一、前言
安徽华菱汽车有限公司是华菱星马汽车（集团）股份有限公司的全资子公司，是一家以研发、生产和销售重型商用汽车及发动机、变速箱、车桥等核心零部件为主的大型国有企业，位于安徽省马鞍山市经济技术开发区。华菱汽车现有员工2045人，其中工程技术人员708人；厂区占地面积300万平方米，拥有国内一流的重型商用车和发动机生产线，总资产64.6亿元。公司具有年产6万辆重型载货车及专用车底盘、5万台大功率发动机和15万根车桥的生产能力。
华菱星马投资15.2亿元于2012年建成了具有国际领先水平的安徽华菱汽车有限公司发动机分公司（以下简称“发动机公司”），设计年产能为5万台，工艺设备先进，主要设备均选用德国恒轮(HELLER)、格劳博（GROB）、ABB等国际顶尖品牌。运用新一代网络信息技术的应用，覆盖产品全生命周期的各种数据采集和分析，形成以智能设计、智能经营、智能生产、智能服务为核心功能模块的智能制造体系，建立起包含ERP、PMC、PLM、MES、WMS等多种智能化信息系统平台，整个生产系统真正实现了柔性化、自动化、智能化和信息化。打造具有国内领先水平的发动机智能工厂，产品具有国际一流品质。
其中节能环保大功率发动机智能工厂项目参与申报国家工信部2017年智能制造专项获批，并在同年被国家工信部认定为中国智能制造试点示范企业，此项目前期也被中国机械制造工艺协会评为《中国机械制造工艺科技成果一等奖》等，同时公司在设备管理方面多次荣获汽车行业设备管理协会的多项殊荣。
二、实施背景
行业内许多公司总用老思维去管理设备，管理过程中有纸质文本也有电子文本，不能有效集成，数据容易丢失，即使记录了大量的数据和内容也只是放着，没有能力和平台对其进行汇总整理和有效分析，还是凭经验干活，没有有效的科学的指导性数据进行支持。设备的具体运行状态也比较模糊，无法具体到每一个细节，粗放的管理模式。
外面环境看，近些年来我国不断推行中国制造2025的制造发展理念战略，强调制造业的智能制造水平的提升，做到信息化数字化，生产出来的产品和生产流程等关键内容要做数字双胞胎，同样设备的管理也要有数字双胞胎。
从自身角度出发，发动机工厂从建立起不断迅猛发展，产量也不断攀升，企业要求制造出的产品要具有高水平，所有制造产品的设备也是高水平、世界一流的，更要用高水平和信息化的创新先进思路进行设备管理。
相比同行业中，特别是与现有的国外同类型公司比较，华菱汽车发动机分公司（以下简称“发动机公司”）在主要功能模块和数据收集中已基本完成，只是在功能的细节上仍需完善，需要长时间和大数据的积累，来进行科学有效的分析和指导。
计划通过项目在发动机工厂实际应用，从源头上有效的实现设备的最优管理，提高产品质量和生产效率，降低不合格率从而有效的降低了生产损耗成本，降低设备投资，减少设备停机率故障率，建立起电子查询、远程管理、无纸化办公等现代化办公模式同时系统也对设备实施监控、采集、管理，分析设备故障率停机率，辅助设备管理人员加强设备管理，设备预防性维护，进行针对性的维修及备件采购，降低设备管理、备件采购的成本。
三、创新成果的内涵和做法
（一）创新成果的内涵
本项目成果以发动机智能制造工厂的设备软硬件为基础，通过新一代RFID信息传输技术、物联网、大数据分析等技术的应用，实现覆盖产品制造全生命周期的数据采集、管理和分析，MES应用（设备监控PMC、数据采集及分析、 OEE管理）、EAM系统应用（利用采集数据分析进行预防性维修、检修计划制定、备件管理等）、设备配电SCADA及能源管理、设备运行温湿度监控系统、设备现场运行数据（振动、温度、噪音油品检测等）采集分析等，并融合设备状态及维护检测等技术，通过构建安全的工业网络实现各系统集成，建立发动机动力总成智能制造工厂的整体设备管理信息化构架，形成了一整套完备的节能环保大功率发动机智能工厂解决方案，充分保证了该成果的可复制性和可推广性，最终提升了发动机公司产品的核心竞争力。
