本文为“2024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2024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
三一集团有限公司（简称“三一”）成立于1989年，现有3家上市公司（三一重工、三一国际、三一重能），公司总资产超两千亿元，在国内12个省市设有生产基地，在海外建有印度、美国、德国、巴西、印尼五大研发制造基地，业务遍及全球100多个国家和地区。
目前，三一已进入了工程机械行业的几乎所有产业，而且主要产品都做到了“数一数二”（70%的产品市占率第一）。其中，混凝土设备市场占有率世界第一，是当之无愧的“世界泵王”；挖掘机连续2年产销量全球第一，起重机械、矿山机械、港口机械、桩工机械、成套路面机械等处于行业领先地位。
同时，三一新能源风电、重卡、装配式建筑、工业互联网、石油装备、环保设备等新兴产业也在迅速发展。
二、企业在智能制造方面的现状
近年来，三一集团以“要么翻身，要么翻船”的决心和魄力，坚定不移地推进数字化、智能化转型升级，基于技术中台、数据中台、新一代工业互联平台三大技术底座，全面推进研发、采购、制造、营销服务、管理各领域及海外数字化建设，实施“三现”数据、设备互联、营销信息化（CRM）、产销存一体化（SCM）、研发信息化（PLM）、i系列智能制造软件产品等一批数字化项目并取得积极进展，推动了各项业务的在线化和智能化。
当前三一集团有40+座灯塔工厂建成达产，并在印尼成功设计建设了行业首座海外“灯塔工厂”，为全球制造业企业提供可借鉴的数智化发展方向。在装备自动化方面，突破了全自动切割下料、机器人焊接/组对等多项关键技术，实现了从“机器辅助人”到“人辅助机器”的跃迁，人均作业效率大幅提升。在制造数智化方面，通过自主可控的关键硬件技术与以制造运营管理平台（iMOM）为核心的“i系列”自主软件产品与算法等，利用数字孪生与“智能大脑”实现研发和生产管理的在线化、实时化、数字化，达到资源的最优配置与科学合理决策；通过工艺智能化和端到端的数据流整合，实现对生产过程中“三大要素”——人、机、料的计算机动态决策、柔性配置与精准调度。
三、参评智能制造项目详细情况介绍
1.项目背景介绍
依托公司数字化、智能化转型的契机，打造三一自主化工业物联网平台（iIoT），融合物联网、大数据、云计算等信息技术应用，实现厂内设备和仪表的互联互通，实现工况数据的实时采集打破数据孤岛，使生产、管理、服务、物流等各环节实时在线。为上层应用提供数据服务，实现互联数据的深度应用，促进管理系统、生产线与产品的智能化升级，全面提升运营效率。
1.1 主要目标
研发一套自主可控的工业物联网平台，能够高效互联集团厂内设备；数采侧自行开发160+种数采协议，实现工厂设备互联和数据采集；园区侧实现设备的数据接入、存储、计算及数据服务功能，打通MOM和中控系统，实现生产指令上传与下发；集团侧实现集中管控功能，实现平台统一入口、统一管理、统一运维。
打造实时、随需、自助的数据服务平台，沉淀平台通用能力，赋能集团智能制造、智能运营，实现企业效率提升，成本优化。
1.2 难点问题及解决思路
难点一：设备种类多，互联难度大
集团设备种类多，也有不少10年以上老旧设备，此类设备数采难度大。
解决办法：平台设备接入方式支持多种，包括直连、网关和自动组网三种配置，设备和网关可以支持有线、4G模组、Wi-Fi、Lora和自组织动态组网等多种网络方式连接到平台，支持接入设备的种类包括带模组的仪表，PLC、机床和机器人等生产设备，兼容不同类型设备。
难点二：系统集成关系复杂
iIoT平台作为OT和IT层数据枢纽，向上对接MOM，向下对接不同子公司不同的中控系统，系统类型、通讯接口不统一。
解决办法：iIoT对外接口标准化并接口参数可配，实现统一的指令下发和数据上报；接口参数配置化，针对不同的中控系统，不同的数据报文，可自定义匹配。
难点三：海量数据处理
集团iIoT平台将互联近2万台设备和3万+块仪表，数采频率为1次/秒，数据量庞大、实时性要求高，平台的数据处理和存储技术难度高。
解决办法：数采平台至iIoT平台数据传输采用统一的MQTT协议，边缘侧接入工业设备，实现分布式服务通道，高可靠、高稳定，可水平扩展；iIoT平台内部及对外数据传输采用kafka，支持海量消息高吞吐、高并发的上下行消息处理。
2.项目实施与应用情况详细介绍
