浙江诺力智能装备股份有限公司基于产品订单选配驱动的柔性智能工厂

关键词：物流装备 智能工厂 工业物联 系统集成 大规模定制 

1引言：诺力智能装备股份有限公司智能工厂位于浙江省湖州市长兴县，工厂建设项目于2015年启动，已于2018年2月建成投产，主要生产全电动系列工业物流车辆，智能工厂建成后大幅提高生产效率，满足客户个性化定制需求，其基于订单产品选配的生产管理方式，有助于工程装备制造行业推广大规模定制生产模式。

2诺力智能装备股份有限公司概况
2.1诺力智能装备股份有限公司简介

        诺力智能装备股份有限公司（下简称：诺力）成立于2000年，公司主要从事轻小型搬运车辆及电动仓储车辆的研发、生产和销售，拥有十余年的仓储物流搬运车辆研发和生产经验，年产值20亿元，主营业务归属于装备制造业的工业车辆行业。“诺力股份”于2015年1月在上海证券交易所A股主板市场挂牌上市，为长兴县国内首家A股上市企业。
        公司产品主要销往国外高端客户，以定制化、多品种、中小批量满足客户需求，公司以品质差异化、服务差异化、品牌差异化为核心，进一步利用自身规模优势、技术优势和渠道优势，在巩固轻小型搬运车辆行业龙头地位的基础上，通过借鉴轻小型搬运车辆的成功轨迹，进一步谋求在电动仓储车辆领域的全面领先，实现产品结构高端化、差异化，逐渐成为世界级仓储物流设备创新者与服务提供商。
        国内主要竞争对手为浙江鼎力、安徽合力、杭叉、徐工等集团公司。
2.2公司主营业务与产品介绍
        公司主营产品线覆盖电动和手动系列搬运车、堆高车、高空平台、叉车、以及厂内无人AGV，其产品应用领域非常广泛，用户覆盖制造业、物流业、建筑业、军工系统、纺织业、化学工业、冶金业、能源业等众多行业。特别是，新一代智能化工业车辆大大节约人力成本，提高劳动效率，市场空间广阔。公司已成长为国内知名的仓储物流搬运车辆制造企业，产品线从轻小型搬运车辆扩大至电动仓储车辆，在工业车辆中端及中高端市场占据了领先地位。

图1 公司主营产品 依次为电动搬运车、电动堆高车、电动叉车、激光导航无人AGV

2.3诺力智能工厂建设项目概述

        诺力智能工厂建设项目于2015年底启动，已于2018年2月建成投产,项目总投资3.5亿元，项目建设用地13.3万平方米，新增建筑面积6.64万平方米。

        项目建成后形成年产28000台智能型电动工业车辆，及配套的车架、门架、电控装置等6万套零部件的生产能力。

        智能工厂建设项目包含整体厂房设计，下料、机加产线设计，焊接自动化产线设计、涂装自动化产线设计，装配自动化产线设计，工厂物流仓储系统设计，智能管控系统平台建设等多项内容。

3诺力智能工厂项目实施

3.1智能工厂总体设计

3.1.1诺力智能工厂厂房与工艺布局

        诺力智能工厂为全新设计并建造整体钢结构厂房，厂房由中国联合工程公司规划设计。厂房自带光伏发电和RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)蓄热式废弃处理系统，如图2和图3所示，充分利用新能源和节能环保装置向产品绿色制造方向发展。

图2 厂房顶部光伏发电装置                                                                       图3 RTO废气处理设备

整个厂房东西向300米、南北向250米，产线工艺和物流走向成“S”型布局，如图4所示；从厂区东北角开始依次为板材下料和机加产线、槽钢下料产线、焊接产线、喷涂产线和总装产线；下料、机加产线工位走向自东向西，焊接产线工位走向自西向东，装配产线工位走向自东向西，直到最后流转到厂区西南角成品仓库和发货平台。各产线之间部署多个自动化立体仓库，如外协外购件库，用于缓存完工半成品和外协外购件；同时在焊接、喷涂、装配产线的线首和线尾设置物料缓存库，用于物料配盘和完工检验。

