一、企业简介

    无锡透平叶片有限公司（WTB)始建于1979年，是一家专业的高端动力部件供应商，建有国家级企业技术中心、国家能源大型涡轮叶片研发中心等重大研发载体，优质服务于全球能源和航空装备市场。主要为包括火电汽轮机、燃气轮机、舰船动力、航空发动机等动力装备提供所需的叶片、盘等关键动力部件。公司现位于无锡惠山经济开发区，占地面积23万平米，注册资金7.13亿，总资产接近25亿，企业信用等级AAA。现有员工815人，2018年营业收入9.05亿元。

    在能源领域，公司业已成为全球最大的电站汽轮机叶片供应商，具备短、频、快的专业化竞争优势（即满足主机厂品种多、数量少、周期短的特点），大叶片国内市场综合占有率70%，产品品种覆盖率95%，全球电站大叶片市场综合占有率60%，登榜工信部“制造业单项冠军示范企业”。

    在航空领域，WTB已参与13个型号航空发动机、 5个飞机型号关键部件的研制和批产，实现了多项具有国际同等水平的标志性产品，荣膺罗罗2017年最佳新供应商奖、GE航空和斯奈克玛2016年度卓越质量奖”，中国航发2016年度最佳质量奖、中国商发2017年优秀供应商奖。

图1 无锡透平叶片有限公司

    二、企业在智能制造方面的现状

    WTB的信息化历程可追溯到1997年，从开始采用计算机辅助制造系统，到实施PLM系统二期项目，十多年间，公司在智能制造方面已有了长足的发展。硬件方面，公司拥有国内最先进、国际领先的叶片制造技术，拥有国内最大的叶片加工5轴联动加工中心群，涵盖了从超小型叶片到超大型叶片的数控加工能力。无锡透平叶片还拥有国际打击吨位最大的螺旋离合压力机，并拥有完整的金属材料热加工和特种工艺手段。

    但面对全球各大电气公司的订单和品种庞杂并多数为一次性制造过程的产品，如何最大效率地发挥硬件平台生产能力是摆在WTB面前的一个重要课题。作为一个典型的工艺实现的制造型企业，客户提出了各种不同的制造过程控制要求，基本涵盖了从工艺研发到成品出厂的全过程。为实现高效率的生产过程、降低一切浪费，公司提出了智能车间的建设目标，以合理协调企业资源，实现多品种小批量客户定制的产品制造要求；同时在管理上，实现生产过程数据透明化、可视化、及时化，满足客户对产品质量及质量信息、交货期、成本等的全面要求。

    三、参评智能制造项目详细情况介绍

    1. 项目背景介绍

    WTB智能车间项目以智能化生产设备为底层，ERP/PLM系统为上层管理平台，中间为自主开发MES系统——生产管控系统。

    在该规划的指引下，除去已经建设的ERP/PLM系统，无锡透平叶片有限公司信息化建设的主要任务有：建立车间基础的网络互连系统；购置或改造生产设备使其具备自动化、网络化、智能化能力；在ERP/PLM系统的基础上建立车间智能化系统，并形成统一的平台；打造与技术研发、生产制造、质量监控、成本监控、订单管理、人员设备一体的信息化平台，实现生产经营过程的单一界面、单一数据入口、单一数据发布。从而实现生产过程的智能化、柔性化、数字化。这与WTB的信息化规划的目标是完全吻合的。可以说智能车间就是信息化规划的目标之一，与信息化密不可分。其最终目标都是提升公司的整体效率，完成内部管理模式的转变。

    以自动化生产设备为底层，商品管理系统（SAP/PLM）为顶层，用自主开发的管控系统作为两者之间的桥梁，是无锡透平叶片有限公司面对自身生产方式的特殊性所提出的构想。通过这种方法用以实现生产指令从顶层到底层的贯彻，以及业务数据从底层到顶层的收集、处理、归纳和传递。

    无锡透平叶片拥有十人以上的开发团队支持管控系统（MES）的需求调研、结构设计、软件开发。同时，在每年年初所设定的年度任务中，都会确定年度重点开发方向，以不断完善系统功能模块。之所以选择自主开发，除了拥有自主知识产权外，其主要的考量是自主团队拥有较高的需求响应效率，与最终用户距离较近，能更好响应用户需求细节外同时拥有较低成本；此外，作为一个长期不断进行需求滚动的项目，整个团队会站在公司立场上考虑远景规划。避免了外部团队的项目型交付，以短期效益为目标。管控系统在项目团队的支持下，以每日发布新更新的频率进行迭代，目前已达十年的历史，发布两个重要的版本，累计更新上千次。

