离散型装备制造企业的数字化体系研究与应用实践

杨磊 李涛 武籽臻 王峰

（中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471039）

制造业是立国之本、强国之基，是国家经济命脉所系。我国已连续多年保持世界第一制造大国地位，制造业在驱动我国经济发展、参与国际竞争中发挥着不可替代的重要作用。但是我们也要清醒地认识到，我国制造业总体而言大而不强、利润率不高，长期来看，面临着工业发达国家“高端回流”和发展中国家“中低端分流”的双重挤压[1]。短期来看，又面临着因能源紧张导致的全球供应链紊乱以及欧洲传统的制造业大国高端制造业外流的冲击，我国传统制造业企业需应对的内外形势更加错综复杂。同时，以人工智能技术为代表的新一代信息技术与先进制造业深度融合发展为主要特征的新一代智能制造在全球范围内方兴未艾，成为新一轮工业革命的核心技术，将给世界产业技术和分工格局带来革命性影响和深刻调整[2]。美国率先提出了工业互联网的概念并服务于美国的“再工业化”战略[3]。德国凭借其强大的机器和设备制造业,结合自身离散制造业的领先优势, 提出以CPS为特征的工业4.0[4]。我国则制定了《中国制造2025》国家战略，部署全面推进实施制造强国战略。先进制造业已然成为全球经济竞争制高点，世界各国纷纷加快谋划和布局，积极参与全球产业再分工。而装备制造业作为“生产机器的机器制造业”，决定了国民经济和国防建设生产技术装备的发展水平，因此被称为“国之重器”。我国的制造业要打破发达国家的“技术壁垒”和“绿色贸易壁垒”，满足严格的市场准入和限制条件，就需要不断推动装备制造业的转型升级，逐步解决由于自主创新不足、产业结构较落后以及能源消耗过大等产生的问题，通过发展先进装备制造业，从本质上提升我国的制造业生产力水平，实现从中低端制造向制造业价值链中高端的迈进。

一、离散型装备制造业的发展现状与痛点

重型装备制造业是典型的离散型制造行业。重型装备制造业的产品通常需要满足多样化的市场需求，根据个性化的使用场景，制造企业需要能够提供高度定制化的工业产品。因此，重型装备制造企业的产品设计差异化特征明显，产品生产模式通常是多品种、小批量、单部件的订单式生产。不同于连续型和规模化的生产模式，离散型装备制造业的生产周期通常较长，生产组织更加复杂多变。相比于连续制造，离散制造的产品一般由多个零件经过一系列不连续的加工最终装配而成，每个产品甚至零件的加工过程都可能存在差异，且一种工艺可能由多台设备推进。同时，重型装备制造的厂房和生产设备通常是按照工艺类型统一布置，由于加工设备体积大、吨位重，位置布局通常是固定不变的。因此，需要根据工艺设备分配加工的物料，对加工的过程品还经常需要进行搬运。面对这些离散型制造的典型特征，传统的生产计划、调度安排和生产流程的跟踪管控方法已经难以进一步提升生产管理水平和生产制造效率，亟需通过引入新的技术手段和管理方法来打破装备制造业的发展瓶颈。

随着新一代信息化、数字化和智能化技术在离散型制造业的推广应用，重型装备制造业也迎来了创新发展的时代机遇。同时，在生产实践中，传统的重型装备制造业在与新一代信息技术的深度融合发展中仍然面临着诸多挑战。因为离散型制造企业的业务流程复杂，一旦数据链条存在断点和堵点，就会导致各部门间难以实现业务高效协同和数据有效共享问题。对于研发设计部门而言，一套完整的重型装备的研发设计工作涉及机、电、液、软等多项业务，缺少高效的研发设计协同平台，将导致部门之间的沟通成本较高。而由于产品的定制化程度高，生产制造环节对工人的技术能力要求也相对较高。工艺软件的应用虽然提升了工艺设计人员的工作效率，但对生产部门的指导性仍存在不足，这就导致企业的生产能力和业务能力始终存在瓶颈。另外，由于大型加工设备的成本价值高，通常单台部署，一旦发生故障，其维修周期较长，要对设备实现实时、高效管理和故障预测的难度较大。此外，当前重型装备制造企业还存在跟踪服务能力较弱的短板，难以实现产业的生态化应用推广。

二、离散型装备制造企业的数字化体系研究

中信重工机械股份有限公司，以下简称“中信重工”,前身为洛阳矿山机器厂，是国家“一五”期间兴建的156项重点工程之一。作为中信集团先进制造板块的主力军，历经60多年的建设与发展，中信重工已成为我国最大的重型装备制造企业之一，是全球为数不多的具备重大装备和特种材料研发和制造能力的高新技术企业，也是全球为数不多的具备极限制造能力的先进装备制造企业，被誉为“中国工业的脊梁、重大装备的摇篮”。