图4 产线与工艺布局

3.1.2诺力智能工厂自动化产线
诺力智能工厂为满足新形势客户定制化生产交付，上线多条全自动化产线和柔性制造单元，显著提高生产效率，其中搬运车产线生产节拍由原来4台/小时，提高到现在12台/小时。先进自动化产线包含数字化板材下料与激光切割产线、数控加工中心单元、门架自动化焊接线、电气箱自动化焊接线、数字化机器人涂装线，以及半自动化总装流水线。
板材全自动化下料激光切割产线提供结构件批量下料与加工，随后运输到多个数控加工中心单元进行精加工，30台进口数控加工中心满足上百种复杂结构件加工需求。

图5板材全自动下料 激光切割

图6 数控加工中心单元

    车体部组件焊接采用全自动化机器人焊接线，其中车架、电气箱、托盘架焊接线由3个自动焊接单元组成，每个制造单元由上料机器人、点焊机器人、满焊机器人协同配合完成作业，同时，线上部署RGV，连接线首物料配盘区和成品缓存区，实现3个自动化单元的物料配送及成品运输工作。

         图7 门架自动焊接线                                   图8 车架自动焊接单元                                 图9 自动线物流RGV

为满足工业现场复杂苛刻环境需求，车体结构大件和小件都要经过数字化涂装线，每个涂装小车有指定标识，识别并跟踪喷涂在制品，喷涂工作由机器人自动化完成，分区烘烤温度数字化控制。

图10 数字化涂装线

3.1.3 诺力智能工厂物流自动化
        智能工厂仓储物流采用自动化立体仓库、物料AGV自动配送、线上在制品AGV/RGV工位流转协同配合工作模式，所有物流装备由诺力自行设计研发。
自动化立体仓库包含机加半成品库、喷涂半成品库、外协外购件库，采用智能堆垛机+线边智能分拣模式，通过WMS系统指令自动出库，并与现场送料AGV接驳，实现指定物料从仓库库位到制造工位的一体化运输。

图11 智能立体仓库

       物料运输采用激光导航AGV，自动将物料托盘叉送到装配线的指定工位，并将空托盘取回。装配线上在制品流转用磁导引高承载背负式AGV，配合装配线上机器人实现在制品上线、工位间顺序流转，每辆AGV搭载1件在制品，工位装配完成后，在制品随AGV流转至下一工位。所有AGV具备能源监控，可自行充电。      图12 产线送料AGV                                                                            图13 装配流水线在制品流转AGV

3.1.4 诺力智能工厂智能管控平台

        诺力智能工厂智能管控平台包含产品生产控制全周期所需的PLM、ERP、WMS、MES系统，以及生产监控与统计分析平台，平台实现从订单下发、产品组件选配到生产的敏捷化、集成化管理。生产监控与统计分析平台从生产现场和智能化设备实时采集数据，供生产管理人员快速了解生产情况，并基于模型分析辅助管理人员快速决策。

图14 诺力智能工厂智能管控平台

各信息系统间紧密集成，实时数据推送和定时拉动相结合，实现BOM、订单、物料主数据统一数据源，保证信息互联互通，业务实时交互。从而有效打通企业生产计划线、物料准备线、技术准备线、资源准备线、质量保证线与决策支持线，如图15所示。

图15 基于系统集成的信息互联互通

图16 装配线生产工艺仿真                                                             图17成品装配线瓶颈工位机器人工作

图18 基于系统集成的订单选配与MBOM下发

首先工艺部在PLM系统为各车型系列定义“超级BOM”，每个“超级BOM”划分为组成车体的功能组，每个功能组下设置多个可选配置选项，如图19所示。ERP销售订单下达时，会根据客户需求针对PLM车型维护的“超级BOM”进行选配，如图20所示，选配后获得最终执行生产的制造MBOM，并将MBOM下发给MES系统，进行生产节点任务派发和执行监控。

