宝胜集团有限公司电线电缆数字化工厂项目

杨泽元

（宝胜集团有限公司）

0 引言

宝胜集团有限公司 （以下简称 “宝胜集团”）隶属于中国航空工业集团有限公司，地处江苏省扬州市宝应县，成立于1985年，研发和营销中心位于上海市金山区和普陀区，生产中心位于江苏扬州市和宝应县，企业先后入选亚洲品牌500强、中国企业500强、中国制造业500强、中国机械工业100强、中国电子信息100强、江苏省企业100强，先后荣获了“全国五一劳动奖状”、“全国重信用、守合同企业”、“中国电器工业最具影响力品牌”、“中国电线电缆行业领军品牌”、中国电线电缆产业最具竞争力企业“十强”前三甲、江苏省地标型企业等称号。

目前，宝胜集团主要产业主要分为电线电缆、电工电气、智能技术、系统集成、物流服务五个板块，2017年实现开票销售319.2亿元，产销规模多年居国内同行业前列。企业同时拥有国家级企业技术中心、博士后科研工作站和院士工作站，从欧美、日本等国家引进了国际一流的主要生产、检测设备数百台（套），专业生产1000多个品种、近百万个规格的电线电缆、电缆材料、超导导体材料以及变压器、开关柜等电气产品，企业拥有100多个产品填补了国内空白，40多个产品被评为国家级新品，获得国家专利技术180多项，参与起草、编制国家及行业标准85项，取得了数百项省部级科研成果。

1 项目实施背景

1.1 市场概况

电线电缆广泛应用于电力系统、信息传输系统、机械设备仪器仪表系统、航空工业等。近年来，我国经济的持续快速增长，为电线电缆行业提供了巨大的市场空间。据不完全统计，我国目前拥有各类电线电缆生产企业7000余家，年产值在7000亿元左右。整个电缆行业处在一个历史转折点，由普通产业向重点产业转型、由低端产品向高端产品转型、由粗放管理向精细管理转型。

基于工业互联网的数字化工厂是数字化制造中关键环节之一，它主要解决企业生产管理的黑洞，提高内部生产协作效率，提高资源利用率，降低能耗，稳定生产过程，提高生产质量，规范物料管理等。

1.2 项目必要性

目前电线电缆制造企业主要存在的问题包括：排产不科学，不能有效识别瓶颈工序，导致产能损失；生产调度困难，经常由于插单等异常生产行为导致生产现场混乱；生产不连续，导致设备调试时间居高不下，浪费严重；现场问题反应滞后，问题处理不及时；工时、质量、绩效，完工信息滞后不准；设备状态，质量信息，工艺参数无法有效收集、导致不能对数据进行正确分析以及预测。

2 项目主要做法

2.1 创新的目标

（1）系统功能目标

面向均衡化混流生产的作业排产计划与控制与产品设计信息关联的生产实时工艺管控拉动式物料集成管理以 “可靠、高效、节能”为目标的设备管理生产现场过程各要素综合管控生产全程质量管控3D虚拟工厂环境下的生产过程实时智能监控面向异构设备／系统的设备联网与数据采集智能个人移动APP应用与周边系统信息集成电线电缆生产过程大数据分析。

（2）系统应用目标

短期目标：立足于宝胜特种电缆项目，在宝胜集团其它事业部应用推广，借助宝胜集团的行业领先优势，树立电线电缆行业数字工厂方案实施标杆企业；

中期目标：以宝胜集团为示范企业，在全国范围内推广到其它电线电缆制造企业，选择有条件的2－3家大型企业进行方案的落地；

长期应用目标：推广到国内主要电线电缆制造企业，成为电线电缆行业的标准数字工厂解决方案。

2.2 创新内容及关键技术

（1）基于工业互联网的电线电缆制造全过程智能管控

一是面向均衡化混流生产的作业排产计划与控制

电线电缆企业产品具有多型号、多品种、多状态、变批量、短周期、高可靠的特点，对加工提出了更高的要求。尽管引入了一些先进的自动化生产线用于产品高精度加工，但某些环节仍然没有按照精益生产模式进行组织，大多数在生产过程中原材料浪费严重，设备利用不充分不均衡。本项目将从三个层次进行研发，即计划排产优化、设备选用策略制定、生产进程监控与实时调度，从全局及系统出发，以均衡化混线生产为目标，进行各种资源的合理配置，利用闭环的反馈机制进行合理规划及优化，节约资源，绿色生产。

二是与产品设计信息关联的生产实时工艺管控

针对电线电缆生产特征和加工参数等信息，将产品加工所需的参数数据、标准、工艺规程和相关信息连同调度作业指令一起送达相应的数控设备，并记录加工过程。同时根据产品数模，结合具体产品的生产标准，形成一套行之有效的工艺规格标准管理，以满足具体的生产需求。

