东方电气核心叶片的数字化工厂

东方电气不断在制造环节进行智能化升级改造。各个子公司根据自身产品和制造特点，不同程度地引入先进制造技术和信息技术，和生产管理业务相融合，积极推进智能制造发展战略。2015年获得科技部科技支撑计划——大型电站汽轮机叶片数字化车间关键技术研究与示范。2016年获得工信部智能制造新模式应用示范项目——大型清洁高效发电设备智能制造数字化车间建设。2017年获得四川省科技支撑项目——大型清洁高效电站锅炉高温高压部件智能制造项目。通过几年的智能制造发展，其制造过程更加自动化和柔性化、工人工作环境和劳动强度更加人性化、资源计划与消耗更加规范化、生产管理与决策更加科学化。

项目详细情况介绍

1、项目背景介绍

汽轮机是发电装备中热能转换为机械能的较重要的透平装备，叶片作为汽轮机的核心部件，其生产效率、生产成本和质量，将直接影响整个汽轮机的生产效率、生产成本以及性能。东方电气东方汽轮机叶片分厂是专业生产汽轮机叶片的基地，现有设备三百五十余台，数控设备达到90%以上，分厂主要负责汽轮机动叶片和静叶片的生产制造，在制产品种类达6000多种，所有任务均按项目进行生产。

生产痛点：叶片分厂生产的叶片是多品种小批量定制化生产的零件，其制造过程属于典型的离散制造，存在诸多痛点，比如叶片焊接抛磨工序工作环境恶劣，对工人伤害大；业务审批流程处理周期长，信息流转能力低下；研发设计与生产制造脱节，生产周期无法有效控制；生产制造过程不透明，无法及时进行资源计划和人员安排；产品出现质量问题，无法追溯，品质难以保障；分厂刀具库存信息化管理不完善，造成积压严重等问题。随着市场对产品个性化定制需求和生产效率要求的提高，这些生产制造中的痛点越来越严重制约企业快速发展。

工程需求：通过对东方汽轮机制造过程存在的问题进行分析，结合公司近期及远期发展战略，以及公司当前信息化建设的具体实际，提出了建设数字化制造系统的需要，具体需求如下：

1）关键工位的智能化升级改造。对车间焊接、抛磨等叶片制造过程的关键工位，采用机器视觉、机器人等技术进行装备的自动化和智能化升级，让工人脱离重复操作、存在潜在危险的环境。

2）获取生产设备运行状态。对车间生产设备进行集成，实现与设备之间的信息交互，对数控设备支持数控程序和加工参数的双向传输，对程序代码进行版本控制管理，对设备的运行状态信息能够实时采集并以图形化的方式展示以进行监控。

3）生产过程实时跟踪与信息采集。能够通过人机交互、条码扫描等多种方式实时采集生产线和相关工位的生产进度。关键生产过程状态信息采集后可以通过计算机网络和移动手机短信等多种方式实时传送给相关的管理人员，提高制定计划的效率和计划的准确性。

4）关键物料消耗信息实时采集和统计分析。根据物料管理的要求在生产线设置关键物料数据采集点，通过条码扫描和人机交互输入等方式输入物料消耗信息，并能根据需求生成相关的物料统计报表和分析报表。能实现关键物料针对现场库存的实时预警。

5）车间生产状态及异常情况实时显示和报送。实时采集生产线和相关工位因任务调整、设备故障、物料短缺，以及技术、质量和人员等原因造成生产线停线的异常事件，可以通过计算机网络、声光报警和移动手机短信等多种方式实时传送给相关管理人员，并可以将相关的车间生产状态信息实时通过电子大屏幕进行实时显示与更新；可通过图形化界面实时监控车间生产过程的动态运行情况（可异地远程观看）；可以通过计算机网络和移动手机短信等多种方式将关键生产状态信息实时传送给相关管理人员。