图1.发动机智能工厂的设备管理信息化平台
（一）创新成果的具体实施
1. 设备系统信息化接口统一和标准化
发动机工厂项目建设内容涵盖机加工、总装、热试和涂装四大工艺车间以及物流配送系统。机加工车间配置全套德国进口卧式加工单元和桁架机械手及辅助装配设备，需全方位满足多型号毛坯连续混线加工要求；总装车间由国际集成商实施，具体由内装线、外装线、缸盖线、活塞连杆分装线等四大线组成，由AGV小车转运，所有零部件进行二维码扫描防错，需要满足柔性化多机型混线连续生产要求；热试车间由测试预装线及测试台架线组成，两条线之间通过无线激光导引AGV自行小车自动转运并形成完整的测试工艺系统；涂装车间由涂装线、后整理线、输调漆系统、消防系统等设备系统组成，具备系统的联锁控制功能。
通过对发动机工厂各厂家设备的技术要求进行统一策划和要求，发动机公司创新的提出了设备信息化数据接口以及接口的统一性和标准化，最终实现对整个发动机工厂的产品数据采集、设备运行状态监控、质量管理控制等多种功能，系统通过与ERP系统对接，直接下达生产订单BOM到生产线，各工位通过二维码扫描技术实时进行加工装配的零部比对防错识别，同时实时采集记录生产中质量信息及其他相关重要数据，在产品下线时形成完整的电子产品档案，建立起产品及设备的大数据库，并依据生产线所有数据实时形成各种报表，自动记录产品和质量信息形成完整的产品档案，最终实现产品质量追溯；并通过对设备在线监控，OEE分析，优化生产节拍，降低设备投资，减少设备停机率故障率，提高生产效率；实现网络终端查询、远程管理、无纸化生产组织的功能；在发动机工厂建立起一套完整的现代化智能化生产信息自动化系统。
发动机公司对所有设备信息化接口进行统一定义，并提供给设备厂家，具体包含内容如下：设备状态、ANDON信息、零部件信息、质量数据信息、机床刀具寿命信息等信息进行准确的信息描述、符号、数据功能描述、数据类型以及地址进行定义，并对通讯方式和通信地址进行统一规划和分配。同时对设备层的EPS（Error Proofing System:防错系统）系统控制策略进行技术规范，从而搭建起设备层基础数据的通用化标准，为工厂上层管理系统的开发做好准备。
图2.设备底层控制系统信息化接口表
2. 工业网络规划和建设
发动机工厂配有整体工业换型以太网络，从系统硬件角度分为四个层次：硬件拓扑、功能支撑、web应用、系统安全。
硬件拓扑层:首先通过profibus_DP等现场总线技术将区域PLC、专机设备等进行组态，区域与区域、主控PLC与区域PLC、工控机与区域PLC则通过以太网通讯，区域PLC配置有RFID、报警灯、音乐响等元器件，可用于获取产品信息，同时可以对测试过程异常进行及时提醒及处理；工控机连接有一维、二维扫描枪，主要用于产品编码识别等功能；台架管理系统底层监控程序实时与区域PLC交互，调用数据库组态信息，输出测试工艺参数，指示测试过程；同时采集测试数据、异常信息等，并将其存储至数据库或文件中，以便后期追溯与分析。
功能支撑层:针对台架管理系统功能配置的相应的执行硬件，主要包括服务器群、信息发布平台、可视化管理、质量管理与控制、信息发布平台、信息推送，手机APP等，通过以太网,实现测试过程的实时监控。
