陀曼智造“企业数字化制造 行业平台化服务”建设探索

关键词：企业数字化制造，行业平台化服务

引言：“企业数字化制造，行业平台化服务”是浙江陀曼智造科技有限公司（以下简称“陀曼智造”）响应新昌县委县政府“中小企业大面积推广智能制造，打赢工业转型升级攻坚战”的号召，在2017年向轴承行业推广智能制造服务过程中，在浙江省智能制造专家委员会毛光烈主任的亲自指导下逐步总结、提炼形成的一套向广大中小微企业大面积、成批推广智能制造服务的创新模式，得到了中国制造强国建设战略咨询委员会、国家科技部等部委专家及有关领导组成的“论证会”论证认可，是贯彻党中央国务院、省委省政府两化融合部署的一项创新成果。

1.新昌轴承行业概况及内外部形势分析

自2013年德国最早提出发展工业4.0看，至今已有五年多的时间。轴承行业大型规模企业局部已经实现智能制造，如德国舍弗勒集团等。但德国绝大多数的中小企业仍然面貌依旧，在中小企业中发展智能制造，德国亦没有取得明显的进展。

中小制造企业智能制造普及率低，在轴承制造行业则更低。据统计，中国制造业中小企业数量占到97.4％，2017年底企业的机联网率仅有39%，中小企业的比例则更低。即使有的中小企业在机器换人或产品包装自动化某些环节有一定进步，但离企业全面实现智能制造的要求还存在着很大差距。在新昌县，规模以上的工业企业有254家，其中中小企业245家，占比为96.4%。2016年的机联网率也只有38.2%。即使是“机联网率”高的企业，也只是在少数二级分厂或部分车间实现了自动化或智能化生产，中小企业完成自动化或智能化生产线改造的就更少，传统轴承制造行业的智能制造普及率更低，不到10%。

新昌轴承产业先后经历了“以小台车取代六角车床”、“以钢管替代棒料钢材”等两次革新，以“低成本优势”创造了轴承行业40多年的辉煌，新昌高峰时共有轴承企业1500多家，从业人员达4万多人，是一个典型的具有块状经济特征的民生产业。目前新昌轴承企业数量大约还有600家左右，大部分企业利润率只有5%左右，甚至处在亏损边缘，行业迫切需要进行“第三次革新”，需要从“低成本竞争”向“品质和效率竞争”转型，总体上大部分轴承生产企业经营管理比较粗放，过于依赖人和经验管理，行业迫切需要通过数字化改造来帮助企业消除各类影响质量、效率和成本等方面的黑洞，但黑洞在哪里？怎么消除？需要有深度行业背景的服务商来提供解决方案！

2.陀曼智造公司概况

陀曼集团是一家集“机械加工自动化装备供应商”、“智能制造技改工程承包商”及“行业工业互联网平台服务商”等于一身的综合型解决方案供应商，至今服务超过1200家企业，主要服务于轴承、齿轮和汽车零部件等传统制造行业。陀曼智造为陀曼集团子公司，定位于向中小企业提供智能制造技改工程承包服务，并于2017年成功升级为行业工业互联网平台服务商，实现软件及服务销售收入5820万元、利税1740 万元。公司在轴承行业成批推广“企业数字化制造、行业平台化服务”的做法得到了国务院办公厅、国家工信部、国家科技部、中国工程院以及浙江省委省政府等相关领导和专家的高度关注和肯定，并称之为可复制推广的“新昌模式”。打造的行业工业互联网平台已成为浙江省“1+N”工业互联网体系中的第一批具有应用价值的“行业工业互联网平台”。

陀曼智造在新昌轴承行业“企业数字化制造，行业平台化服务”的实践中作为总承包商，对中小轴承企业量身制定技改路线、管理提升、员工培训、工期安排、预期效果和投资回报等整体解决方案，使企业省心、省力、省钱地“拎包即用”。承包改造完成后，县有关部门组织专家对项目进行严格验收，确保技改落到实处、经费花到实处。目前，已有82家企业通过验收，平均设备有效利用率提高20%，产品加工平均能耗降低9%，平均综合成本下降12-15%，劳动用工成本下降50%。