中信重工积极贯彻落实国家数字化转型战略，基于内外部发展需要，抢抓数字化发展机遇，制定了中信重工“十四五信息化智能化专项规划”。围绕“离散型重型装备智能制造”项目建设，中信重工实施智能化提升工程，构建了如图1所示的“6+1+N”数字化应用体系，具体包括：数字化设计与工艺应用体系、离散型数字化制造应用体系、数字化精益管理应用体系、企业大数据应用体系、信息安全体系6大数字化应用体系，打造1个国内知名的垂直行业工业互联网平台，规划建设N个5G工业示范应用基地。同时，中信重工推动探索数字孪生、“5G+工业互联网”、大数据、人工智能等新一代信息技术与公司业务的创新融合，全面推进企业数字化转型。

图1 “6+1+N”数字化应用体系

（一）具有重型装备行业特色的数字化研发平台建设

1.离散型装备制造领域协同研发设计云平台建设

针对重大装备协同设计难、研发周期长、设计缺陷致成本高的行业痛点和难点。中信重工建立了离散型装备制造领域协同研发设计云平台。该平台通过集成设计云桌面、计算机辅助设计工具(CAD、CAE)以及三维参数设计知识库，利用三维建模、有限元仿真、仿真测试等技术，开展基于模型的产品设计、仿真优化，实现产品的数字化设计与仿真分析，打通了设计建模、仿真分析、数字样机验证等功能。平台通过数据与技术的融合创新，极大提高了设计效率、降低了设计差错率、缩短了研发设计周期。

离散型装备制造的特点导致产品三维设计复杂以及零件设计数据分散，从而容易产生设计资源需求弹性大、设计端与生产端协同效率低等问题。针对这些问题，中信重工建设了以PLM系统为核心的数字化研发设计平台，实现了设计资源的弹性供给、移动运用，保障了设计数据的安全性，提高了研发设计效率。该平台打通了研发设计与生产制造的数据通道，实现了研发设计与生产制造数据的高效协同。中信重工在国内重型装备行业率先实现了技术资料无纸化、数字化应用。如图2所示，平台还以三维参数化设计系统和PLM系统为载体，拓展了支撑三维参数化设计的低代码开发平台，对产品进行结构功能的分解，建立标准化、系列化、模块化的产品数字化研发设计新模式。该平台提高了研发效率30%，缩短研发周期20%，降低设计差错率15%，形成了可推广的离散型装备数字化研发设计技术解决方案。

图2 三维数字化设计

2.三维模型的数字化工艺设计平台建设

为加强设计部门对生产部门的工艺指导，不断提升装备生产效率，中信重工进一步开发了基于三维模型的数字化工艺设计平台。该平台通过将三维设计软件、CAPP、CAM、PLM等有效集成，涵盖了工艺路线规划、工序设计、加工作业描述、工艺装备选用、数控编程等功能，建立了完备的工艺装备资源库，全面实现了工艺数据的数字化管理和三维数字化加工仿真、三维数字化装配指导。该平台的推广使用使得加工效率提高了12%以上，装配效率提升10%，工艺可行率提高30%，形成行业内可复制的装备制造三维数字化工艺技术方案。

针对重型装备研发设计周期长、产品调试复杂且成本高的痛点，三维数字平台通过构建数字样机并采用虚拟调试技术，实现了虚拟化仿真调试功能。该功能上线后缩短了产品调试试验时间，减少了设计成本，降低了创新设计风险。如图3所示为数字样机全貌，图4为对应的实际重型装备产品。该技术已在科技部重大专项“液压重载机械臂关键技术研究与应用验证”项目中成功应用，得到了有效验证，并取得良好效果。

图3 液压重载机械臂数字样机

图4 液压重载机械臂实物

（二）离散型连续化的智能生产制造模式分析

面向订单的离散制造业的特点是多品种和小批量。因此，生产设备的布置通常不是按产品而是按照工艺进行，例如：按车、磨、创、铣来安排机床的位置。每个产品的工艺过程都可能不一样，而且可以进行同一种加工工艺的机床有多台。因此，工厂需要对所加工的物料进行调度，并且半成品需要进行物流运输，加工流程是不连续的。与流程工业不同，离散型制造适用按订单组织生产的模式，由于很难预测订单在什么时候到来，产品的工艺过程也可能经常发生变更，因此合理计划的效益在离散制造业相当高，这就导致需要良好的生产计划系统。在生产环节，产品的质量和生产效率很大程度依赖于工人的技术水平，自动化能力主要在单元级，例如数控机床、柔性制造系统等。因此，当前离散制造业还是一个人员密集型行业，整体的自动化水平和数字化水平相对较低。离散制造行业的特点决定了对ERP、MES、APS、DNC等系统产生了与流程工业与众不同的特色需求[5]。