Web应用层:将测试过程实时信息发布，测试过程中台架管理系统与上层系统交互，同时可通过PC、手机等硬件查询测试的实时情况，并对测试数据进行报表统计。
系统安全层:通过入侵防御系统、相关杀毒软件，数据保护软件等，保证系统交互信息的安全性，保障各设备系统的安全性、可靠性、稳定性。
3.设备信息化管理系统的集成
（1）MES信息化管理系统
建立设备互联互通工程数据总线，将工程数据总线服务的设备互联互通技术，实现产品装配、测试时对数据、MES信息的融合与协同。通过实现对智能检测及装配装备、智能物流与仓储系统的数字化连接，构建智能化的制造执行系统（MES），并最终实现MES系统与上层ERP系统的对接，实现智能生产控制。其中包含数字化工厂建模、计划排程智能化、物流配送信息化，制程管控智能化、测试数据智能化、维修管理智能化、质量计划智能化、过程质量智能化、成品检验智能化、文档管理自动化、数据采集技术智能化、生产管理可视化。
图3.工厂MES系统架构图
图4.MES信息化系统硬件网络架构图
该MES系统全面支持发动机工厂全工序过程的自动化、实时化、信息化、智能化管理，基础数据管理、生产计划和排程管理、设备监控管理、需求计划管理、物资采购管理、物流管理、仓库管理、质量管理、财务接口管理、刀具管理、设备备件管理、生产监控看板、报表管理、WEB查询功能。
图5. 发动机产品质量档案
图6.发动机产品装配信息数据
（2）EAM设备管理系统
该系统通过网络发布供网络内的人员使用，含有个性功能、前期管理、资产管理、运行管理、维护管理、维修管理、备件材料等几大主要功能。
前期对整个工厂的设备信息做了完善的统计，便于查询。
图7.前期管理和资产管理
运行管理和维护管理提供了定期点检和维护保养项目。根据设定的周期提前一周提醒设备管理人员，哪些设备哪些项目需要检修保养，并一键式出任务单。为有效实现预防预见性维修提供了有力的保障，将设备故障消灭在萌芽阶段，大大的降低了设备故障率，缩短了停机时间，有效的提高了设备利用率和生产效率。
图8. 点检维护保养提醒及计划单
维修管理主要是将日常的维修做详细的记录，将维修记录进行整合，对维修的长期记录进行分析统计实现了同机型维修方案和维修作业技术知识库。任何一个人拥有连入网路的电脑或移动设备，拥有登录名及密码均可快速的在系统中通过多元化的条件查询到设备故障及处理方法，实现了维修资源的云共享；企业维修组织的网络化；维修策略优化与远程专家支持；基于大数据的智能故障诊断和分析；支持维修大数据应用的设备功能；同机型维修方案和维修作业技术知识云共享等。
图9.维修信息管理
备件材料管理有效的记录了备件的入库时间、出库时间、目前的库存情况。可通过相关信息直接查询到备件库中是否有此备件，货架号多少，大大的节约了维修的时间。并且对于低库存的备件按照设定数量的上下限进行提醒，有效的保证了维修时备件的供应。
图10.备件材料管理
检维修受控体系和设备功能、性能及精度、维修知识库的建立，实现工厂维修战略转型的核心和关键，是建立基于生产单元的设备关键功能部位的功能、性能及精度、维修知识库。
图11.设备故障风险分析与预防措施知识库
检维修受控体系和维修知识库的建立，不仅是面向生产单元的设备管理数据采集、分析及维修智能决策的业务基础，也是设备（尤其是智能装备）可保持稳定、可靠、高效、安全运行的技术基础，更是建立智能装备运行故障及异常问题的精确的动态维修反应机制的起点和突破点。
（3）设备运行温湿度监控系统