3.项目实施
    3.1.问题提出及本项目要解决的事项
    3.1.1智能工厂

陀曼智造实施的“企业数字化制造、行业平台化服务”是对传统轴承生产工厂的智能化升级。数字化制造是指对企业生产全过程与生产管理全流程的全面数字化（大数据）驱动的制造方式。平台化服务是“轴承制造行业工业互联网平台服务”的简称，指的是通过数字化制造企业与轴承云平台的数据互联互通，由轴承云平台为企业的生产过程与企业经营流程的各环节提供大数据的有效服务以及实现产业链上企业与企业协同的一种模式。

针对中小企业在智能化改造后生产管理支撑难、后续服务获取难的问题，陀曼智造打造了“云端一体”的系统解决方案，其中“端”是指陀曼智造开发的“TM-e微智造系统”，历经了从1.0版本的五种应用功能到3.0版本的超过20种应用功能的迭代升级，通过在企业原有生产设备上加装智能感知模组、数据处理终端、物联网通讯模组及安全模块等，实现设备、生产线、企业与平台相互之间的数据联通，并通过平台数据库算法，以电子看板、手机APP、管理报表等方式为企业提供不同的场景应用和信息输出。通过低成本的数字化技改，帮助企业实现从“经验管理”向“数据管理”的转变，使企业具备利用数据发现问题、分析问题和解决问题的条件。“云”是轴承制造企业在线服务平台，以平台化服务解决轴承企业数字化技改后“维护难、管理难、升级难”的问题，为企业提供企业资源优化管理、生产过程管理及风险管控和产品全生命周期管理等服务，提高企业资源优化、风险控制和盈利空间挖掘等能力，通过平台知识库建设实现经验知识化输出，为企业持续改善提供更多知识保障。通过构建轴承全产业链的数据大脑，实现对企业生产设备及过程、企业经营管理、产品全生命周期等三个维度的可追溯健康管理。其中设备故障发现与处理速度可提高120%以上。首期通过验收的82家企业的7300多台设备已全部接入轴承智造企业在线服务平台，解决了中小企业“建云养云”的问题。

3.1.2关键技术突破

陀曼智造在实施“企业数字化制造、行业平台化服务”智能工厂建设的过程中，应用物联网MQTT通信协议、大数据技术、微服务架构等关键技术：

一是应用物联网MQTT通信协议。MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：1、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；2、对负载内容屏蔽的消息传输；3、使用 TCP/IP 提供网络连接；4、有三种消息发布服务质量：“至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。“只有一次”，确保消息到达一次，这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。5、小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

二是运用大数据技术。从PLC控制器、RFID扫描仪、MES工业软件等软硬终端采集工业生产和产品大数据。利用图形、图像处理、计算机视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以及动画显示对数据加以可视化解释。企业利用大数据可视化工具处理数据并加上可视化手段，能够快速了解自身产品与整个市场的真实状况，并根据结果相应调整其生产工艺、产品定位与企业运营决策。

三是建立工业微服务架构。基于微服务架构来把行业互联网云平台软件功能转化为一系列非常小的、粒度级的、既独立又同时协作的微服务，简化了所部署应用程序的运行和管理、IT运营复杂度、解决方案集成和解决方案管理。解决方案一旦部署，更新更加简单而且高效，消除了代码重新编译的过程而且简化了操作。

3.2项目方案拟定以及决策，技术路径的选择、资金筹集及效益分析

3.2.1项目方案拟定以及决策、技术路径的选择

为了持续提高企业的生产与经营管理水平，陀曼智造从2017年决定开展“企业数字化制造、行业平台化服务”的实践以来，探索将产品研发重点放在TM-e微智造系统研发上，坚持从易到难，逐步升级迭代的策略，完成了从V1.0到V3.0的3个版本迭代，从最初的3个输入信号5个功能模块到V3.0的针对IO、PLC、CNC不同场景、多种采集方式并行开发了20多个功能模块，基本解决了车间产量统计、设备管理、远程预热控制、效率排名、计划管理、状态监控、节能管控、大屏看板管理、APP和报表查询、工艺参数监控、故障报警分类统计等精准数据采集和应用分析管理需求，目前正在进一步挖掘更广阔的应用场景空间：如SPC统计过程质量管理、夜班管理、虚拟现场3D建模、知识库建设、订单协同制造、供应链集中采购等。

表1 TM-e V1.0到TM-e V3.0系统的研发升级过程

 3.2.2资金筹集及效益分析

平台研发建设预期3年完成，预计总投入13450万元，保有1000家活跃客户规模并实现盈亏平衡，力争5年内完成3000家10万台设备上云，投入总金额34250万元，资金以企业自筹为主，政府基金为辅，逐步分期引入战略投资。