三一工业物联网平台的定位是互联厂内设备和仪表，实时采集设备工况数据，并提供智能化数据服务及应用。是智能工厂的数据基座及IT和OT层的数据枢纽。其核心功能包括数据采集与存储、报警中心、消息中心、工业组件服务、数据计算、数据转发、统一运维等，应用层具备工业设备大规模连接能力、多源工业大数据建模能力和多样化工业APP的开发能力；数据层提供从工业数据提取、处理到应用完整能力，有效融合IT和OT层。
图1 iIoT平台功能架构
主要技术创新及成果包括五个方面。
●工业大数据
基于工业设备接入与指令下发、工业数据存储与查询、工业数据建模与计算三大模块，通过快速接入设备、获取设备数据、创建管理模型和数据计算任务、存储数据信息等功能服务，提供物联网应用所需的基础数据一站式接入管理与服务，实现用户对设备的全面信息化管理和智能化控制。
●工业数据管理
基于工业大数据能力，提供对iIoT设备管理和组织业务主数据管理能力，帮助用户能够有效地管理存储在其他各业务系统中的数据（包括设备台账数据、生产工艺数据、产品产量数据、组织和人员数据等），实现IT/OT融合的整合数据管理，支撑运营指标计算或数据共享订阅。
●工业模型管理
包括工业指标模型、工业算法模型、工业设备健康模型等工业机理模型的创建、沉淀、复用，实现工业经验与知识工艺的延续，同时可以支撑业务数据的统计分析和可视化，最终为生产运营决策提供有效依据。
●应用赋能平台
为应用开发者提供依托于根云平台快速构建业务应用的能力，包括在项目交付过程中积累的通用组件和行业组件、直观简单的低代码开发工具、统一的容器及开发框架等能力，让开发者可以更加专注于业务逻辑的实现，降低研发、运营和运维成本，缩短应用开发周期。
●统一运维平台
为客户和运维人员提供包括基础设施、中间件、应用服务和业务等各层级的监控覆盖能力，通过提供日志管理、监控指标可视化、告警通知和处理等功能，最终形成“监、管、控、营、服”一体化全方位的可视、智能运维管理体系。
2.1 数据汇集
集团iIoT平台采用分布式部署架构，在各园区部署一套，接入本园区生产设备工况数据和仪表数据，各园区平台可独立存储、计算及应用。园区iIoT平台提供强大的数据存储、数据服务及应用能力，根据用户需求灵活调整数据存储时间、计算逻辑及数据应用。
各园区iIoT平台采集数据实时同步至集团，即集团侧汇聚了全集团所有厂内设备工况数据和仪表实时数据，便于服务集团级应用。可统一数据治理、统一数据计算、统一数据服务。同时各园区iIoT数据向集团数据中台实时同步，满足数据中台侧的数据应用。结合中台强大的数据处理、计算、分析能力，实现物联网数据的深化应用。
iIoT平台主要采集两类数据：
设备数采：集团数采平台，目前已支持100多种设备数采协议，基本覆盖全集团厂内设备互联需求。数采平台在各个园区分布式部署，通过工业局域网互联生产现场的设备，实时采集设备运行状态、工艺参数等几十个，甚至几百个工况数据，并在边缘侧进行计算、处理、存储及转发。数采平台将采集的设备工况数据通过MQTT方式转发园区iIoT平台，供园区用户数据应用。
仪表数采：园区的水、电、油、气仪表通过有线、无线网络接入仪表网关（市场主流的网关，如旋思网关），从网关将仪表数据以MQTT方式转发至园区iIoT平台。
图2 三一物联网数据架构
2.2 数据存储
三一集团在物联网层面的存储分为三层，基于分布式部署架构方案，满足三一集团对多地园区主数据与工况数据统一管控需求。
第一层，是边缘数采平台采集存储未结构化的原始OT工况数据，主要作用是数据源追溯和根云平台故障期间的断点续传。
第二层，边缘数采平台将采集的数据翻译成集团统一采集标准的结构化数据后，推送数据到根云平台园区节点存储，供园区测数据查询、分析、计算，园区节点在收到这些也会实时汇聚同步到根云集中管控节点。
第三层，集中管控平台会将汇聚的数据集中存储，并按小时按天统计所有设备和仪表的作业量，能耗，告警等常用的指标，供上层业务应用快速读取展示。
2.3 数据处理
基于工业大数据能力，提供对iIoT设备管理和组织业务主数据管理能力，帮助用户能够有效地管理存储在其他各业务系统中的数据（包括设备台账数据、生产工艺数据、产品产量数据、组织和人员数据等），实现IT/OT融合的整合数据管理，支撑运营指标计算或数据共享订阅。
工业数据编织提供多维度数据建模能力，发现数据价值，将设备采集数据（OT数据）与流程软件数据（IT数据）根据需要进行有序组织，只采集、处理需要的数据，避免全量数据迁移。
工业计算引擎，快速构建融合设备iIoT数据和外部业务数据的计算任务。分钟级指标计算、流批一体、基于SQL语句低代码、计算任务部署流程简单、对接灵活。
2.4 数据开发
开箱即用的OTM指标引擎，提供零代码指标编辑能力，同时内置行业最佳实践，包含指标类型、计算公式、数据字段及类型，沉淀业绩指标最佳实践，帮助企业快速落地，获得行业领先。
