勇于创新，厚积薄发

文/贾亚莉·FM 记者

智能制造是全世界都在思考的工业变革，包括美国的重振制造业计划，德国的工业4.0，欧盟的第七框架地平线2020 计划，日本的I-JAPAN 战略，以及我国的“中国制造2025”。智能制造推进了锻造行业的洗牌，一些小微型企业在制造装备、产品质量、生产能耗、生产效率方面都越来越不具备竞争力。今年特殊的形势促使很多锻造企业更加迫切的去推动智能制造建设，减少对人工的依赖，同时也更加注重推进柔性自动化生产线的应用，从而能更好地应对劳动力数量和质量的波动。2020年4 月，我们杂志有幸采访了北京机电研究所有限公司（机电研究所）锻压技术工程研究中心副主任孙勇，请他给我们介绍机电研究所是怎样协助锻造企业实现智能制造的。

求真务实，勇当先锋

机电研究所是国内较早组织科研创新团队展开面向汽车、航空航天、兵器等领域关键零部件精密锻造成形智能化相关工作的单位之一。最近五年，先后完成国家高技术研究发展计划（863 计划）、“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项、智能制造新模式应用项目等10 余项国家级科研项目。

谈到机电研究所在锻造智能化方面取得的成果时，孙勇介绍到：“我们成功研制出拥有自主知识产权的智能锻造单元集成控制系统、数字化锻造车间精益制造执行系统、多通道多协议的多源异构数据采集系统等多项成果，拥有软件著作权17 项，科研成果获得中国机械工业科技进步二等奖、机械科学研究总院技术进步一等奖。建立并验证了完整的锻造行业智能工厂体系，形成了适合行业高质量发展的系统化智能制造技术，并成功在三环锻造、正兴车轮、华唐铝业、天津立中合金、安大航空锻造、景航铸锻等20 余家企业推广应用，极大推动了行业自动化、数字化、智能化的技术进步。”

深钻细研，引领智造

近几年随着对智能制造的不断深入研究，中国工程院正式提出新一代智能制造的三个基本范式——数字化、数字化网络化、数字化网络化智能化。数字化不仅仅体现在制造装备的数字化程度，更涵盖了产品全生命周期的全流程数字化，其中包括数字化设计、建模仿真和信息化管理。数字化网络化制造是推动互联网和制造业融合发展的重要体现。而数字化网络化智能化制造是在互联网+、大数据、云计算的先进信息技术的共同驱动下，融合大数据智能、人机混合增强智能、群体智能等新一代人工智能技术形成的新一代智能制造。

谈及在锻造行业的智能制造项目时，孙勇说到：“我们符合了智能制造三个基本范式的内在规律，一方面，三个基本范式各有自身阶段的特点和重要解决的问题，体现了先进信息技术与先进制造技术融合发展的阶段性特征；另一方面，三个基本范式在技术上是次第展开、相互交织、彼此迭代升级的，对于我国锻造行业而言，应采取三个基本范式并行推进、融合发展的技术路线，是我国作为新兴工业国家实现弯道超车的关键。”

孙勇接着通过四个做过的项目，阐述三个范式的内在关系：“我们最早的智能制造专项‘年产百万件曲轴的锻造数字化车间的研究’，建成百万产能的锻造数字化车间，研发了机器视觉在线检测技术，构建了数字化车间网络互联架构和数据采集系统，对设备、质量和能源进行管理。在之后的智能制造专项‘汽车复杂锻件智能制造新模式’，我们研发了三维在线测量技术，并基于ISA95 模型，以MES 系统为核心，集成了世界一流的SAP 的ERP 系统、Siemens 的PLM系统，构建了完整的智能工厂信息化系统，对工单和物料进行全面管理，形成了准时生产、精益生产和敏捷制造的锻造智能化车间软件体系。我们做的第三个智能制造专项‘商用车铝合金车轮智能制造新模式应用’，突破基于激光标识系统和机器视觉识别系统的单件物料全流程追溯技术；构建了连接车间所有设备、传感器、仪表、终端、看板的完善的数字化车间网络架构，实现单班次百万级数据采集，建立了大数据基础的智能工厂运行评价体系。在实施第四个智能制造专项‘锻旋铝合金轮毂智能制造新模式应用’时，我们建立了‘绿色制造与智能制造的集成应用’、‘基于全国产智能装备的柔性制造和网络制造’、‘面向定制化需求的软件集成’的智能制造新模式。经过四个智能制造专项的设计和实施，我们逐步形成了锻造行业较为完整的智能制造体系。”

