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南通铁人:建设健身器材零部件智能车间

2022-01-19e-works整理

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本文为“2021年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2021年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。
一、企业简介

       南通铁人运动用品有限公司(简称“南通铁人”)成立于2000年,经过二十余年的努力,已发展成为以健身器材研发生产为主导,健身康体服务、体育场馆运营管理和赛事运营等并举,多元化发展的综合性体育企业,行业中排名前五。公司目前占地总面积162亩,公司现有员工478人,拥有各类专业技术人员125人,占比15.5%,其中中高级职称28人,占比22.4%。产品远销世界50多个国家和地区,并在9个国家和地区注册了铁人商标。公司现有金工、焊接、涂装、装配、模具、注塑6大车间,五金、模具、成品3大仓库,6条装配流水线,拥有进口全自动电焊机械手、全自动前处理、喷涂流水线等各类生产检测设备近400台套。
 
南通铁人运动用品有限公司
图1 南通铁人运动用品有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

       铁人运动用品有限公司目前主要应用的信息化系统有ERP、PLM、ERP、SCM、OA等。

       1)利用信息管理技术,集成企业ERP系统、PLM工艺管理系统等,建立企业生产资料核心数据库,自主开发智慧MES系统,将工厂的生产信息做到即时化、数据化与透明化,消除内部信息孤岛,实现内部数据互联互通。

       2)自主开发的MES系统,作为内部的数据中台,将数据采集、维护管理、排产排程、文件控制、工时管理、生产、物料追踪,质量保证管理,资源管理、绩效分析等进行交互分析,整体把控车间生产状况。

       3)通过物联网IOT相关技术,对车间设备进行智能化改造,自主开发了智能终端,该终端关联到车间设备,通过该终端自动接收系统推出的派工单,并后续收集工单的执行情况。

       4)运用大数据分析技术,实时采集生产制造数据,跟踪订单执行情况,实时分析车间产量与效率,合理调配生产资源。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1. 项目背景介绍


       健身器材在使用场景上可分为家用、商用、户外。在产品类型上可分为跑步机、健身车、椭圆机、划船器、力量器械等。一般健身器材生产厂家均覆盖了多场景、多产品类型的健身器材的生产与制造。这些产品从结构上看相对较为复杂,包含了多个零件,但是每种产品的产品结构均是固定,有稳定的原材料清单和零部件的配套关系。从上述情况可以看出健身器材的生产制造可以定性为离散型制造,包含着许多的变化和不确定因素。

       南通铁人智能金工生产车间的建设目标是打造国内领先、国际先进的健身器材研发生产装备智能制造基地。旨在建设成为以人为本、安全、环境友好、工作强度低、质量及效能领先、产业链协同及信息数字化的的智能化车间平台;快速高效满足顾客需求;全制造流程的数字化及远程监控及控制。南通铁人智能生产车间项目建设对健身器材行业的智能化建设,具有重要的示范和借鉴意义。本项目不仅实现生产线智能化、信息化升级,降低了生产线的人力成本,提高了产品的良品率,降低了生产成本和能源消耗,大幅提升了企业的盈利能力。实现工业化和信息化在健身器材行业中的交叉融合,将进一步推动我国体育行业的优化升级。

       南通铁人运动用品有限公司智能生产车间建设5条自动生产线,实现替代人工上下料、替代人工收发物料和成品、替代人工检测及一些组装工作等,通过信息化系统的应用实现生产加工数据采集、分析、应用(排产、维护、故障提前预警等),可切实提升客户的生产效率和品质,降低人工成本和其他生产运营成本。其目标如下:

       1)推进生产设备(生产线)智能化,通过引进各类符合生产所需的智能装备,建立基于CPS系统的车间级智能生产单元,提高精准制造、敏捷制造能力。

       2)拓展基于产品智能化的增值服务,利用产品的智能装置实现与CPS系统的互联互通,支持产品的远程故障诊断和实时诊断等服务;