高效的loT Works计算引擎，面对工业场景复杂逻辑分析，loTWorks提供以流批一体基于SOL语句低代码方式满足复杂计算，百万台设备时分析可在秒级内完成。
提供工业模型管理，包括工业指标模型、工业算法模型、工业设备健康模型等工业机理模型的创建、沉淀、复用，实现工业经验与知识工艺的延续，同时可以支撑业务数据的统计分析和可视化，最终为生产运营决策提供有效依据。
为应用开发者提供快速构建业务应用的能力，包括在项目交付过程中积累的通用组件和行业组件、直观简单的低代码开发工具、统一的容器及开发框架等能力，让开发者可以更加专注于业务逻辑的实现，降低研发、运营和运维成本，缩短应用开发周期。
2.5 智能服务
基于物联底座对底层数据进行封装，打造数据智能服务平台，向上提供标准化、结构化、统一的数据与指标服务，极大提升数据应用能力。
图3 数据智能服务平台功能架构
（1）水电油气的高效管理
基于iIOT平台采集的海量数据打造能源管理系统，实现涵盖水电、油气、光伏等各类能源数据的监控、分析、预警、优化及报告，为管理者提供决策支持，实现能源的高效利用与成本节约。
①能源实物量平衡管理
通过对电水油气从采购、入库、分配到使用的精准计量与统计分析，实现对用能偏差异常的实时在线监控，并通过异常提醒机制，实现异常数据源快速定位与处理，使能源流转过程中实物量平衡控制在3%以内。
特别是通过建立油气在线实时盘点，通过监控出入油库（气站）能源数据与油罐（气罐）库存数据，监控柴油、液压油、液氩、液氧、液态二氧化碳等的实物量平衡，并实时判断实际库存与系统库存偏差，推动异常整改，确保能源及时入库，减少跑冒滴漏等带来的油气浪费，通过油气在线实时盘点，已实现焊接用气量降低30%左右。
图4 能源拓扑实物量平衡应用案例
②峰谷平调度管理
综合运用四表与互联数据，建立设备级峰期和谷期用电模型，对1万+设备的谷期利用情况进行评价，并创造性地根据设备实际排班自动匹配相应的评价模型，实现对设备峰谷平运行策略的动态、灵活调度，使能源计划与生产计划能够协同管理，从而在保证生产的情况下优化集团用电结构，实现平均电价下降4%，年降本1000万元以上。
图5 削峰填谷应用案例
③重点设备节能管理
挖掘多种典型节能场景，尤其针对高能耗与重点工艺产线或设备，建立能耗优化模型，识别能源黑洞，并通过“提示→整改→复检”实现节能管理闭环。如对高能耗的共用设备空压机建立了空压机用电用气模型，对涂装产线建立了温度、产品量与作业时长用天然气模型，对焊接线建立了焊接作业时长与焊丝消耗量用混合气模型，对热处理设备建立了热处理温度、时长与产品量用电模型，分别对相应的设备或产线用能情况进行监控、分析与评价，识别节能空间，通过对重点设备的节能管理，共实现降本达千万级。
图6 设备节能应用案例
（2）设备能效提升
基于iIoT采集的设备状态、工艺参数等数据建立设备健康监测及评价模型，分析集团5000余台设备的作业率、利用率、负荷率、故障率、生产或使用违规等指标，自动抓取设备低效使用，违规使用、故障停机超时等异常，通过预警提醒来指导现场作业，达到低效设备作业率提升，消除现场违规操作，提升设备故障停机处理效率，综合实现设备提效达10%。
图7 设备能效提升应用案例
（3）双碳监测
建立企业碳排放标准体系，通过工业物联网技术实时采集能耗数据，实现碳排放基础数据真实可信，对所有能耗数据、碳排放数据等关键数据进行区块链上链存证，保障数据不可篡改、全程可追溯，通过数据中台的数据计算、数据编织能力实现海量数据的持久化、计算分析与服务。
基于双碳监测平台，管理者能够轻松掌握数万台设备的每一度电、每一滴水、每一方气的去向，做到源头管控、过程管控和末端治理，持续降低碳排放强度和成本，在实现节能减碳目标的同时，为打造零碳工厂奠定了坚实基础。
图8 双碳监测平台
3.效益分析
经济效益
三一工业物联网平台已推广应用全集团，覆盖30+海内外工业园区，互联了近2万台机器人、数控类、PLC等多种类型的厂内设备和3万+水、电、油、气仪表，为集团智能工厂应用提供稳定可靠、高质量的互联数据。
基于互联数据在集团侧和事业部层面建立了设备、能源、物料辅料、工时等方面应用，为生产管理提供智能化应用及数据服务，全面提升经营管理水平。
社会效益
在能源利用效率提升层面，借助物联网平台，能够对各类能源消耗设备进行实时能耗监测与精准调控。这使得设备可依据实际需求灵活调整功率输出，非工作时段自动降低能耗，全方位提升能源利用效率，有效缓解社会能源供应压力。
从设备利用角度出发，物联网平台助力企业实现设备管理智能化。企业可实时获取设备运行状态、工作时长等信息，以此为依据合理安排设备使用，避免设备闲置与过度使用，极大提高设备利用率，降低设备购置成本。
文章