紧密合作，借力互赢

实现智能制造不是简单的系统集成，在锻造行业实现智能制造的过程中会衍生出多种新的技术，比如热态下工件表面标识技术、三维尺寸测量技术、机器视觉技术等。如何突破这些新难题？孙勇说，“我们会设立专门团队，通过与武汉惟景、武汉雷恩波、济南东科、康耐视等专业公司合作，深入研究、反复试验，在多个工业现场验证，最终突破了多个热成形过程中技术难点并形成了成套技术。”

智能制造在智慧工厂范畴内的承担主体是MES，而MES 是对整个车间制造过程进行优化管理，从而实现精益制造。但在锻造行业，缺乏懂业务、懂流程的精益专家，造成实施主体在软件开发时，系统实施不落地，解决不了限制企业发展的瓶颈问题。在谈到如何解决这个问题时，孙勇说“在经历了若干的研究和探索后，我们以具备精益制造思想的德国MES 平台为基础，利用其积累了40 年的行业经验，将其与企业现有的IT 环境高度集成，实现从管理层到生产车间层的管控透明化，并在其基础上建立了适合锻造行业和企业的精益制造管理流程和体系。”

智能制造的核心是工业软件，工业软件是工业知识、工作经验和技术诀窍的集大成者。Deform 就是最好的具备锻造行业工业知识和经验的工业软件，但在MES、ERP、PLM 软件方面，普遍缺乏锻造行业工业知识和经验，再先进的IT 技术，都无法实现锻造行业的智能制造。这是需要解决的第三个难题。孙勇带领团队参考石化盈科、上海宝信、兰光创新等具备行业工业知识和经验的软件公司，在石化、钢铁冶金、机加工等行业领域的成功案例。同时依托机电研究所在行业实施的众多项目，积累行业大数据、故障案例，搭建锻压装备远程运维云平台。研究机器学习的锻造工艺参数迭代优化方法，将锻造行业的工艺知识和经验通过沉淀、积累、固化，形成完整的适用于锻造行业的工业软件体系。

优化流程，精益求精

在谈及锻造企业上MES 系统时，孙勇指出普遍存在的三大误区。⑴盲目追求“大而全”，做“大而全”的MES 会湮没主要目标。很多企业在第一次做MES 时，MES 有的工单计划、设备、能源、质量、物料等十一个模块一起上，每个模块设计几个功能，就开始实施了。这样往往导致需求蔓延，实际上是需求不清晰。把精力投入在无价值或价值不大的业务流程上，并且每一个流程或功能又不能深入，这样的实施效果往往非常差。⑵注重IT 技术和IT 人才，缺乏精益专家和精益的管理体系。很多企业信息化部门过分关注IT 技术。IT 技术不是不重要，但是明确的需求分析、清晰的流程梳理、完善的精益体系更重要。精益是对生产中的过度生产、等待、物料转运、库存、缺陷返工进行聚焦，并由MES 提供各种量化的方法和工具，来消除问题，以实现高效、高质、高一致性、低耗的高性能制造。⑶IT 与OT 的不融合，也就是自动化系统（PLC、DNC 等）与信息化系统不融合。很多企业负责OT 的是设备部门，他们关注的是设备和生产线的正常运转，认为MES 是信息化部门的事情，在建设的时候，也是分开考虑的，这就是一个误区。之前OT 与IT 的融合是存在一些技术壁垒的，但随着OPC UA 技术、基于中间件的多协议转换技术、边缘计算技术的兴起，这些技术壁垒很容易被打破。而IT与OT 的融合，就是通过打通制造执行系统与运营管理系统之间的数据链路，并将两者整合在一个统一的信息平台上，从而帮助企业提升在生产管理、运营决策与制造执行等方面的综合效益。