    2. 项目实施与应用情况详细介绍

    1）智能装备应用情况（软件部分）

    在WTB投入大量资金与人力建设信息化，着力推进两化融合的过程中，主要分为两个步骤。

    首先WTB实施SAP系统4大模块，其中SAP-MM管理物料、物流、采购；SAP-SD管理销售和分销；SAP-FI/CO用于财务和分析。SAP作为集成度最高的ERP软件，为WTB管理带来了全新的理念，也对生产经营提出了更高的整合要求。这其中尤以生产数据结构化、标准化最为迫切。为适应ERP管理基础数据要求，也为了将技术研发、技术管理纳入信息化管理，CAD工具的统一、标准化，以及PLM系统的实施，成为公司选择的必然。WTB应用西门子软件（UGS）UG-NX三维CAD设计工具，应用于工艺、工装设计。其所提供的三维模型，一方面与叶片加工专有系统RCS共享用以编制数控程序；另一方面UG-NX可直接将设计中的物料、BOM和工艺等传递到TeamCenter-PLM平台。实现了这些信息与SAP-MM、管控系统的实时共享和集成。TeamCenter系统同样是西门子软件（UGS）的产品，UG-NX可提供技术人员一体化集成化的界面，简化操作的同时消除了信息的孤岛，为ERP运行和生产组织提供数据基础。在生产的组织、监控方面，鉴于WTB没有实施SAP-PP系统，且PP不适用无锡透平叶片有限公司的生产组织模式。

    为此，第二步WTB自行开发了生产管控系统作为车间层面的调度指挥系统。WTB自主开发管控系统拥有物流、物料、生产、质量、设备、人员、仓储及采购管理流程、工艺及无纸化、销售、成本分析及报价、外协管理等功能模块。

    管控系统通过将生产现场所涉及到的各种管理需求，在一个界面内、一个系统内整合，其最终目标是实现在工艺指导下的，对产品物料加工的自动化，检验要求自动推送下的质量信息自动收集，物流信息全过程采集，设备自动控制和信息获取，以及人员信息的全方位嵌入。最终是在销售层面的信息汇总和自动生成。

    2）车间设备联网情况

    为提升网络的整体性能与可靠性，无锡透平叶片采用Cisco整体网络解决方案。并且为了提升内部的安全性，建立并物理隔离量内部网和外部网两个网络。通过内外网分离的网络结构，既保证了技术、生产、采购、销售部门的无缝连接，又在最大程度上避免了网络风险。

    无锡透平叶片机床设备种类多，年代跨度大，控制系统品种多样。具有网络接口的设备可直接连接；对于较早只配备串口的设备，则需要进行串口到网络的转换；有些设备甚至不具备串口，对这些设备需要直接从控制器PLC内获取信号，并通过控制卡连接网络系统。对于连接的设备，如设备支持OPC协议，则优先采用OPC通信方式。

    3）生产过程实时调度情况

    WTB虽然采用了SAP系统，但由于叶片产品没有成熟工艺、没有可验证的工时定额的特性，导致叶片生产包含了大量的工艺验证和试运行周期；再加上叶片生产的小批量多品种特性，无法有效使用MRP运算。因此采用SAP-PP作为生产调度将面临着生成的计划可执行性差，生成订单报工效率低下、针对性差的问题。

    因此，我们通过自行开发“生产管控系统”来满足生产调度信息化的需求。其主要的开发是面对生产现场，将物流、工艺、生产、质量、设备等因素在一个系统中进行统一管理。在此基础上，融入客户订单和服务，以及与SAP系统物料、物流、订单的集成，与PLM系统工艺的集成。

    整个过程可由：合同评审及订单确立、生产下达及投料、工艺设定及生产过程控制、质量数据管理、入库及数据提交等步骤组成。

    （1）合同评审及订单确立

    在该阶段，系统主要辅助销售人员与整个公司的其他部门确定订单执行的各个方面是否符合客户的需求，以免在技术特性、生产进度、质量要求、成本控制等方面无法达成需求。并将收集到的客户技术资料、商务资料进行收集、上传服务器，并通过PLM系统接口传递给PLM系统。

图2 合同评审

    在通过评审后，无锡透平叶片有限公司将客户订单分割为交货计划行。该交货计划行在确认后，即会与SAP订单进行同步。通过生产管控系统，生产调度人员能实时观察所建立、下达、进行、完成的所有交货计划行。以便能够综合评估生产情况，及时对生产进行调整和干预。

