总监
联系方式	13326139696
实施企业	杭州优海信息系统有限公司
企业规模	90人
主营业务	智能制造解决方案的设计、开发与实施
案例真实性	申报的所有材料，均真实、完整

一、引言：杭州奥星实业有限公司（以下简称“奥星实业”）数字化工厂改造项目是由杭州优海信息系统有限公司（以下简称“优海信息”）负责按客户需求进行设计、开发与实施的项目。项目自2016年3月份开始实施，2017年9月份完成。项目运行后给奥星实业带来了显著绩效：奥星实业人均产值从原来的145.3万元/年人提高到了175.8万元/年人，效率提高了20.9%；生产成本占比从原来的88.2%下降到了76.1%，成本降低了13.7%。

二、内容提要

        奥星实业数字化工厂改造项目是通过多系统集成应用，实现了计划、工艺、质量、物料、人员、设备等生产资源要素闭环管控和数据在线分析，并应用3D虚拟工厂技术实现生产运行数字在线查询，实时预警，所见即所得。

项目实施主要内容包括：

（1）APS高级排程。负责对生产计划进行有效的排程。

（2）工艺管控。下发与监控工艺数据。

（3）物料管理。实现了全物料条码管理。

（4）设备管理。实现了对设备的监控与维护。

（5）质量管理。保证下机产品的质量。

（6）预警管理。生产、能源、环境等多方面预警。

（7）数据分析。对历史生产数据进行多维度分析，为决策提供支持。

（8）3D虚拟工厂。将工厂现实场景用3D动态模型整体呈现。

（9）智能指挥中心。

关键词：多系统应用集成构建数字化工厂

三、项目背景

        奥星实业是临安奥星电子股份有限公司下属全资子公司，主营业务为铝板、带、箔、片的研发、生产与销售。公司于2004年11月筹建，一期工程于2007年7月投产，2011年二期技改又竣工投产，目前专业生产合金牌号1000系、3003、3004、8011等铝板、带、箔、片等系列产品，年产铝板带箔3万吨，铝片8000吨。产品除供应集团公司下游工厂用于生产电容器铝壳外，其余供应空调箔、电缆料、包装箔、气雾罐等市场。

铝带                                                                                               铝片

生产工艺流程

四、项目需求
1、通过APS高级排程，合理优化与配置冷轧、退火、分切、冲制等生产环节产能，减少人为排产所带来的排产不合理、考虑不全面、对生产情况的变化反应不及时等问题，有效提升产能利用率。
2、加强物料管控。对生产主要原材料、半成品、成品、废弃料进行条码管理，配合相应管理制度，提高物料出入库记录的及时性、准确性，提高物料及生产情况的可追溯性。充分掌握物料情况，防止缺料现象发生。通过要料看板，提高送料的及时性，减少现场呆滞料现象，并结合冲制速度采集，尝试自动要料。
3、生产过程工艺监控。对生产过程所涉及的200多项关键工艺数据进行采集，并与工艺标准进行比对监控，对于异常数据及时进行工艺预警，并通过看板、钉钉消息等方式通知相关人员及时处理。
4、工艺参数下发设备。对冷轧机当前生产任务数据及工艺参数信息，通过与PLC通讯直接下发至冷轧机并在操控界面展示，节省人为设置所带来的差异及时间损失，实现精准生产。
5、设备监控。通过数据采集系统采集设备的启停状态，准确统计设备的有效运行时间，对设备OEE进行分析。同时，结合设备的点检、维修、保养管理规范，及时给出点检、保养建议及提醒，减少因没有及时保养、维修造成的损失。
6、能源环境管控。对生产过程中产生的主要能耗（氮气、天然气、电）进行实时监控，分析能耗的变化情况，对各班组的产量、能耗情况进行分析考核，为能耗管控提供依据。同时，对熔炼的环境情况进行采集，以分析环境变化对产品质量产生的影响，为不断优化生产工艺提供数据支撑。
五、技术路线