MES 与ERP、PLM 及自动化系统相集成，是目前公认的智能制造的整体架构。孙勇及其团队基于精益制造的思想和以降低企业综合运营成本为目标，为锻造企业设计了精益制造的流程、评价体系和指标，主要包括以下五点：⑴了解下料、锻造、热处理、机加工、后处理等工序工作中心的标准产能，分析全制造流程的产能匹配，找出瓶颈工序。确定推动，拉动或推拉相结合的生产方式、热处理炉的最佳经济生产规模、坯料的最优安全库存。⑵在ERP 制造BOM 的基础之上确定工作中心。根据订单总量、准订单，确定MPS（主生产计划），继而由MRP 结合能力需求计划计算、BOM（物料清单）、库存信息生成各工作中心生产任务。⑶利用图形化排产工具，把工作中心的生产任务分配到各生产单元，产生工单，并以工单为虚拟载体集成产量、生产效率、废品率、设备利用率、能源消耗等信息，以物料为实际载体集成原材料到成品的全流程质量信息。⑷现场可视化看板展示并启动工单，依托IT 与OT 的融合，实时采集生产进程、设备利用率、废品率、能源消耗、工艺参数、质量等数据，工单完成后自动报工，并根据运输产品数量和目的地的不同生成不同的运输工单，实现中间在制品的透明化，提高中间在制品在各工作中心的流转效率。⑸以锻造单元计划完成率、各工作中心的WIP（在制品）数量、各设备生产时间，停转或空转时间、单件能耗、班组废品率、物料周转率、订单完成率等评价指标，综合评价企业的生产运营情况，并依据透明化、指标化数据优化生产过程，实现精益制造。

一专多能，科研创新

智能制造是先进制造技术与先进信息技术的深度融合，在锻造行业甚至其他制造行业，未来都需要多学科交叉的复合型人才，既要掌握锻造工艺、成形装备等方面的基本理论和基本知识，也要掌握控制、优化和调度学科的理论和方法；既要有扎实的基础学科的基本理论和实验技能，也要了解人工智能基本理论和方法；既要能熟练运用自己的专业知识去分析问题、解决问题，更要注重培养自身发现问题的能力。

孙勇介绍到：“我1993 年毕业于吉林工业大学电子工程系工业电气自动化专业，分配至北京机电研究所参加工作，后来在机械科学研究总院读了研究生，拿到了博士学位。在工作的前期，从事锻压装备的交直流传动、伺服控制、PLC 控制。2006 年开始从事基于现场总线的锻造自动化生产线集成控制工作。2013年开始从事锻造行业智能制造相关工作。从1993 年至今的27 年时间里，我一直在科研院所这个系统。

“作为研究生导师，很清楚从事智能制造的人才，要学会打破应试教育模式下的被动学习思维，培养自身创新意识。我在对研究生进行培养时，一方面注重培养科研创新能力，另一方面注重培养工程实践能力。在科研创新能力方面，我们目前正在重点研究OPC UA、5G 工业应用、数字孪生和锻造行业云平台等技术，需要研究生保持对热点技术的敏锐力和创新力；而作为一名智能制造的复合型人才，很多新技术、新方法、新理论都是依托科研项目在工业现场进行反复试验验证的，因此具有良好的工程实践能力也是我培养的目标之一。”

结束语

在采访的最后，孙勇说道：“行业内一部分企业家更加重视企业的数字化转型升级，比如应用了PLM、ERP、MES 的企业，在常态下帮助企业提高员工的协作效率，提高生产与运营的透明度。一部分企业家增加了对基于工业互联网的远程智能服务需求，通过增强现实AR 等技术进行远程指导，以及对设备运行状态监控进行预警等智能服务。”今年虽然是面临严峻挑战的一年，但也是引起了制造企业对智能制造更加重视的一年，是挑战和机遇并存的一年。“谁无暴风劲雨时，守得云开见月明。”相信经受住这次疫情考验的锻造企业，未来会越做越好。