图19 PLM系统车型超级BOM                                               图20 ERP系统订单选配平台

3.2.3基于有限能力的生产排程APS
        基于有限生产能力的生产排程APS不同于ERP系统基于无限产能的MRP运算。由于智能工厂订单生产量大、生产节拍快、过程在制品多、影响生产因素多、涉及前后道生产计划配合，给生产计划制订的准确性带来很大难度，同时还要针对生产异常快速响应。因此，通过定制的APS系统进行生产计划排产，需要综合考虑物料齐套、资源制造能力、前后计划配合以及生产换型策略。
        APS系统在产线级订单下达之前会根据MBOM检测每个组装件所需物料的齐套情况，对缺失物料进行提示，同时支持部分组件优先配套，自动拆分订单先行生产下达，物料未齐套订单继续等待，此外，系统支持手工强制齐套功能，保证异常处理，同时系统会设置齐套检查范围，比如BOM中一些常用标准件、辅材不进行齐套检查。
        基于资源制造能力的排程是APS排产核心逻辑，系统会定义设备（产线）每天可用工时，同时通过实时监控设备状态（是否故障）和保养计划，确认设备实际可用时间，然后通过各订单中每个工序执行的标准工时进行匹配计算，即所有订单的生产工序是否落在设备可用时间段内，以此进行订单排产。
由于不同销售订单产品之间存在相同或相似的中间在制品生产任务，因此将相同或相似的生产订单接连排产，能够减少中间换型时间，实现小范围规模化制造，提高生产效率。如诺力在喷涂APS排产环节，将相同颜色的零件生产订单排在一起。
3.2.4基于物联网的工业互联与生产过程控制
        智能工厂生产节拍快，生产管理人员需要时刻知晓现场设备的工作情况、异常事件，并敏捷做出反应，靠人工巡检现场处理已经满足不了时效要求；因此，上层智能管控平台需要和现场设备实现相连，一方面平台实时感知生产设备、物流设备状态，另一方面平台实现程序下发、任务触发、异常处理，对设备进行直接控制。
        为了实现多类型设备机联及工业数据协议转换，使用万腾自主研发的工业智能网关将设备PLC、传感器和上层控制系统相连，实现产线物理层和过程控制决策层信息的无缝对接，满足生产现场实时监控要求，上层信息系统直接获得真实的产线数据，供管理敏捷决策支持，如图21所示。

图21 基于工业智能网关的产线互联与信息交互

        诺力现场自动化产线都使用工业智能网关进行连接和协议转换，包括无线连接AGV物流设备进行电量和位置采集，并下发配送指令；触发焊接单元多个人机器人进行协同作业；触发装配线机器人进行上料作业，以及触发AGV进行产品转运并反馈工位到位信号，如图22所示。

图22 工业智能网关生产过程采集与控制

3.2.5生产执行与物料配送协同作业

        为实现智能工厂顺畅化生产，生产节拍和物料供应节拍需协同配合，以避免生产缺料、工位等待情形，或者由于后道工序节拍变慢，在制品积压无法转运。为此诺力智能管控平台在计划和执行两个层面予以保证。

        计划层面，生产计划和物料配送计划协同制订，MES生产计划下达前检查物料齐套，计划下达后自动生成物料需求计划与配送要求传递给WMS仓库管理系统，WMS根据配送要求，保证物料配送提前期，拆批制订配送计划，保证工位物料供应。

        执行层面，通过生产设备和物流设备机联，系统中将物流设备送料到达首工位、承载货物明细校验、生产设备开工执行、物流设备返回、产线(单元)内物流对接、生产设备完工、物流设备到达末工位、物流设备取走完工品等多个状态和触发逻辑进行协同管理，从而保证生产与物流的配合。

3.2.6在制品管控与制造信息追溯

        诺力工业车辆生产过程中间在制品众多，为了对在制品种类、数量、位置进行监控，需对在制品进行标识。诺力在制品标识采用手工贴码和激光打码两种方式，每个在制品使用唯一编码，对于焊接半成品根据BOM物料编码打印条码进行手工粘贴，对于喷涂完工产品采用激光刻码进行大件标识，如图23所示。基于在制品条码标识，对产后缓存线边库进行出入库及库存管理，同时基于设备实时数据采集，将生产过程数据如焊接机器人焊接电流、焊接速度与在制品条码进行绑定，以及将过程质检信息与条码进行关联，以实现后续生产数据分析和过程信息查询追溯。