图2.1 系统架构

奥星实业数字化工厂软硬件集成系统由感知层、网络层和应用层构成。

1）感知层。感知层包括对人、机、料、法、环、能的感知。

        人的感知：通过岗位刷卡方式采集生产现场管理人员、品管人员、操作人员的工作位置、岗位工作时间和移动状态；
        机的感知：对具备通讯条件的数控设备直接采集设备相关数据，对不具备通讯条件或非数控设备，通过加装IO模块、行程开关、计数器、数显表等元器件，读取设备节拍、产量、工艺数据。
        料的感知：通过下机扫描条码读取物料属性、订单属性与数量、质量数据；通过AGV精准配送读取物料位置与物料配送信息。
        法的感知：从机器感知中读取设备运行工艺数据，通过预警方式向管理、工艺、操作人员发送工艺异常消息。
        环境感知：现场安装环境监测仪，实时读取环境温度、湿度和PM2.5等数据。
        能源感知：奥星实业的主要能耗是氮气、天然气、电能消耗，通过对设备加装智能电表、流量计方式，自动读取设备能耗数据，为能源管理建立数据基础。
2）网络层。本系统分别部署在本地服务器和阿里云服务器中，局域网和互联网连接。
        将此套系统部署在阿里云的VPC中；
        将此套系统的数据采集控制器部署在本地环境中，由此控制器对本地环境中的感知设备进行数据采集和汇总；
        云下的控制器实时将预警数据上传到阿里云上的控制系统中；
        阿里云上和云下的环境用IPSec VPN的形式连通；
        工厂内网的用户通过IPSec VPN的方式访问云上的控制系统，外部互联网的用户可以通过EIP（弹性IP）访问云上的控制系统；
        VPC是阿里云的虚拟专有网络，可以将云上和云下的环境打通并形成一个虚拟的私有局域网络，而且更加灵活和安全。
3）应用层。应用层由APS、MES、生产作业管理、3D工厂实时映射等软件系统构成，并与现行ERP集成应用。
六、实施内容
1、APS高级排程
        基于奥星实业的生产制造特点，通过优海APS高级排程功能，实现对奥星实业生产过程中的冷轧、纵剪分切、退火、冲制等加工环节进行生产排程，排程结果细化到每个工作中心、每个模具、每个任务、每个工作令。

图3.1 排程结果甘特图展示

Ø 工艺下发功能将每个生产任务单冷轧标准工艺所涉及的材料代号、合金、入口厚度、出口厚度等工艺信息，通过PLC通讯直接下发到冷轧机，真正实现MES系统与设备的直接通讯。

图3.2工艺参数下发界面

图3.3工艺参数设备端显示界面

Ø 工艺实时监控功能实现对生产过程主要工艺环节的实时运行数据进行采集、比对、预警。首先，工艺人员针对产品、工序、设备定义标准工艺参数，系统自动采集设备工艺数据，与该设备当前正在执行的工单要求参数自动进行比对，当超出上限或下限范围时预警。

图3.4工艺参数编辑界面

图3.5设备状态监控界面

图3.6条码管理

通过采集设备的实时运行数据，对材料的消耗情况进行实时跟踪，为提醒操作员及时换料提供依据。

图3.7换料预警

图3.8机台生产状态看板

图3.9设备管理系统架构

Ø 当现场发生设备故障时，操作员直接在现场电脑上填写《故障报修单》，填写完成保存、确认后，系统通过钉钉消息发给当班的维修人员进行处理。

 

图3.10故障报修功能

Ø 维修员收到消息，到达生产现场后，在现场机台找到故障单，点击“开始维修”按钮，并刷卡，表示维修工作开始；维修结束后，点击“维修结束”按钮，并刷卡，表示维修工作结束。系统自动记录维修时间，为维修工作考核提供数据支撑。

图3.11维修报工

Ø 设备点检实现了现场设备与最近点检机的绑定，取消原手工点检的模式，使得点检结果更客观公正，有效防止人为失误。对未及时点检的设备及时提醒，使得点检工作更加准确、高效，有效防止漏检的情况发生。

5、质量管理 

       质量管理系统通过工艺执行控制、防错处理，保证下机产品的质量；通过实时工艺数据记录、过程检验和事件，跟踪工序质量；通过质量追溯，明确质量责任。

图3.12质量跟踪与审核

图3.13质量结果周期统计

6、预警管理

图3.14ERP系统预警信息查询

图3.15车间看板预警信息展示

7、数据分析

        数据分析系统功能包括对生产进度、质量情况、能耗分析、设备OEE、及时交货率、一次性合格率、退货率、成本优化、工艺优化等进行分析，按天、周、月、年等不同周期，从不同维度进行总体分析评估，为提高效率、提升质量、降低成本、减少能耗等决策提供数据支撑。