1.生产流程线上化连续跟踪管控

为将公司级生产指挥管理全面由线下转为线上，中信重工通过推动生产流程线上化跟踪把控，以实现生产指挥调度效率的提升。公司配套自主开发了如图5所示的生产力管控大厅，主要包括综合计划、指挥调度和协同制造三大平台，打通和高度集成了各信息系统数据，实现以项目为核心，多维度、多层级的数据分析应用。通过开发公司级生产计划、生产执行、成套入库、外协管理、风险预警等功能，实现生产数据在线率达95%以上，推动了生产过程的精益化、透明化管理，提升了生产指挥调度效率约40%、生产计划综合完成率25%。

图5 生产力管控大厅

针对离散型重型装备设备生产过程复杂的特点，以及当前行业线上化、数字化管理水平较低的不足，中信重工开发了数字化生产管控平台。该平台涵盖了线上生产指挥平台、ERP系统、MES系统、APS系统、DNC系统、工控网络系统、智能质量检测系统、5G专网等软硬件系统，实现了从ERP系统中接收零件生产计划，并从CAPP中接收工艺路线及相关工艺信息，生成工序级生产任务，经过APS高级排程，自动生成科学的、精准的生产任务计划，自动下发至数控作业单元。生产管理人员可以实现线上指挥，并实时掌握工时成本、能源消耗、生产进度等信息。数字化生产管控平台的投产使用使生产排产准确率提升25%、生产综合效率提升25%、生产履约率提升20%。

2.生产排程与业务数据智能化精益管理

重型装备的生产制造过程一般较长，这就导致生产的管控非常复杂，同时面临生产排程多变的挑战。中信重工通过与知名高校开展产学研合作，研发了离散型重型装备制造行业APS高级排程系统，利用机器学习等人工智能技术，构建了排程策略模型和算法，按照排程策略自动生成可视化的排程结果，如图6所示。该系统具有按交货期、计划优先级、生产周期、新订单插单、生产状态优先等多种排产方式，可最大限度满足各类复杂的排产要求，大大提高了生产效率。目前，该系统已推广应用到中信重工下属各子公司生产单位，并取得了良好效果。

图6 APS高级排程系统

为解决离散型高端装备生产过程复杂和生产周期长导致的管理过程难度大以及管理颗粒大的痛点和难点。中信重工基于精益管理理念，融合以大数据为代表的新一代信息技术，构建了智能化生产管理系统。该系统通过集成应用多个业务系统的多维度数据，建立了基于大数据的智能化生产管理平台，同时开发了以企业微信、掌上重工、微信小程序为核心的移动应用平台，展现多视角的生产管理数据分析看板，构建多视角、多维度、全方位的生产指挥调度平台，实现以数据驱动、面向离散型制造领域的连续化生产精益管理体系。目前，该平台已在中信重工所属重型装备板块和新能源装备板块推广应用。

（三）以数据技术为核心的经营管理业务系统建设

在经营管理方面，中信重工基于数据资源的开发利用，驱动公司信息应用从“IT（信息技术）”向“DT（数字技术）”转型。目前已经形成了支持营销服务、科研开发、生产经营、采购供应、财务管控等多业务场景的综合数字化应用集群。通过搭建企业数据中台和管理驾驶舱，深挖数据资源价值，中信重工打造了如图7展示的经营管控数据平台。项目以数据为血液，以平台为载体，“泵动”业务应用系统。该平台通过打造数据“采集、存储、挖掘、治理、增值”的全生命周期管理，为经营管理提供决策支持，为公司精益化运营管理和高质量发展提供数字技术支撑。

图7 经营管控数据平台

通过集成营销服务、生产制造、财务管理等相关应用数据，中信重工打造了数字化供应链协同管控平台。平台具备对外招标、投标、评标、采购管理、合同管理、供应链管理、制造协同、数据共享等23个功能模块，提升了供应链一体化协同效率，实现了商流、物流、信息流、资金流“四流”合一，可实时掌握招标、采购进度和采购物资生产、运输、质量以及到货数据，实现与制造协同的物资精准配送。该平台的上线使用提升了采购物资及时到货率20%以上，降低了采购成本15%左右，助力逐步构建全球化战略供应链体系。