    （2）生产下达及投料

    交货计划行的整个生命周期包含建立、下达、投料、物流、加工、入库、交货。在投料阶段，系统会检查由产品工程师和质量人员所建立的原材料所必须满足的原材料类型、材料所必须符合标准要求，以及针对该标准要求是否完成必须的原材料复检。该流程由投料人员发起，质检人员获得并建立质检要求，理化检测人员录入数据，系统比对，仓库管理员进行投料。投料时，系统会自动检查生产管控系统和SAP系统库存数据的同步情况，在仓管人员完成投料后，生产管控系统将投料情况自动同步到SAP系统。

    （3）工艺设定及生产过程控制

    在系统投料后，物料须经过工艺设定来确定物流路径和加工方法。该工艺自技术部门所设定的工艺方法进行设定，源自工艺方法，其内容又远远超越加工工艺的内容。

    作为一个多品种小批量离散制造行业，工艺设定的灵活性与可操作性也是系统设计的重要内容。为此，系统可提供版本复制和编辑，利用用户设定。在WTB的生产管控系统中，不止于一般工艺方法的是，其承担了将检验要求和加工参数进行同步设定和传输的功能。通过设定检验要求，对每一步工序，可定制化收集检验数据。

    同时，在工艺设定中，通过生产管控系统连接PLM系统，系统能将技术人员编制的工艺文档链接到到工序中。从而实现生产工艺方法自动传输，现场无纸化。

图3 工艺可以在现场查看

    生产管理人员则能够在PC端对下发图纸进行查阅，由于没有纸质文件，版本管理的工作变得更加简单和有效。在水印和条码中，我们添加了动态的、每次进入查看即唯一产生的标识，从而能够跟踪查看的最终用户，并对打印稿进行跟踪，提醒管理人员在版本变化时及时收回旧版纸质稿。

    以上手段的有效结合，生产部门能够对生产情况依据系统进行控制，比如在制品：在物流、加工阶段，系统会对每一批、每一件产品进行跟踪，系统据此对交货计划行所包含的所有工件进行追溯，并提供生产管理人员该计划行中所有工件成员在工位的分布，以及所处于的工艺节点，帮助生产管理人员对生产的进度进行把控。

    （4）质量数据管理

    依据在工艺中所设定的检验要求，即能在工序加工中要求录入如下的检验数据。

图4 检验数据录入

    此外，叶片作为精密加工产品，三座标检验需要通过委托检验发起，并录入检验结果文件。依据检验结果，系统会自动发起（或人工发起）不合格品审定（NCR），并依据NCR结果进行废品管理。

    通过累积的大量数据，质量管理人员能够对所发生的质量问题进行及时分析，生产管控系统提供了数据分析的SPC实时工具。

图5 SPC分析

    （5）入库及数据提交

    在入库阶段，系统将比对该清单中所列检测项目数据所对应的检测结果数据，并列出所有合格与不合格项目提供产品工程师进行判读。而最终入库的结果，生产调度人员，销售人员能够实时在系统内看到，作为对后续的补投料、与用户协商协商的依据。

    交货阶段，用户除得到了一份在系统内生成的质量数据报表（过程质量数据报表）外，还能够得到一份产品履历表。该履历表描述了该工件所经历过的所有过程，包含了材料性状、加工过程、物流起止、外协单位以及所涉及国家\行业\客户的标准信息，包括所有这些所附带的时间、人员、位置数据。销售人员则可在系统内对结果进行跟踪。在发货信息传送至SAP系统后，即可进行开票等一系列商务处理，并最终结算SAP订单。

    4）物料管理及物流追踪

    （1）生产物流各要素综合管控

    叶片生产是典型的多品种小批量，并且在生成组织中大量采用通用设备。因此作为典型的离散生产制造，叶片自动化物流实现具有非常大的难度。针对叶片生产的特点，提供便捷化的物料交接手段，简化交接手续，实现对物料的跟踪显得更加有必要。

    无锡透平叶片开发的生产管控系统系统针对上述生产的现实特点，着力实现对物料物流的全程跟踪和管理。与一般的智能化车间不同，面对离散化的制造，无锡透平叶片生产管控系统并非强行推行生产线化的生产组织。而是将生产过程所涉及的物流过程化整为零，所有订单的物流过程穿插进行。通过信息化手段将每个订单的物流信息进行汇总统计，从而提供生产管理人员生产的全貌。