图23 在制品标识与线边库存管理

        针对总装生产过程，对关键参装件进行提前打码标识，如采购的电池在进厂前进行标识，成品装配时扫码电池条码并与成品标识进行绑定，如图24所示。后续当客户车辆出现大量电池问题时可追溯使用了哪个批次的电池，并判断受影响的成品车辆范围。

图24 装配关键物料扫码与产品绑定

3.2.7生产防错与精准作业指导

        诺力装备生产模式为订单式生产，每个柔性工位可生产不同规格的产品与组件，订单产品的差异性需要在生产过程中予以防错和指导，通过事前防错消除可能发生的用错、做错等质量隐患。

        生产前包含物料防错和工艺防错：如自动焊接线送料RGV到达工位后，系统获取RGV承载的物料明细，是否与当前焊接订单开工所需物料相一致；焊接机器人开工前判断当前加载使用的程序号、焊丝焊剂是否与订单产品生产工艺一致；总装产线工位装配前扫描参装物料条码，并比对是否与BOM参装物料的种类和数量要求一致，如图25所示。系统对防错不一致时给出提醒，禁止设备开工执行并通知处理终端。

图25 总装投料防错

        此外，对机加手工操作工位，现场管控平台提供订单产品零件工程图便捷化浏览功能，图纸调用无需操作者手工查询，执行指定订单生产开工后可自动调出与订单产品相关联的图纸文件，生产人员根据需要确认加工尺寸参数，如图26所示。对总装流水线各装配工位，现场管控平台可根据订单生产产品，将之前定义的工序作业指导实时发送到指定工位，生产人员按工艺作业指导信息进行装配，工作更加清晰直观。通过精准化指导提升产品技术信息下达生产的一致性、提高订单生产任务执行的准确性、提升技术资料核对的便捷性，实现车间无纸化生产。如图27所示。

图26 机加工位浏览零件工程图纸                                                    图27 装配工位浏览产品装配作业指导

3.2.8 生产过程实时在线集中监控
        诺力智能工厂厂区面积大生产节拍快，为了对生产过程、订单进度及突发异常进行透明化监控和敏捷响应，采用多种方式对智能工厂进行全方位监控，包括生产集控中心监控、厂区视频监控、产线电子看板监控及工业AR巡检。集中监控的所有信息来源于产线实时数据采集，并通过内置分析模型进行图形化统计展现。
        生产集控中心提供客户订单进度跟踪及超期报警、关键物料库存水平及预警、设备运行状态监控及报警、关键设备OEE、质量信息统计，同时包含所有产线的视频监控，如图28所示。

图28 生产集控中心监控

产线监控看板部署于产线线首，提供产线工单生产进度、产线累计完成量及同期对比、班次质量缺陷高发统计、产线设备实时状况、物料齐套准备情况，以供生产调度和巡检人员快速了解产线运转情况，如图29所示。

图29 焊接线和装配线监控看板

此外，万腾最新研发的工业增强现实AR应用也在诺力焊接产线生产巡检中使用。采用微软HoloLens眼镜套件，基于厂内无线网络传输数据，生产人员通过佩戴工业AR眼镜可便捷查看各工位设备运转信息、工单执行情况，如图30所示。