6）车间环境和能耗实施获取。建立车间环境监控网络，实时采集关键工位点和环境恶劣点的数据，及时在全厂显示和报警。

7）生产过程信息实时综合统计分析。能够根据管理的需求，产生各种车间生产状态分析查询和报表，如生产进度报表、质量报表、异常事件报表、设备使用率报表、设备能耗报表等，并可根据企业需求灵活定制所需统计和分析报表。

2、项目目标及实施原则

项目目标：

以东方汽轮机近期和长期发展战略目标为基点，结合东方汽轮机的生产特点，建立包括生产运行管理、设备集成运行支持等功能在内的数字化制造系统，实现生产过程透明化、生产管理精细化、生产控制实时化、生产决策科学化和生产过程绿色化的目标。

实施原则：

采用了以下4个原则进行东汽叶片分厂的数字化车间设计，具体包括：

①与东方汽轮机长远发展战略紧密结合。为了更好地推进企业数字化建设，东方汽轮机叶片数字化车间工程的规划应以技术创新为核心，以高新技术为手段，紧紧围绕企业长远战略目标。促进企业充分利用信息技术，加快以信息化带动工业化的进程，充分利用企业已有的投资，制定出符合企业实际情况的规划方案。

②技术前瞻性、方案可行性、系统实用性、实施指导性原则。总体规划应当指导企业今后相当长一段时间的信息化建设，因此选择的技术应具有一定的前瞻性；同时，规划还要立足现实，考虑企业现在的实际情况，因此，规划方案应具有良好的可行性和实施指导性，系统功能应以实用为主，不强调过分超前。

③可持续发展的原则。数字化制造是一个动态的进程，系统的实施过程是一个逐步调整和逐步扩充的过程。因此系统规划应特别重视软硬件系统的接口，重视整个系统建设和企业发展需求的协调同步，重视数字化制造建设对信息技术和先进制造技术等高新技术动态发展的适应性和兼容性。

④有所为有所不为、突出重点的原则。企业投入的资金、技术力量有限，根据企业发展和数字化制造现状，本规划将对在相当长一段时间内预计能够满足企业发展需要的生产和管理环节不作规划。

3、项目实施与应用情况详细介绍

1）规划方案

①整体规划方案

图1 整体方案

分析汽轮机叶片制造面临的问题，找出其中在设计、工艺、制造、服务等环节需要强化的点，基于上述4方面设计原则思想，重点设计出面向大型电站汽轮机叶片数字化车间集成应用系统方案，该方案立足于“基于三维数字化的叶片产品与工艺设计平台”、“基于机器人和传感系统的智能化焊接与抛磨应用平台”、“叶片制造数字化车间制造执行平台”以及“叶片MRO过程精细化管理平台”等四大平台系统的开发和建设，突破大型电站汽轮机叶片的设计与工艺、生产制造、管理服务等产品全生命周期核心业务智能制造技术，建立起一个面向大型电站汽轮机叶片数字化车间集成应用平台。

②系统架构

图2 系统架构

东方汽轮机已整体实施ERP（SAP）系统，对企业制造资源、采购、财务等进行整体管理，在叶片分厂实施MES模块作为车间执行层的管理系统，逐步实现并取代分厂现有EXCEL服务器现有的功能。如图3所示为叶片分厂数字化车间系统架构，打通现场控制、生产业务和企业管理三层脉络，通过设备采集和人机交互获取现场生产数据为MES提供支持；通过建设高效工业以太网保障数据传输；通过对关键制造资源进行统筹管理，精细化管理车间关键资源；通过引入工作流引擎，串联叶片分厂现有系统的业务逻辑；通过建设企业仪表盘和各类报表分析展示，在第一时间将车间动态反馈给生产指挥者，保障快速科学的做出决策。

③系统功能设计

图3 系统功能设计

根据汽轮机叶片实施数字化工厂的总体需求，规划的总体功能体系结构如图4所示。按照功能的管理目标进行划分，系统可分为5大的功能集合，具体包括系统管理、生产管理、生产资源管理、生产跟踪与追溯、设备集成运行支持和管理中心，每个功能集合包含了相应的功能模块和功能子模块。