三是拉动式物料集成管理

实现拉动式配料，基本原则为按照计划，分时、分批小批量供料；结合生产实际状况，实时调整送料批量；灵活定义物流路线，实现供应链的全覆盖；灵活定义送料策略，不同种类材料不同送料频次；与自动物流设备无缝集成，实现精准配送；库存管理，发货管理。研发内容包括物料需求计划、物流跟踪和信息处理、物料集成管理与智能配送。

四是以 “可靠、高效、节能”为目标的设备管理

实现 “可靠、高效、节能”综合最优的设备管理理念，生产线采用全集成自动化技术，系统将来自多家制造商的设备集成到一起，以 “可靠、高效、节能”综合最优为设备管理理念，实现设备集成监控和智能维护维修。

五是生产现场过程各要素综合管控

系统根据机台排产计划，下发任务到机台，来指导工厂作业流程。研发内容包括：作业任务受理、生产线资源管理、在制品进度管理、生产异常管理、作业数据采集、现场库存管理等。

图1 项目研究内容逻辑关系

六是生产全程质量管控

电缆产品质量要求高，通过实时监视和可视化实现产品和过程之间的联系实现从客户返修到成品批次、到生产过程、到原材料供应整个的产品生命周期的信息监控和追溯。对各个车间的质量检测设备进行准时校准，同时根据质量检测标准，对各车间采集的质检数据进行上下游车间／供应商关联分析，指导生产以保证生产环节良好的质量控制和确定生产中需要注意的问题，帮助操作人员提高生产操作水平、控制影响产品质量的参数，及时发现并终止不合理的加工。当过程发生变化 （人、机、料、法、环、测）系统自动提醒，实现全程监控、在线统计、缺陷追溯，为提高产品质量控制提供支持。

（2）3D虚拟工厂环境下的生产过程实时智能监控

对电线电缆生产全过程基于3D虚拟工厂环境，通过与数据采集模块接口，将生产现场的设备加工参数、人员信息、计划执行情况等数据，在3D虚拟工厂中进行直观展现。管理人员和操作人员通过监控屏幕、PC机以及智能终端，可以一目了然地知道工厂生产运行情况，实现生产全过程的跟踪与反馈。研发内容包括计划执行监控、工艺参数监控、设备状态监控、人员监控、质量监控、异常事件监控。

（3）面向异构设备／系统的设备联网与数据采集

系统将各类异构设备进行联网，在此基础上进行数据采集，从可编程控制器、各种数据采集卡等各类异构现场设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常。

一是基于工业互联网的设备互联。

考虑多样性设备支持、大规模实时数据采集，开发部署成本和易维护性，选用第三方Wonderware平台，即WW平台。WW底层数据采集支持任何第三方数据，兼容工业OPC通信方式，支持1000多种典型的不同品牌的控制器，使得数据到达设备层面轻而易举，使各类异构设备的联网变得非常容易。同时，为了保持系统一致性，对这些设备全部进行系统升级改造，以满足上层系统信息交换要求。

二是生产现场数据采集。

设备状态数据采集、物料数据采集、生产过程质量数据采集、人员信息采集。

三是实时数据处理与分析

只有数据变化时才存入数据库中，减少数据存储量；实时数据采集上来之后，如果有特殊用途，可以马上处理。

四是与上层应用的通讯

现场生产设备来自多个厂家，各自遵循不同的协议接口，上层应用如何与各种设备进行通讯是需要解决问题：工艺参数下发、现场报警处理、现场采集数据分析与使用。

（4）与周边信息系统协同集成

数字工厂需要与周边信息系统进行数据交互，包括与PLM、ERP、SCM等系统集成。数字工厂提供外部系统接口的功能模块，与外系统主要通过WEB服务和数据库直连两种方式交换数据。

一是与PLM系统集成

PLM为数字工厂主要提供产品基础信息、工艺流程信息、设备信息、物料信息、工装信息，质量信息等，数字工厂根据实际生产情况，为PLM传回设备加工效率，人员效率，实际质量检测值，实际运行工艺参数值等。

二是与ERP系统集成

ERP主要提供主生产计划信息，指导车间按订单生产。而数字工厂主要向ERP反馈制造执行情况，更新订单、财务等信息。

三是与供应链管理系统集成

与供应商管理系统集成：系统根据生产计划生成物料的采购计划，或者根据设备的运维周期生成备件采购计划，通过工业互联网，自动发送到系统设定的合格供应商。系统根据供应商反馈情况，跟踪计划处理进度，一旦处理异常，系统自动启动应急预案。