发动机制造工厂对其制造过程中的设备及工艺技术要求也日益提高，但生产出来的产品如何具备世界先进的质量水平，光有先进的制造设备和工艺技术往往是不够的，其中温湿度环境是关系到高精度产品加工和装配高水平质量要求的重要因素，各生产线关键工艺过程的稳定、可靠性以及高精密、高价值在制品的储存等也均对制造环境的温度、湿度提出了极为严苛的要求，因此对制造过程设备运行温湿度环境的智能调控也得到各制造厂普遍的重视，并对制造过程质量控制发挥着越来越重要的作用。
为此，发动机公司结合工厂建设，为保证工厂内环境因素的把控，保障高精度的设备稳定的工作环境，制造世界一流的高品质产品，率先在其重型发动机工厂内建立起一套智能化的温湿度调控系统。
系统进行无线立体化监控布局，现场采用Zigbee无线网络技术，采用由点到面，由面到体的无线温湿度传感器立体化布置，通过构建检测网络对工厂的环境状态进行数据采集。因采用了此项技术，在实际应用中，可根据需要不断扩充、升级，并随意调整传感器高度和位置，仅需改变设置即可，无需重新布线或增加硬件接口等大量成本投入，减少后期维护改造成本投入。
图12.系统无线网络通信架构图
在无线传感器网络基础上，无线温湿度传感器与无线收发器基站之间采用802.15.4点对点协议，基站之间采用Zigbee网络。实时采集温湿度状况，在一定区域设置基站，进行汇总和积算，实时通过无线方式收集发送基站内所有温湿度点情况至系统主基站，主服务器与主基站有线连接，对采集上来的数据进行存储汇总分析。这样新型的网络架构更为安全可靠，对系统外其他无线传输网络不造成干扰，也保证自身系统无线网络不受到外界信号的干扰（如图1）。
温湿度智能调控系统在软件层面采用多平台联动机制，系统软件平台分有数据采集平台、应用处理平台、统计分析决策平台和整理存储访问平台：
数据采集平台：完成对温湿度环境数据的安全采集和系统内设备的故障诊断分析，并将数据向其他平台转发。
应用处理平台：完成对传感器采集网络层上报数据的分析、统计和预警等功能，设可视化界面方便管理人员查询管理。
统计分析决策平台：对应用处理平台处理后的数据进行统计分析、并提出决策支持，与空调系统联动智能调控工厂区域温湿度，并将温湿度环境信息反馈给关键设备进行温度补偿。
整理存储访问平台：对整个系统进行记录，包括数据、操作、命令等，实时进行归纳整理、实现公司平台的云存储和管理人员的多客户端远程访问。
利用现代计算机图形和数据库技术来处理地理空间，并融合地理学、计算机科学和应用对象等为一体，将系统中各关键设备位置与空间事物的地理位置及其特征有机地结合在一起，并通过计算机屏幕形象、直观地显示出来（如图3）。
图13.地理信息系统界面（局部图）
通过环境地理图像显示功能，可以使管理人员在不亲临现场的情况下，能直观地认识和掌握本地区的系统运行状况和工厂温湿度环境情况；实现各个监测点的查询定位和温湿度报警查询；查看系统内各设备的运行状况等，同时将工厂在线监控的各项数据和实际的区域信息结合起来，实现现场区域情况与环境数据信息的衔接，实现分析、对比、报警等高级查询和空调系统区域精准控制。
利用数据库技术对各数据进行存储、建模，并可按需求，从不同角度对在线监控数据进行统计分析，结果以直观、精练的图表形式展现，并输出日报表、月报表、季报表等。
可随时查看实时监控数据和历史数据；系统将历史数据自动分析入库，生成工厂状态变化趋势，帮助预测工厂环境发展；并定期清理无用历史数据；可查看历史报警信息和报警处理情况，及时了解工厂运行状况和各类报警消除情况；系统配置接口，满足各种报表可通过excel或其他格式进行导入导出的操作，用于备份、导出查阅等；将采集的温湿度数据通过编制方法结合实际工艺要求汇总整理形成报表系统，至少有数值、曲线、表格、直方图等形式直观、清晰的了解环境状况变化趋势，帮助员工和管理者更直观的了解温湿度趋势。