    叶片的物料生产过程中呈现管理粒度逐渐细化的特征。生产管控系统考虑了叶片物料三个管理阶段，即数量管理阶段、批次管理阶段、序列号管理阶段。叶片生产的特点是这三个阶段的单方向转换和管理粒度的不断细化，以及附加在管理粒度上的数据针对对象的不断细化。因此物料管理方式是整个智能化车间的基础。SAP系统虽然具有上述的三种物料管理方式。但其操作复杂，另外SAP更多关心是物料的财务属性。

    为此，生产管控系统针对智能车间特性，重新构建了物料与物流系统。除支持三种物料管理模式外，还将物料管理细化到了每一台设备、每一个人，并结合财务区域的划分，将外协收发整合到了物流管理过程中。车间设置了物料暂存区，所有对外对内的物流操作都由该物料暂存区作为起始点。对内：在物料开始加工前，需要由物料暂存区上料至加工设备，完成加工后则下料至暂存区。对外：开始外协加工前，需要由先进入暂存区然后外协至加工单位，外协完成后也收货到物料暂存区。所有的移动操作，物流员都可以扫描条码进行快捷操作，系统完成操作后即刻打印热敏单据用作交接凭证。在这个过程中，外协单位在操作方式上与内部加工别无二致。但针对外协加工，管控系统建立了外协价格、外协合同（预制单）、外协物流三者相互限制的功能，分别有三类用户进行性操作，实现了敏感功能完全透明和相互制约。

    生产管控系统通过BAPI接口模块与SAP进行集成，将所有涉及SAP库存地点的操作实时传输到SAP-MM生成物料凭证。对不涉及SAP库存地点的物料库存管理操作则在管控系统内部进行管理。用户仅仅需要针对管控系统界面，SAP操作界面则被隐藏到了后台。

    在现场，无论是生产人员、质检人员、物流员、仓管员等都需要扫描物料流转卡，系统会根据所扫描的流转卡提供工艺信息、质检要求、物流结算单、收发料单等信息，通过底层的物流信息将工艺、生产、质量、人员等信息组合成一个统一的系统。通过这些强制性的操作，管理者可以获取准确的在制品报表。

    （2）现场库存管理

    仓库管理是则将物料领用申请、纸面签字审批、对领用申请发料等操作进行了流程化，与SAP的相关操作更加具有优势的是：系统分类管理可多维度定制；申请领用流程更加人性化；系统将物料分派的对象不但精确到了设备机台、人，并直接按交货计划行进行统计，从而为精确计算订单成本提供了底层数据。

    5）产品信息可追溯情况

    叶片产品是多个客户的大量不同产品在生产现场混合组织生产的。每个产品的工艺路线均有差别，生产设备可能重合或不同，同时进行加工的产品可能多达几十个上百个。而每一个出厂的产品，均需提供客户从原材料质量信息、加工过程信息、成品检验信息履历。

    为满足这样复杂的产品追溯要求，智能化系统对每一个投料批次均建立的唯一的识别号，并通过条码进行跟踪。智能化系统在从PLM系统获取到相应的生产工艺，对不同的版本建立不同的识别号，并与投料识别号建立唯一的联系识别号。据此，实现了投料与工艺版本的唯一关系。

    通过建立工件、投料批、工艺版本、检验要求、检验结果之间的数据关联，并强制用户扫描自身工牌条码、设备条码获取设备信息、操作人员信息，系统在后台自动插入时间信息，从而建立了一个产品信息追溯的综合网络。在内部管理上，通过整合这些相关信息，系统提供了诸如实时在制品报表、订单推进报表等主要报表。管理者通过这些报表，对生产现状做实时监控，对订单进度作即时了解。

    6）车间环境智能监控情况

    生产管控系统将车间设备监控集成一体系统。通过设备的智能联网，采集设备的状态变换，分为两个部分：1、开关量，在其发生变化的时候进行采集；2、连续量，按设定时间进行采集。其结果按设备提供。

    通过设备状态采集，设备管理、生产管理人员能有效的获取设备运行状态，及时调整生产所需设备，提高了设备的利用率。

图6 机床连续量的采集汇总

    在生产现场的智能终端，生产人员可直接提交生产设备故障，系统通过短消息/管理终端提醒设备维修负责人员。在这个循环中，将整个维修过程分割为责任明确的几个过程，设备维修人员、操作工之间相互制约，能有效的降低设备故障时间。系统亦强制维修人员填写设备故障原因报告，这为分析设备故障原因，提供了智能化手段。