2）实施应用

在东汽叶片分厂数字化车间实施中，东汽与集团中央研究院合作，将机器人技术、机器视觉技术、车间布局与物流仿真技术、三维虚拟现实技术、移动互联技术等先进科技技术与生产制造过程融合，重点针对叶片从设计、工艺、制造到服务的全生命周期中的关键环节，自主研发出12套智能装备与系统，进行了数字化布局与装备系统实施应用。具体实施内容如下：

图4 数字化车间布局实施内容

叶片数字化车间布局分为4个部分进行实施，具体包括智能装备、互联互通、生产管控以及价值数据等， 具体内容如下所示：

①智能装备部分。布局了机器人智能焊接装备、机器人智能抛磨装备以及全向物流智能配送装备。

自主研发的机器人智能焊接装备主要用于空心叶片的焊接工序，利用机器视觉，可针对不同的空心叶片进行自动装夹与焊接，有效减少焊接时间、提高空心叶片焊接成品率；

自主研发的机器人智能抛磨装备主要用于中小复杂曲面叶片的自动抛磨工序，减少人工抛磨作业，降低工人劳动强度和减少环境对工人的伤害；

自主研发的全向物流智能配送装备是基于麦克拉姆的自动物流系统，根据工位物料需求实现中小型叶片在关键工位点之间自动运输，提高整个车间的物流效率。

图5 机器人现场焊接 图6 中小叶片机器人抛磨

图7 全向AGV自动配送装备

②互联互通部分。布局了数控设备分布式数据采集与控制系统DNC、叶片编码与标刻识别系统、车间环境与能耗安全实时监控系统。

数控设备分布式数据采集与控制系统采用CAXA的DNC系统，用于车间加工设备状态和加工参数数据采集，进行设备能效统计分析，为生产计划、设备维护以及过程管理提供数据支持；

自主研发的叶片编码与标刻识别系统采用激光标刻二维码形式，在叶片叶柄处打标，叶片流转过程中使用扫描读写器进行标识，在车间制造执行系统中进行跟踪管理；

在东汽叶片分厂部署自主研发的车间环境与能耗安全实时监控系统，在具有废气、粉尘、高温等潜在危险区域安装部署8个环境监控点和能耗监控点，实时监控环境安全，及时发出危险警报，体现绿色制造和以人为本的理念。

图8 叶片编码与标识系统 图9 车间环境监控系统

③生产管控部分。实施了叶片全制作过程跟踪管理、叶片刀具全周期管理、叶片加工在线质量检测、生产制造执行过程管理MES以及供应链协同服务管理MOM等。

通过基于SAP深度定制开发出生产制造执行系统、叶片全制作过程跟踪系统、刀具全周期管理系统，完成叶片分厂核心业务信息化管理的目标，使得叶片分厂制造过程能够在系统中有效管控、查询以及跟踪，从而提高分厂的业务处理能力、物料管理能力、生产过程计划执行能力以及供应链协同服务能力；

部署了叶片五轴精加工机床装备接触式在线测量系统，用于加工过程中在线测量叶片复杂功能型面和关键装配面的加工精度，其系统测量精度与三坐标测量精度相当，有效解决了三坐标离线测量效率低、维护成本高、测量不及时等问题，提高了叶片机加的生产效率。

图10 叶片车间生产管控平台

图11 刀具信息管理系统

图12 供应链协同服务管理

④价值数据部分。布局了叶片三维设计工艺制造一体化平台、数据驱动虚拟车间系统、车间仪表盘以及生产业务移动交互等。

根据叶片设计制造特点，基于参数化理念，自主研发建立起叶片参数化快速建模子平台、三维工艺结构化模型构建子平台、参数化三维工艺模板以及虚拟制造仿真子平台，各个子平台之间明确唯一三维模型数据源和无缝对接的业务工作流程、操作规范，打通了叶片从设计、工艺、制造等环节的流转通道；