图3.16生产状况分析结果展示

8、3D工厂虚拟现实系统

    系统主要功能

图3.17奥星3D虚拟工厂外景图

图3.18奥星3D虚拟工厂内景图

9、智能指挥中心

图3.19奥星智能工厂指挥中心

2）指挥中心人员组成

        指挥中心工作人员分别由2名生产主管、1名计划专员、1名工艺专员、1名品管专员、1名设备专员组成，采取多部门联合办公方式开展工作。

3）指挥中心职能

Ø 执行生产计划与调度，对影响计划执行的事件，协调多部门进行处理；

Ø 及时响应计划、工艺、品质、设备、缺料等预警信息并联合处理；

Ø 对在制品、设备OEE、订单、计划、品质、成本、效率等出现的异常情况进行集中研讨，分析原因，提出改进措施并执行；

Ø 协调处理与生产相关的销售、采购、财务、人事问题；

Ø 协调处理生产现场管理、安全管理中遇到的问题；

Ø 协调处理生产突发事件。

七、关键技术
        自动排程技术对于制造企业有着重要意义。它能帮助企业在应对变化的情况时提高反应速度；根据产能情况与订单交期，给出生产进度预判，为企业决策提供客观合理的支持，提高交期满足率。
        奥星实业通过实施APS方案来实现自动排程的目的。APS方案的业务流程框架如下：

图4.1 奥星APS方案业务流程框图

（1） 生产计划人员将销售订单分解成生产任务，并记录到ERP系统中。

（2） 生产计划人员通过APS软件对生产任务进行排程，生成以工作令为执行单位的排程结果。包括每个工作令的执行起止时间，操作内容，使用的工作中心等。并将排程结果录入到ERP系统中。

（3） 现场工人通过ERP系统了解当前生产任务的排程情况，并根据排程结果顺序执行。

（4） 现场工人通过ERP系统进行报工。包括每个工作令执行开始时间和执行结束时间。

（5） APS软件从ERP系统获取报工情况，并进行任务进度的实时更新。

APS软件作为整个业务流程中的核心，承载着整合各方面信息，合理安排生产进度，人机交互，排程结果展示等任务。

首先，在整合信息方面，APS软件需要将所有的基础数据信息、任务单信息、生产进度信息、设备状况信息、模具信息等整合在一起。对各种任务单、设备、模具直接进行合理调度，生成一个即满足生产进度要求，又符合设备产能及模具限制的排产结果。

其次，在合理安排生产进度方面，APS软件既采用通用的优化技术，如WSPT、EDD等启发式规则，又要考虑到奥星在长期的生产实践中总结出来的生产经验以及长期的生产实践所形成的特定的生产环境的要求，使排程结果在优化最大完工时间和最大在线时间的同时，能满足生产实际的需要。

在人机交互方面，需要考虑到奥星实业复杂的生产环境，为排程操作人员提供应对各种生产环境的手段。

为了应对可能出现的设备故障等意外导致生产线停工的情况发生，APS排程中需要允许在设备上额外插入一段无效的排程时间，以方便软件识别与规避。如 REF _Ref522722219 \h  \* MERGEFORMAT 图4. 2所示。

图4.2 插入设备维修时间

为了确保先前的部分排程结果不被后来的排程打乱，需要提供对任务的锁定功能，如所示。

图4.3 锁定任务

为了应对奥星实业不同设备开关机时间不同的特殊情况，需要允许对不同设备设置不同的停机时间，以及额外的加班时间，如 REF _Ref522722719 \h  \* MERGEFORMAT 图4. 4和 REF _Ref522722723 \h  \* MERGEFORMAT 图4. 5所示

图4.4 停机时间个别设定

图4.5 额外开机时间个别设定

APS的排程结果，通过两种方式展示。

一方面排程结果需要展示给负责排程的计划人员。APS软件针对计划人员提供了友好的甘特图结果展示界面。包括订单情况甘特图（ REF _Ref522781991 \h  \* MERGEFORMAT 图4. 6）和工作中心情况甘特图展示（ REF _Ref522782122 \h  \* MERGEFORMAT 图4. 7）。方便计划人员对排程结果有一个全局的认识，简单直观。