    7）设计与生产联动协同情况

    公司通过加大在CAD、PDM系统上的投入，花费大量精力与资金实现PDM系统与生产管控系统的集成。将相关文档、工艺、结构、权限等信息纳入产品生命周期的管理，实现了从设计到生产全过程的数字化。

    智能化车间管控系统的控制核心是生产工艺。无锡透平叶片是一个工艺型的机械加工企业，并不直接研发产品。由于每年有几百甚至上千个新产品投产，如何将工艺下发到生产成为智能化车间关注的重点。

    生产管控系统中的工艺路线以生产设备类型为工作中心，辅以工艺参数。操作工在扫描工件条码和设备条码后，即能获取到所需进行的加工参数、操作指导卡、工艺附图。在这个过程中，实际加工的工时、人员、设备等信息都进行了收集，生产人员可依据对此进行分析。生产管控系统中的工艺还集成了质量检验要求信息，质量检验要求亦是与生产设备先关联，在加工完成后自动提示操作人员输入质检数据。

    8）售后服务实现智能化

    通过智能车间的建设，客户从事后参与产品验收过渡到了在研发、生产过程中与内部人员一道改进制造。这主要体现在生产管控系统将以往滞后的质量数据采集，通过系统变成实时的数据采集后，客户能够分享到质量分析，从而能够提出改进要求和意见。

    此外，在出现不合格品后，以往通过传真、邮件的沟通方式，也转变为采用系统进行审批和处理，进而提升了用户体验，加快了处理时间，理顺了处理流程。

    9）工艺文件实现无纸化

    为解决公司目前以纸质文件为载体，工艺文件版本管理中的固有问题，信息办承担了工艺文件无纸化，及工艺结构化的开发工作。该项开发的核心点为在实现工艺文件的电子化传输的同时，实现对工艺文件的规范化管理。模块的核心是处理现有已经以非结构化图纸文档形式存在的工艺文件，实现电子化的文档发放和文档管理，实现了如下的无纸化架构：

    在工艺编制阶段，仍以PLM系统为核心进行文件管理；在文件提交后，由无纸化处理系统将工艺文件按工序编号进行文件切分，转化为PDF文档。并再次将这些PDF文档提交PLM系统。

    生产管控系统在现有工艺过程的管理基础上，与PLM系统进行接口，将这些PDF文档与工艺过程进行对接，以便于在工位上进行调用。

    在生产过程中，通过工序卡片二维码，确定产品型号与工艺版本；采用设备类型确定工序，最终推送给操作者确定工序的工序卡片。

    为实现公司信息的受控，推动商业机密管理，管控系统在每一次推送工艺文件，或提供工艺文件查阅的同时，在文件上加唯一标识水印。该标识在后台数据库记录时间、查阅人、地点、计算机编码等日志信息。即便信息被外传，也可进行追溯。并将增加查阅人指纹验证功能。

    管控系统还增加对纸质文件的的管理，尤其是版本更新后的管理。通过记录打印纸质文件的人员信息，可实现对归还纸质文件的控制，并通过人员信息中的电话、邮件进行版本更新管理。

    无纸化还将引入电子文件控制。实现PLM系统无法实现的仅查阅、打印不允许保存功能；并对电子文件整合原有文件加密管理。从而在整体上进行商业机密管理。

    在无纸化查阅功能中，引入产品工艺文件版本、角色、时间、文件类型四维度权限控制，对PLM无法实现的权限，细化了控制粒度，进一步规范和约束，细化商业机密管理。

    3. 效益分析

    智能制造是以数字化技术、自动化技术与管理技术为基础的的生产信息化过程。作为提升企业生产力的软实力，智能车间已经成为WTB信息化建设重要方向。相对传统制造工业，虽然智能车间只是一种理想状态下的生产系统，但智能判断产品属性、生产成本、生产时间、物流管理、安全性、信赖性以及可持续性等要素，能够为每一个客户进行最优化的产品定制，并优化客户体验。在产能普遍过剩的情况下，客户化定制成为提升客户体验的重要筹码。客户化定制并不是仅仅局限在制造一途，客户全面参与到了产品的设计、制造、质量、设备等各个方面。在无锡透平叶片有限公司所在的电站设备、飞机发动机零部件领域，客户化定制上述要求更加明确，并形成了相对独特的体系要求。因此建设智能化车间，是以车间信息化为手段、自动化设备为基础的管理全面提升。