系统把所有的抽象的数据转换为用户容易理解的图形、线条、形状等方式，结合地理图像显示系统，直观的在监控界面上显示；管理人员可通过终端系统远程查询系统中各传感器地理位置信息，能直观地认识和掌握各区域的环境要素和工厂运行情况；帮助更好的展现数据统计分析、管理、报表功能；进行数据云存储，实现后期进行产品与温湿度趋势变化影响提供大数据分析依据。
图14.设备运行温湿度曲线分析界面
空调系统根据采集分析的各区域温湿度情况进行智能调控，根据设置或是智能分析保证工厂内各区域需要的温湿度状态，并保证恒温恒湿；同时根据温湿度历史曲线分析智能控制空调系统做到实时调整，以达到节能降耗的目的。
温湿度与发动机制造工厂中的关键设备（例如进口CNC加工中心等）进行网络连接，加工中心自带的温度补偿系统，可根据车间温湿度系统所反馈的实时环境温度对设备的加工及装配工艺进行调整；在测量设备上也根据系统反馈的环境温度实时情况，对测量工作进行自动修正，保证了加工和装配工艺的质量水平，也对测量的可靠性提供了坚实的保证。
温湿度监控系统联动空调系统保障了车间各个区域的温湿度环境质量，有效的提高了产品加工过程和装配过程的合格率，极大降低了因外界环境因素导致产品的报废率，降低了不合格件生产及返工的生产浪费，节约了内部损失，提高了生产效率，降低了生产成本。同时工厂温湿度环境的保证，也使得加工出来的产品和需要装配的零部件，可直接在现场存储，减少了零部件锈蚀损失，也降低了物流来回倒运的人力物力；并且系统对空调系统进行智能调控既为员工提供舒适和健康的工作环境，又能依据实时状况使得空调系统做到节能降耗。
（4）设备SCADA能源管理系统
本次项目同时基于SCADA系统开发设计了一套设备能源管理及监控系统。本系统应用于对发动机制造工厂生产过程中发生的各种能源消耗进行实时数据采集及成本分析计算，通过对能源消耗的用量分析和成本分析来达到成本控制目的，有效的配合发动机公司的GB/T23331能源管理体系的取证工作。
系统主要采集和监控各车间的水、电、气（含天然气）等方面的用量数据。采用多层分布式总线网络结构，现场出入口出的检测仪表的信号通过总线协议上传至各车间仪表柜中的AB PLC控制分站，再通过Ethernet将各控制分站数据上传至系统数据服务器中，进行统计、分析和管理。
本系统具有：能源数据采集、能源消耗实时监控、系统的软件、硬件网络及架构、能源消耗数据统计分析等功能，其主要内容以下：
能源数据采集网络：能源数据分布在各车间和公用设施间，分布比较分散，在每个车间及空压站、锅炉房等各设置一套带以太网通讯的PLC，每个车间多个仪表箱的信号接入到PLC， PLC通过以太网电缆接入车间工业以太网，能源管理系统通过车间工业以太网采集能源数据。
由于工厂压缩空气、工业循环水等公用自生能源制备输送都需要由电力消耗而产生，所以各设备用电数据的正确采集归纳及分析是该管理系统成功的关键。
本系统集成了一套设备运行电力数据SCADA监控采集系统，直接采集各个车间及动力站房的供配电系统和按照工艺划分的主要生产设备（电表的数量依据需求设置），具体包括电度、电流、功率消耗等的电力数据。
图15.设备电力运行曲线监控界面
本系统采用以图形化的方式展示能源系统的实时数据、实时流程图、能源系统分析图表、能源系统管理报表。各车间能耗实时数据采集及监控、历史数据查询、车间成本分析、车间成本变化趋势、车间综合成本分析。
图16.车间能耗统计分析
系统通过能源消耗和生产产量等数据进行对比分析，实现了公司级的纵向成本统计、纵向成本比较、横向成本比较、综合成本分析。