从目前行业推广看，陀曼智造正在把这些经验和做法从新昌推广到慈溪、常山等轴承产业集聚区域，并逐步延伸应用到其它行业，争取5年内建成跨3～5个行业的工业互联网云平台，预期效益如下表所示

3.3项目实施过程以及问题的解决、合作单位的配合等

2016年5月，陀曼智造与斯菱股份（一家汽车轮毂轴承生产企业）试点合作，对轮毂轴承自动化工段的32台磨超自动线设备进行机联网数字化改造，通过对设备状态，机床利用率，产能等监控分析发现了企业管理中的一些问题，通过改造，企业认识到数字化改造对经营管理的帮助和必要性；

为巩固和深化成果，2017年6月扩大到圆锥车间进行试点，对车间80多台设备进行了数字化改造，纳入计划管理、设备管理、人员管理等功能模块，围绕多品种小批量的单机设备信息化管理特点，通过数字化改造，找出车间的管理痛点和难点，信息化的便利性大大提高车间的运营效率，实施前后对比，效果非常明显，通过前二期的推进，仅人员的节省已经收回投入成本，2017年车间43人,月均产值334万,实施13个月后, 车间人员减少到32人, 月均产值337万。随着平台管理云化的深入，将进一步降低系统运维成本，提升管理方便性。

表2：斯菱股份改造实施前后对比效果

4.项目成效
    4.1产品先进性的提高

尺寸调整“自适应控制系统”降低对操作工人的技能水平要求和工人劳动强度，解决招工难和招工贵的难题。通过对平台服务收集的设备大数据，针对加工过程刀具、工装夹具磨损等造成的尺寸调整频次高，调整时间长，对操作工人经验依赖度高的现状，“自适应控制系统”实现对当前加工尺寸自动判断并根据尺寸变化趋势自动调整补偿。

4.2生产效率提高

从平台建成后的初步实施效果看，改造并落实改善措施的企业平均设备效率提高20%左右，平均能源消耗可以降低9%左右，平均综合生产成本可以降低12～15%。以样板企业普佑机电公司为例，通过一系列改善措施，实现了设备效率提升20%、操作员工减少50%、产能增加1倍等三个阶段的成效，2018年预计产值与2016年产值相比，在同样面积的厂房、同样数量的设备、同样的工人数量的情况下，产值增长了2倍，实现了“一个厂变三个厂”的产值。

表3 普佑公司生产效率提高的指标情况

4.3质量提高

SPC在线过程控制系统，通过质量大数据分析，将质量管理的事后分析管理提前到生产过程在线控制，实时监控工艺过程能力指数CP、CPK、PP、PPK等变化趋势，品质变化实时预警，降低产品报废率，提高直通率，减少报废品。

4.4节能降耗、降低成本、经济效益提高

从已接入“轴承工业互联网平台服务”的“已实现数字化制造并落实改善措施的企业”的情况看，平均设备的利用率（OEE）提高了20%左右，能源消耗下降了10%左右，平均综合成本降低了12～15%，企业的利润率比技改前提高了5%左右，初步走上了减人增效、节本增效的质量效益型发展之路。

4.5大数据平台服务价值

通过行业大数据应用场景开发，在向平台内企业提供多种行业参考指数外，同时为政府、行业协会、银行、第三方平台等提供更多的平台延伸服务，如行业设备开工率指数趋势、同比和环比的数据变化判断行业的发展趋势和景气程度；通过企业的开工率指数和行业开工率指数比较判断企业形势情况，根据企业OEE、单位能耗等与行业平均指数比较分析企业的竞争力；如原材料平台集中采购、订单与产能共享等信息服务。

4.6可推广复制的价值和经验

在轴承行业中小企业成批推行“企业数字化制造、行业平台化服务”的新昌模式，得到国家部委、智库和科研院所等诸多领导专家的肯定，一致认为通过“数字化制造，平台化服务”，对行业数据集聚、监控、分析、诊断、预警，提高设备利用率，降低生产成本，为下一步大数据智能的开放应用，向网络制造的发展打下良好基础，方向正确，值得向其它制造行业推广，通过行业智能制造的改造，把企业内部数据打通，把同行业内的企业数据打通，这很不容易，非常了不起！对于中小企业来说意义重大，作用非凡，是一个一举多赢的模式创新，值得向行业工业企业大面积应用推广。