图30 工业AR产线巡检应用

3.3诺力智能工厂建设成效
        通过智能工厂自动化、信息化建设，生产和管理效率大幅提升，建设成效显著，具体表现为：
        生产效率提升
        通过生产自动化设备、物流自动化设备、仓储自动化设备大规模部署，提高整个生产过程节拍，设备协同运行保证生产过程的连续化作业。智能管控平台MES与APS实现生产订单的优化排产，实现产线机加、焊接、装配生产计划的协调配合，通过实时反馈生产进度，提前通知调度人员进行物料、工装、设备准备工作，减少换型等待时间，顺畅化订单生产过程。焊接产线平均生产效率提升50%，装配产线成车产品交付由每天60台，提高至每天100台。
        产品合格率提升，工艺改进
        通过管控平台生产防错和工位精准指导，实现自动作业执行前校验、手工作业过程防错防漏，有效防止潜在质量问题发生。通过设备实时数据采集，记录制造过程参数、质检信息，并在产品装配环节引入关键物料条码标识，为工艺改进和质量追溯提供信息支撑。成品一次性合格率由原来的89%提升至96%，关键工序直通率达98%以上。同时，也减轻了报废品带来的成本浪费。
        降低单台制造成本
        通过大规模自动化设备、自动化单元、自动化产线引入，实现生产现场少人化作业，大幅降低人力成本。焊接产线生产人员由原来15人减少为4人，装配产线由原来20人减少为12人。同时，通过管控平台生产进度监控、异常预警，减轻巡检人员、车间调度人员、生产统计人员工作量，生产管理人员由原来12人减少为5人。
        通过管控平台实现生产所需物料齐套监控与预警，及时的物料配送提升库存周转率，减少线边库、呆滞和在制品库存积压成本，平均库存周转由原来的10天缩短为5天。
        此外，通过设备利用率分析、生产调度排程减少设备空转、等待、换型时间，减少生产能耗，涂装产线水电气消耗降低10%以上。
生产周期缩短，市场响应敏捷
        通过产品选配平台到柔性生产线的信息打通，使工厂对市场订单的响应更加敏捷，生产现场接收计划指令的准确度增强，计划编排更为科学，中型订单平均生产周期由原来的25天缩短为目前10天，交期的缩短提升了客户满意度。
4项目建设难点及问题解决
        智能工厂建设是一个系统工程，在项目建设中遇到众多难点，诺力公司与项目实施团队一起攻克了众多难关。
4.1基础数据整理与流程梳理
        诺力智能工厂生产全新电动系列工业物流产品，产品定位在市场上较为先进，制造工艺也与传统液压燃油动力产品有所不同。首台套产品在生产工艺上需要做大量研发工作，特别是基于订单产品选配需要梳理各车型功能组划分、选配功能项及可选配的组件类型，需要大量数据整理和录入工作。
此外，工业车辆的智能化生产模式也与传统手工线生产运行管理模式差异明显，行业内也无可参考借鉴经验，生产管理流程进行重新设计和探索，一方面减少不必要的管理环节，如物料库存报备、生产任务单打印下发、日生产报工；另一方面增加了必要的环节供自动化产线识别，如焊接前的物料配盘作业供焊接单元自动识别，车体组件的个性化喷涂颜色快捷维护。
4.2项目推进配合
        智能工厂建设包含工厂设计、自动化产线、信息化平台等众多方面，涉及的实施工程服务商众多，在工厂建设前期，诺力对工程服务商进行严格筛选，并在项目前期组织自动化设备厂商和软件系统厂商对接，保证数据链路协议对接和信息交互，约定访问接口和集成传输形式。
        同时，在智能工厂建设中需要协调产线设备上线计划与各信息系统上线计划，避免计划冲突、不满足调试和上线条件。例如，自动化产线调试应于MES系统上线数据采集与集成控制工作提前2个月完成，PLM系统图纸、工艺轻量化下发功能开发先于MES系统工位技术文件显示功能开发等。