动态成本计算及分析。能源管理系统具备把能源消耗根据实际市场价格进行实时计算，并且基于每一个时段（班、日、月）动态分配到每个产品上从而提供每个车间、每个班组、每个工人的实时生产成本。
四、实施效果
1.管理水平
本项目经过在华菱公司发动机工厂实际应用，从源头上有效的实现了发动机产品的质量追踪控制和生产最优管理，提高了产品质量和生产效率，降低了不合格率从而有效的降低了生产损耗成本，降低设备投资，减少设备停机率故障率，建立起电子查询、远程管理、无纸化办公等现代化办公模式。
2.经济效益
在业内，该项目基本达到了“中国制造2025”的理念，满足了现代大功率发动机工厂对多品种柔性化智能化共线生产需求，提高了工厂现代化信息化智能制造水平，进行了生产组织控制优化，稳定并提高了产品质量，加强了产品质量追溯能力，减少了人力资源的投入，降低了工厂运行成本、生产成本和设备投资近两亿元。
通过项目的实施使得生产效率提高约15%，生产运营成本降低13.78%，单位产值能耗降低18.93%，同时项目也对设备实施监控、采集、管理，分析设备故障率停机率，辅助设备管理人员加强设备管理，设备预防性维护，进行针对性的维修及备件采购，降低设备管理、备件采购的成本。近一年每月的设备备件采购和出库情况基本稳定，紧急维修采购次数和金额下降40%以上，其中每两到三个月及时进行补库入库，补库的费用稳定在基准值20%上下，同时备件的准确率得到明显提高。
图17.设备备件的出入库情况趋势图
设备运行能源管理系统每月及时统计数据，并进行分析，找出主要能耗设备，针对性制定设备节能措施，有效降低设备能耗。2015年与2016年对比，单台发动机用电量下降480kWh/台。2016年与2017年上半年同比，单台发动机节约用电约97.6kWh/台，按照电费平均1元/kWh及2万台/年计算，节约成本约200万元/年。
图19.单台发动机能耗统计趋势图
3.社会效益
目前该成果处于行业内领先地位，也是发动机制造行业的未来的发展方向。我国现有大功率发动机智能化制造水平大多处于起步阶段，存在大量的市场空间进行智能工厂的推广应用。
同时该成果获国家工信部项目3个，荣获《中国机械制造工艺科技成果一等奖》1次，在中文核心期刊发表专业论文3篇，华菱汽车公司科学技术奖3项，荣获中国设备管理协会《设备管理优秀单位》2次，获安徽省设备管理协会《设备管理优秀单位》1次。
此项目创新管理成果形成发动机公司智能工厂的通用建设标准，并输出如下技术成果：自主可用的标准的软件、智能检测与装配装备、工业网络、智能化数据采集、标准化设备通讯服务等，该成果具备可复制性和可推广性，推动发动机制造行业智能工厂设备管理水平的提高和发展。
五、附件
（一）主要论文:
1.《基于RFID技术的动力总成装配线控制系统的设计》.制造业自动化,2014,(10)
2.《以DCS为核心的生产信息自动化系统在汽车工厂的应用》.制造业自动化,2013,(7)
3.《温湿度智能调控系统在动力总成工厂的开发及应用》.自动化应用,2017,(4)
4.《过程能力验证中的异常特性点分析》.2016年中国汽车工程学会年会论文集
5.《自动调整气门间隙在发动机制造领域的应用》.2016年全国机电企业年会发布
（二）主要获批项目：
1.“基于模型定义的机械产品设计工艺一体化标准研究与试验验证”项目的联合体单位---2017年，国家工信部；
2.“节能环保大功率发动机智能工厂新模式应用项目”牵头单位---2017年，工信部；
3.“2017年制造业与互联网融合发展试点示范项目”企业---2017年，工信部