订单情况甘特图展示了当前及未来一段时间内车间生产中存在哪些工作任务，每个任务与订单的关系，每个任务又分为哪些工作令，各工作令的计划开始和结束时间等。

工作中心情况甘特图展示了当前及未来一段时间内车间中有哪些设备参与生产，每台设备上负责完成哪些工作任务的哪些工作令，每个工作令的起止时间等。

图4.6 订单情况甘特图展示

图4.7 工作中心情况甘特图展示

另一方面，排程结果需要通知到现场执行人员。奥星的排程结果通过ERP系统实时展现在生产现场的操作人员眼前。如 REF _Ref522721459 \h 图4. 8所示。图中清楚地展示了不同设备上有哪些工作任务，每个工作任务的价格要求，起止时间等信息，方便现场人员遵照执行。

图4.8 奥星实业APS排程结果执行现场展示

2、社会效益
        奥星实业属典型的传统铝材加工产业，项目建设将会为铝材加工行业带来极大的示范效应，对促进铝材加工行业智能制造发展和传统产业向智能制造转型升级具有较大的带动意义。
1）本项目软硬件系统具有很强的行业特征和行业应用价值。
        本套系统的开发平台是面向铝材加工行业，本项目应用系统是在此开发平台上为奥星定制开发的，涵盖了铝材生产的所有个性化特征。因此，在铝材加工行业具有广泛的推广价值和应用价值。
2）奥星在行业内具有较大的影响力和知名度。
        杭州奥星实业有限公司现为上海铝加工行业协会会员单位，母公司临安奥星电子股份有限公司为中国电子元件行业协会电容器分会理事单位，产品国内市场占有率40%，国际市场占有率25%，为国家高新技术企业、新三板挂牌企业（股票代码：836668）和杭州市临安区大企业大集团之一，在行业内具有足够的影响力和知名度。本项目的成功实施，将会成为铝加工行业数字化工厂建设的标杆。
3）奥星的产业转型升级将会为项目应用推广提供极大的可行性。
        奥星的“十三五”规划中明确提出，在“十三五”期间，奥星将由传统制造业向智能制造企业转型升级。为此，奥星在省级研发中心的基础上，着力建设省级研究院，研究院下设铝壳加工智能制造事业部、电解电容器铝壳研究所、铝板带研究所、试验检测中心、试制车间、院士专家工作站、博士后科研工作站等研发部门和研究院办公室、标准与技术信息办公室等管理部门，深入研究智能制造。
10、项目工程公司——优海信息简介
        杭州优海信息系统有限公司成立于2012年，在杭州优时软件有限公司“机电事业部”基础上组建而成，集优时软件20多年的软件技术积累和500多家制造业信息化实施经验，以“优海智慧制造信息系统V5.0平台”为核心技术，形成了软件开发、设备互联、自动化改造和多系统集成能力，致力于成为机电行业智能制造系统解决问题供应商。
        优海信息现有员工90人，是国家高新技术企业，现有10项软件著作权，1项发明专利，4项软件类实用新型专利，12项自动化类实用新型专利。在汽车零部件及机加工装配类企业已经实施了100多个项目，其中，以ERP为主的企业信息化类项目80多个，以ERP/APS/MES/3D交互系统集成为主的数字化工厂项目20多个，以加工自动化、装配自动化、物流自动化为主的自动化类项目5个。在2016、2017年杭州市工厂物联网和工业互联网示范项目认定中，优海信息实施服务的三个项目获示范项目，占2015年至2017年总示范项目的10%。
        优海信息的发明专利产品场景式智能工厂是基于人工智能时代用户需求的变化和制造企业变革的需要而打造的。场景化智能工厂具有实时映射、实时连接、实时控制的特点，可以从交互、下单、测试、开发、生产、运维、服务等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内生产、管理、连接的高度数字化及智能化。
        优海信息是浙江省汽车工业技术创新协会会长单位，浙江省新能源汽车产业联盟秘书长单位。目前，优海信息正在联合协会会员单位、高校科研机构共建浙江省汽车工业互联网平台，打造具有行业影响力，形成产业生态的汽车工业互联网平台。