自主研发出叶片分厂数据驱动虚拟车间系统，通过与ERP系统、PLM系统、MES系统、MDC系统等业务系统的有效集成，在三维环境中实时呈现有价值的数据，包括现场设备的运行状态、计划完成情况、生产质量信息、环境温度数据以及原料、线边库、成品库等数据，为生产决策提供重要支撑；

自主搭建出一套车间仪表台，部署在车间监控中心，将生产车间中的各类管控数据进行了整理和统计分析，采用数据驱动的图形化展示技术及时展示车间库存情况、产线生产统计情况以及设备使用情况，实现生产订单进度、设备停机信息、NCR信息、环境监控信息、重点视频监控区域等可视化，有效提高叶片车间生产透明度；

基于BeX5开发平台自主研发出车间生产多角色人员参与的信息移动交互系统，采用移动APP方式进行数据交互，将生产中的关键数据及时传达到对应角色，实现数据的价值转化，图形化界面简洁，功能丰富，包括移动报工、首件检测、库存和在制品查询以及设备报修等功能，提高信息有效利用率。

图13 叶片分厂数据驱动虚拟车间系统

图14 叶片分厂设计工艺一体化平台

图15 叶片分厂移动交互系统

图16 叶片分厂车间控制中心仪表盘

3）数字化车间推进经验

在东汽叶片分厂数字化建设实施过程中，企业信息化数字化基础、项目管理协调、智能装备与生产工艺融合、以及核心数字化技术等是建设过程中的重点，面临的难点是：

企业的互联网基础设施缺乏整体规划；

根据系统集成需要，往往涉及到企业的方方面面，让所有部门级负责人甚至普通员工都能够从整体的角度考虑问题相当困难，变革或解决与现有业务的冲突有一定的难度；

数据安全性和保密性不够而带来的问题，这不仅影响企业的管理效率，同时也会给企业带来一定的经济损失。

根据上述问题采取了积极的应用策略。

项目产学研用合作模式。项目由东方汽轮机有限公司、东方电气集团公司以及中科院沈阳自动化研究所三家单位合作，合作各方将本着优势互补的原则，以市场为导向、以制造企业为主体、以高校科研机构和专业化企业为依托，在项目各个阶段发挥各自的长处，高效推进项目进展。

项目管理机制。建立了统一协调项目推进的项目组。合作单位之间签订目标责任书，指定各自要达到的任务目标，明确任务分工、明确各自职责，建立起分工合理、协调有力、运行高效的项目管理运行机制。

项目过程控制。建立以项目负责人为主要责任主体的项目管理机制，按照项目节点审查和考核的方式进行项目不断推进。为在要求的时间、成本及质量限度内完成各方都满意的项目范围，要重点对进度、质量和风险提出应对措施。然而项目执行过程中难免不出现各种影响项目执行的客观因素，只要出现任何会从根本上影响项目进度的范围变化，就更新整个基准计划，尤其当进度或预算偏差非常严重的时候，就重新制定基准计划以使绩效报告重新变得有意义。

项目协商机制。采用定期协商的协调方式使合作单位一起总结实施经验，共同解决实施过程中遇到的管理问题、技术问题以及其他问题。

4、效益分析

东汽叶片分厂数字化车间建设后，完成了内部信息化系统的集成、外部供应链的集成以及产品从设计、工艺、制造、服务的端到端的集成。叶片分厂的数字化制造能力显著提升，车间基本实现核心业务信息化管理，实现叶片产品全生命周期有效管控，实现了汽轮机叶片的批量化制造，加强了对设备、物流、质量的计算机管控能力，提高数控设备综合利用率15%，减少制造质量差错率20%，缩短制造周期10%，降低制造成本10%，产生显著的经济效益和社会效益。

同时提升了东汽叶片分厂的行业核心竞争力，促进了与GE、日立、三菱、阿尔斯通等国际著名跨国公司的合作，提升国外市场份额。

东汽叶片分厂形成了发电装备制造业叶片制造数字化车间示范基地，显著提高我国离散型企业的管理水平和制造水平，对增强离散型制造企业的透明化生产、提高产品质量、缩短产品的制造周期带来正面积极的影响。