       3)推进车间级与企业级系统集成,实现生产和经营的无缝集成和上下游企业间的信息共享,开展基于横向价值网络的协同创新。

       4)推进生产与服务的集成,基于智能工厂实现服务化转型,提高产业效率和核心竞争力。

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       南通铁人运动用品有限公司通过硬件和软件的开发建设,实现装备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化、决策自主化的智能生产车间。

       设计与生产现场联动,实现生产现场无纸化应用:

       南通铁人运动用品有限公司在生产与设计联动上,具备了良好的软件平台,公司成立后陆续上线实施了SCM、MES、PLM、ERP等系统,并通过各系统的有效深入集成应用,实现了设计与生产过程的联动执行。这些措施在有效提升了 南通铁人运动用品的产品开发和生产能力的同时,缩短了新产品的设计开发和生产的周期,实现了厂区生产过程无纸化应用。

       基于体育用品行业的物流配送体系,物流配送高效保障:

       南通铁人运动用品有限公司物流应用方面,以供应链管理主线,通过MES系统、财务系统间的紧密集成,利用条码、射频识别等新技术,引入新的物流管理模式。企业的年度、月度计划,批次计划,送货计划与供应商、外协单位实现全面集成。并通过制造执行系统的物流配盘管理模块,实现与供应商的协同运作,实现与生产过程、生产能力和生产成本控制等方面的全面协同,提高整个供应链的协同性,保障了物料供应水平。

       自动化智能化机械臂生产线,达到国际领先水平:

       以线性化生产流程配置、均衡化生产节拍为特色,以高效自动焊接设备为基础,通过深化应用焊接变位技术有效控制焊接变形,提高焊接质量和工作效率。

       全流程追溯:

       基于电子标签的信息追溯:通过电子标签,记录每个在制品经过的生产设备编号、进入时间、离开时间等,实现全流程追溯。

       1)智能装备和设备联网

       (1)智能装备应用情况

       南通铁人运动用品有限公司对车间进行改造,建立全自动、信息化生产线,其中共包括生产设备、检测仪器149台套,其中工业机器人数量为32台,车间内自动化、智能化生产设备为117台套,占车间内全部设备比重为92.8%,公司主要生产设备如表1所示。
 
表1 南通铁人自动化设备表
南通铁人自动化设备表
    
       南通铁人运动用品有限公司在智能金工车间内以自筹资金建设智能车间,车间包含激光切割机、数控剪板机、数控折弯机、3D数控弯管机等智能设备,智能车间内部包含SCM、MES、PLM、ERP等软件及整个车间的工业互联网,大数据存储中心等。

       (2)车间设备联网情况

       生产车间内自动化、智能化设备总数约为117台套,这些设备全部采用现场总线、以太网、物联网和分布式控制系统等信息技术和控制系统进行数据联网的数据量,占智能化、自动化设备总量的100%。

       南通铁人运动用品有限公司通过利用工业以太网将单元级的传感器、工业机器人、数控机床,以及各类机械设备与车间级的柔性生产线总控制台相连,利用以太网将总控台与企业管理级的各类服务器相连,再通过互联网将企业管理系统与产业链上下游企业相连,打通了产品全生命周期各环节的数据通道,实现了生产过程的远程数据采集分析和故障监测诊断。

       基于车间智能化改造目标提升的需要,以及业务流程与组织结构的优化需求,提出以下技术实现的需求:

       工业互联建设:部署生产设备互联利用物联卡和RFID等技术手段使生产设备互联。部署新厂区/车间专用机房、专线接入、测试室等。

       信息系统集成:上线实施新系统并与各个系统集成,在新系统中增加数据报表实时看板等。每天通过系统自动计算出每件产品、每个工序耗费的各类成本,并形成各类成本分析报表,供决策参考。

       信息安全保障:购买并安装了计算机防火墙,禁止外界用户入侵企业内部管理系统,保障企业内部计算机及网络系统的安全;安装杀毒软件,定期对计算机进行病毒查杀,并定期对计算机文件进行检查和备份,防止病毒入侵计算机,同时也杜绝了数据文件的丢失。