（5）电线电缆生产过程大数据分析基于物料谱系的产品全周期追溯包括主要的追溯有：

成品追溯物料：成品号＞成品生产序列号＞生产日期＞某车间物料接收日期＞物料包装条码＞供应商批次条码

物料追溯成品：供应商批次条码＞物料包装条码＞某车间物料接收日期＞生产日期＞产品生产序列号＞成品号

2.3 主要解决的关键问题

（1）生产全过程智能管控方面

一是作业排产计划与控制：

系统根据加工历史数据分析出同类产品在所有备选设备交付质量最好的设备，并考虑工艺因素、交货期因素等。综合评定工序使用最优设备。并提供良好的人机交互过程中，使系统不断学习，更新最优策略。

二是与产品设计信息关联的生产实时工艺管控：

系统需要解决的问题是如何实现工艺参数的下发与采集，系统引入第三方数采平台，经过配置和二次开发，在保证数据一致性、及时性的前提下，采用OPC服务与JDBC链接混合使用的方式，解决了该问 题。工艺参数下发和采集序列图如下所示：

图2 工艺参数下发和采集序列图

（2）3D虚拟工厂环境下的生产过程实时智能监控方面

虚拟场景下监控性能问题：一方面是模型的优化。另一方面是数据的响应速度上做优化，系统采用缓存，预先计算等方式，保证接口的数据查询速度。

虚拟场景下的人员定位问题：系统需要获取现场操作人员的准确位置信息，才可以将现实中的情况如实反映到虚拟世界中。

（3）各种异构设备与应用的通讯

在本项目中，设备来自多个厂家，各自有遵循不同的协议接口，并且采集数据放在不同的端口中，如何与各种设备进行通讯，并且保留强大的扩展性也是项目需要解决的关键技术。经过分析，通讯接口主要包括以下几方面：工艺参数下发、警报开启、数采数据接收、现场报警处理。

一是工艺参数下发：

生产管控应用程序将参数内容值写入接口数据库，并且通过OPC客户端程序发出信号。数采平台异步抓取接口库中的数据，写入设备参数下发缓冲区中。在每台设备上，工控软件经过二次改造都可以读取下发缓冲区中的最新参数，然后现场工人确认后，直接下发到实际的物理机台特定端口上。整个过程通过异步的方式，实现工艺参数的下发。

二是警报开启：

通过客户端程序，通知数采平台可以开始报警了，数采平台检测到信号后，开始比较参数要求值与实际值，一旦超限，触发内部报警处理流程。

三是现场报警处理：

数采平台产生报警后 （包括工艺参数报警，设备报警），将数据立即写入自带报警库中。上层生产过程管控软件的守护进程检测到新的报警记录，立即启动报警处理流程，生成事件，发送消息通知相关人员。

四是数采数据接收：

接收数采数据有两种方法，第一种通过OPC客户端读取，第二种通过应用程序访问数采平台自带实时库。由于数据量大，访问频繁，使用第一种方法需要频繁建立连接和释放连接，所以不适合本项目。所以采用第二种方式，直接访问实时数据库。可以一次批量查询出多个参数的值，速度和实时性上都可以满足要求。

（4）智能个人移动APP应用

在个人移动APP应用中，主要解决数据安全性以及程序易用性的问题。在安全性方面，可以通过移动设备绑定、密码验证、安全备份、敏感数据分离、安装防病毒软件等手段解决。在程序易用性方面，首先是需要提高页面打开速度，采用缓存、静态页面优化、数据抓取逻辑调优等技术手段实现。其次是让应用更加简单易于操作，优化页面布局，充分考虑用户使用习惯。

（5）数据分析方面

数据内在关系的建立：数据分析首先要解决的问题是底层数据关联如何建立。系统中，通过如下方式建立内在关系：

在下图中，通过这条主线使数据串接起来：产品工序＜－＞产品工艺＜－＞产品信息＜－＞客户生产订单明细＜－＞订单工序任务分解＜－＞订单任务＜－＞生产单＜－＞报工单＜－＞设备信息＜－＞实际投入物料＜－＞物料信息。

图3 数据内在关系图

2.4 技术路线

图4 应用总体架构框图

3 结束语

本项目为国内首创的电线电缆行业数字化工厂，通过自主创新，实现电线电缆制造全过程智能管控、3D虚拟工厂环境下的生产过程实时智能监控、面向异构设备／系统的设备联网与数据采集、智能个人移动应用、与周边系统协同集成、生产过程大数据分析等智能制造核心技术，能够使设计与制造协同，使生产管理透明化，使工艺质量及时监控，使设备集中管理与监控，使设备维护与维修得到保障，保证全生产过程工艺参数控制与采集，提供数据后期分析等。有效解决车间信息黑洞，提高资源利用率，稳定生产过程，提高生产质量，提升企业的竞争力，加速企业转型升级。