        此外，在整个智能工厂建设中，应确立一家企业作为系统集成商，统领并协调其它服务商间配合，建议选择MES系统实施服务商作为系统集成商更为合理。首先MES实施服务商负责产线设备集成，对各环节生产工艺能够深入了解，并且负责生产整体运作、计划和监控，这样更能从宏观把控完整生产过程；其次，MES系统顺畅执行需要上游系统PLM、ERP大量数据，这些数据需要上游系统准备完备，相应功能需要开发完善，有利于信息的衔接。如此，MES系统服务商承上启下，保证智能工厂完整性、顺畅化运转。
4.3工厂运转异常流程和事件处理
        智能工厂设计之初会着重考虑正常情况下订单生产和运行管理流程，但生产过程不可避免发生异常，特别是智能工厂节拍加快，对于生产异常处理不及时，会影响整个订单生产过程，如质量返工返修、客户订单变更、产品工艺变更、设备出现故障。因此，需要提前规划异常处理流程，并在系统中做好触发模型，做到闭环处理。比如客户订单变更，对于已经下发到MES的生产订单，MES系统会判断是否已经开工执行，MES系统挂起生产订单后再反馈ERP订单反审进行修改。再比如自动线上某工序涉及线下返工，系统需分离工单转为手工维护，最后将生产信息合并到总的生产订单中。
4.4生产操作人员接受适应
        智能工厂全新的运行模式相对于传统生产方式对人员提出较高要求，人员更多与设备打交道，自动化产线、信息系统的操控方式需要提前进行培训，特别是对于人员智能化生产意识的转变，更需要全方位的宣贯，使生产人员快速上手习惯产线管理方式。
此外，系统功能开发更加便利化现场人员使用，能扫码就不录入，能选择就不编辑，能一个界面显示避免页面跳转，通知、预警清晰明了，操作体验经得起现场应用考验。
4.5项目团队保障
        智能工厂实施周期长，涉及服务团队大量人员现场技术支持。长时间保证项目团队稳定是项目最终落地的重要因素，特别是首台套智能工厂建设，建设过程中不可避免出现生产业务流程改变与反复，因此，一方面要保证项目核心关键人员稳定，项目相关业务来龙去脉熟悉了解，避免项目管理人员和负责人换人；另一方面保证项目有充足资金给实施团队定期激励及优待福利，保证项目团队高效投入工作。
5实施项目工程公司概况
5.1万腾科技简介
        万腾科技是工信部认定的智能制造系统集成服务商，国家高新技术企业。浙江万腾智能科技有限公司是万腾科技浙江设立的全资子公司，万腾科技在上海和济南分别设有总部研发中心上海文什数据和山东万腾电子科技。公司现有研发人员150余人，主营业务包含工业控制管理软件、工业数据采集、工业大数据分析、工业云平台、工业机器视觉的研发与实施，为工信部物联网网关标准制定企业，现为中国智能制造供应商联盟理事单位，中国智能制造系统解决方案供应商联盟成员。具有发明专利、软件著作权等知识产权91项，具有双软认证和CMMI Level 3认证。
        诺力智能工厂建设项目，万腾科技作为MES系统实施服务商和智能工厂系统集成商，与诺力一起推进智能工厂各项建设工作，定期组织协调会议对接各实施服务商，探讨并解决工厂建设问题。
        公司在航天、汽车零部件、工程装备、半导体微电子、大小家电、压力容器、农副食品加工等行业具有丰富的项目落地实施经验和近百家客户案例。
5.2中国联合工程公司简介
        中国联合工程有限公司是以原机械工业第二设计研究院为核心，联合多家国家甲级勘察设计单位组建的大型科技型工程公司，总部位于杭州，现有员工6000多人，专业技术人员占95％以上。享受国务院政府特殊津贴专家101人。公司服务领域已从单一的机械行业扩展到各类工业、电力、建筑、市政等二十多个行业，成为国内首批获得工程设计综合甲级资质的企业。
        本项目诺力智能工厂土建设计由中国联合工程公司负责。
6结语
        本案例通过对诺力基于订单选配的柔性智能工厂建设情况介绍，概括了智能工厂需具备的核心元素和关键技术，为大规模定制生产模式的落地执行提供了解决路径；分析并总结智能工厂建设过程中遇到的难点和解决途径，其实施经验给未来智能工厂建设起到借鉴作用。目前，国内很多行业的智能工厂建设还处于探索阶段，智能工厂的稳步运行更是一个不断探索、迭代优化的过程，企业在应用先进技术和工具的前提下，加强生产信息的互联互通、关联融合，不断优化改进工艺质量，带动生产模式向更加智能化方向发展。