       目前,我公司已建成车间智能监控网络和智能生产管理系统、计划、物流、质量管控系统、生产控制中心、中央控制系统等智能系统、电子供应链系统(SCM)、制造执行系统(MES)、电子仓储系统(WMS)、企业资源管理系统(ERP)、生产控制中心管理决策系统等关键核心智能装置,实现了对制造资源跟踪、生产过程监控,计划、物流、质量集成化管控下的均衡化混流生产。

       2)智能仓储精准配送

       南通铁人运动用品有限公司的自动化物流装备智能生产车间应用条形码的智能盘点,实现自动化物流装备的生产过程的精确追溯,采用手持式的扫描终端,对产品的条形码进行扫描,数据与MES 系统的数据库进行连接,可对数据进行实时的更新和追溯。
 
物料配送图
图2 物料配送图

       在物流自动化方面,南通铁人运动用品机台智能终端带人脸识别,能记录相关工序操作人和甄别操作人是否具备权限。物流仓储会根据MES的实时进度发出的指令进行可人为干预的自动流转货运小车,进行物料的运输。

       采用智能生产设备,由企业MES系统调配生产物料,系统生成生产物流转移单并同时并发送到库管人,由专人或者自动运送设备送到相关工位。实现现场流转、库存变化一体化。

       图2为操作工人采用条形码与手持式扫码设备,在系统中记录物料流转信息,从而可以准确的对每件产品的生产过程、制造时间并成品存放位置进行统一管理,实现了实物与信息管理系统之间实时的数据交换,保证科学、快捷、准确的物流流转信息。
 
条码扫描
图3 条码扫描
 
仓库现场操作图
图4 仓库现场操作图

       3)车间作业实时调度

       车间运用IOT物联网技术,开发应用于车间设备的智能终端,实时收集生产情况并实现异常报警,并进行相关数据采集供后续做诊断分析。

       铁人MES由一组共享数据的程序,通过布置在生产现场的专用设备,对生产计划、任务下达、文件传送、拉动供料、产量、质量、人员、产线异常、设备状态及参数、在制品流转、成品入库、设备管理、质量分析、生产分析的整个现场生产过程实现数据实时采集、控制和跟踪。通过控制指令、人员、设备、物料、仓库、品质、工艺、异常、流程和其他设施等工厂资源来提高生产效率;通过通讯接口下发生产指令,用LED智能平板实现车间生产现场实时看板,用图形化监控车间生产状况和现场异常,从而实现制造过程全程智能化和可视化。

       (1)生产计划管理

       生产需求管理:辅助制定主生产计划,包括产品名称、规格、数量等。生产来源主要包括销售订单、销售预测、仓库补货要求,内部订单等。可以实现对生产需求的信息归集、需求信息确认、需求冲销。

       主生产计划业务:帮助企业在实际运作中,根据以前的计划数据和自己的经验进行生产排产,和销售部门精细沟通后调整,报领导批准后形成正式的主生产计划。包括主生产计划编制、下达和跟踪。

       配套性检查业务:生产计划的物料不一定都按时按量准备充分,所以生产部门下达订单前可以通过该功能对物料的可用性进行检查。

       生产基础数据管理:建立企业的物料清单、明细表作为企业编制生产计划和设计工艺流程的主要依据。

       工艺数据管理:建立生产过程中使用的各种工艺文件和参数,包括工艺路线、工艺卡、操指导书等,为形成工艺文件指导车间排产、生产派工以及能力平衡提供依据并通过mes系统下发到工位平板。

       (2)生产调度管理

       建立调度优化模型,将调度作为一系列事件来处理,模型能正确地反映实际调度中的一系列事件的相互关联关系。同时根据调度事件,生成包含原料调度、生产调度、运输调度等调度方案。实现生产关键数据的实时监视,调度人员可以从全厂全局的角度上了解当前生产的实时信息,并根据调度指令和操作规范对现场的不同装置、车间的操作人员、检修人员的操作进行统筹调度。

       (3)MES与ERP集成:

       采用封装调用集成模式,MES系统要访问ERP系统中的数据,需要通过ERP系统中的BAPI函数把所要的信息抽取出来,然后转换成数据文件,再将数据文件转换成符合MES系统API函数的数据结构传递到MES系统中。

       4)产品信息跟踪追溯

       生产计划部在MES 系统中的订单创建部分中操作,设定订单号、投入量、包数量与交货日期,而后按照生产排期进行生产活动,每一台自动化装备都有单独的条形码,可从原料、辅料开始进行产品信息的追踪,实现产品信息可追溯。

       生产过程中有首检、巡检、抽检等检查工序,系统根据工单类别自动发送检查工单给质检人员,质检后由质检员判断质量,并录入系统。

       对应关键工序的操作机台具备自动诊断分析产品质量的功能,如有异常会进行工序重复并同时记录机台日志,诊断具备熔断机制一旦出现机台多次重复无法解决的问题会暂停任务并同时发送报错提醒。

       MES系统中根据订单生成工单条码,通过该条码实现产品生产全生命周期的可追溯。产品信息包含物流构成、在制情况等。

       5)能源消耗智能管控

       车间加装了智能电表、水量采集器等相关硬件,这些硬件都直连网络,实时采集并上传车间能耗。我司选用集中器+智能电能表结合的方式对车间核心设备进行能耗采集。利用专业集中器加载物联卡SDK,上行采用以太网和物联网后台通信,下行采用无线与水电表通信实现远程能耗统计并且对关键能耗设备设立单独三相费控智能电能表实现单独管控。

       节能监管平台的主要功能包括两个方面:

       (1)在线自动获取能源消耗数据,即能耗测;

       (2)对能耗线路开关阀门等进行在线调节控制,即节能控制。

       通过能耗检测,实时掌握能耗供应、分配和消耗状况;了解整体能耗结构和各种设备能耗水准;监控各个运营环节的能耗异常情况;评估各项节能措施的相关影响。并通过网站、终端等渠道把能耗报表、曲线数据等发布给相关管理和运营人员,分享能源信息化带来的成果为进一步的节能工程提供坚实的数据支撑。 通过节能控制,讲车间各项能源控制和节能管理措施落实到实处。提高能源提供给使用过程中的有效性合萼实时性;降低各类能耗的消耗量;管理用能组合和用能时段,降低综合用能成本。
 
能源管理系统架构图
图5 能源管理系统架构图

       根据对耗能车间配电系统集中监控可以实时监控开关运行状态,监测整个车间的用电负荷,通过有效的数据统计,分析其用电峰值所在的时间段,调整相应的能耗设备开机时间,将能耗峰值转移至其他时间段,错峰用电,节约用电成本,减少供电压力。

       对用水量大的车间进行实时用水量的监控,及时发现用水异常,解决“滴”“漏”等浪费问题,减少不必要的水量损耗。总结用水规律,改进生产工艺。

       6)车间环境智能管控

       智能生产车间系统会记录和实时读取现场传感器和摄像头的情况如有异常会报送专管部门、人进行及时处理。车间有摄像头、烟雾、浮尘等传感器,实现生产环境自动监控、报警并提交消息送相关责任部门车间废置物会定期由专门的回收部门进行处置高风险车间一旦发生系统高危报警,车间内配备的报警系统会立即鸣响并启动熔断机制车间自动线会自动停止生产动作。系统会发送报警消息给相关责任人并同时上报信息给上一层管理单位。

       3. 效益分析

       智能金工车间经过智能自动化改造后,人力成本降低50%以上、良品率提高5%,生产效率提升了50%以上,产品质量可控、稳定,大幅度缩短了生产周期,生产过程全程采用MES 系统进行实时监控,物料具有可追溯性,自动化及智能化水平处于行业领先水平。生产模式由人工操控设备和在制品转向操控智能调度中心,生产流程规范可控、车间生产人员的体力劳动强度降到最低;系统自动确保生产不混批,实现全流程追溯;提升物流效率,减少生产设备断供,提高设备利用率;优化物流路径,减少物流运输成本;整体优化车间生产效率和物流效率,提高车间产能。
责任编辑:梁曦
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