围绕“核心制造+综合服务”的新型商业模式，中信重工打造了以客户为中心、贯穿营销全流程的网络化和智能化营销服务平台。该平台高效集成生产管理、财务管理、矿山装备工业互联网平台等信息系统数据，搭建从商机挖掘、产品推广、售前支持，到合同执行、运维服务、备件销售的面向营销支持的信息共享和大数据中心，提供了形成客户画像、结合物联网应用开展远程诊断、预测性运维等智能化服务。平台实现了精准营销和服务增值，商机转化率提高20%，客户满意度提升15%以上，有效提升了客户黏性，助力了市场开拓。

为贯彻落实国家“双碳”战略，提升节能环保效果，中信重工建立了“互联网+能源管理平台”。平台通过对能源计划、能源实绩、能源能效分析、能源质量等进行数据采集管理，对能源消耗数据进行收集整理、归纳分析，实现能耗数据预测、修正平衡。中信重工还建立了完备的四级能耗指标分析考核体系，评估企业用能水平，及时分析企业能耗问题，动态核算企业节能效率，找准企业节能方向及措施，提高企业经济效益。平台上线以来，每年可降低能源消耗成本3000余万元。

三、离散型重型装备制造行业的数字化转型应用实践及成效

基于对重型装备制造业数字化体系的探索与研究，中信重工依托自身产业基础，坚持做大做强以重型装备制造板块为核心的主业。同时，公司积极拥抱市场新业态，努力挖掘发展新动能，结合生产制造与技术发展需要，不断推进离散型装备制造业向智能化转型升级，引领探索离散型装备智能制造新模式，持续提升自身的核心制造能力，形成可复制、可推广的核心技术产品和整体解决方案，从而推动公司逐步向服务型制造企业发展，赋能客户和行业的数字化转型，铺筑具有中信重工特色的数字化产业和智能制造产业发展新通道。当前，中信重工已经发展成为国内最大的特种机器人研发及产业化基地之一，国家级创新型企业和高新技术企业，以及全球最具竞争力的矿业装备、水泥装备制造商与服务商，在特种机器人智能制造、“5G+工业互联网”以及智慧矿山建设等领域不断推动数字化应用落地实践。

（一）打造离散型重型装备智能制造工厂模板

中信重工通过采用5G新技术，结合智能工厂软件架构及平台搭建，实现了智能制造工厂的协同研发、多车间协作和大数据应用。生产人员通过数字化设备、工位机、手持智能化终端等设备连接，打通了人机物互联通道。公司通过持续优化改善人机协作式生产，打造了高效、协同、柔性化的智能制造工厂模式，形成了传统离散型装备智能制造问题整体解决方案、柔性化智能制造解决方案。

基于离散型重型装备智能制造生产模式，中信重工建设的“高端耐磨件制造智能化工厂”是我国铸造制造企业树立的一个铸造行业智能化生产的模板和标杆。针对铸造企业信息孤岛的难点，公司通过建立设计、工艺及制造技术协同平台及其应用基地，形成了高端耐磨件智能制造的数字化铸造工厂整体解决方案，为传统铸造行业升级转型树立了标杆。该模式可在行业内复制，并为相关企业提供咨询和整体方案实施服务。该方案可实现产品模块化、柔性化智能制造，提供砂型铸造高级计划排程产品、铸造行业精益生产MES系统产品。除了传统制造领域，中信重工在特种机器人这一新兴制造领域，依托工业和信息化部智能制造新模式项目建设了“特种机器人制造智能化工厂”。该工厂实施完成了柔性可重构工作岛、车间互联互通网络架构与信息模型、数据采集与可视化系统、大数据平台、数字化仿真系统等新技术应用。该工程形成了特种机器人行业智能制造的试点示范和样板间，如图8所示，具有典型的示范应用效应及较强的可复制性。

图8 特种机器人制造智能化工厂

（二）基于5G新技术的多场所应用解决方案

针对离散型装备制造现场网络基础差、设备联网率低、数据传输慢等现状，聚焦关键生产设备故障无法提前预测、维修成本高、维修周期长等痛点，中信重工建设了河南省首家5G工业企业专网。该项目实现了5G信号在生产作业区域全覆盖，在实现便捷连接的同时，保障了公司的数据安全和网络安全。针对关键核心设备，公司部署了5G智能网关和数据采集终端，可支持多种接口和以太网协议。项目不仅实现了重点设备的互联互通和实时数据采集，还可通过构建设备数字模型和专家库，开展设备运行状态在线检测和故障预警，提前预防设备故障，提高了设备的可用性及综合利用效率，同时有效降低了设备能耗。

针对离散型装备制造工厂机床联网率低的特点，中信重工通过实施“5G+设备联网改造”，大规模部署数据采集设备，构建了5G工业专网，提升了数据安全性，保证数据不出厂，保障数据和信息资产安全。该工程借助5G低时延、大带宽的优势，利用数据采集装备，实现了如图9所示的生产实时数据采集和传输，实时监控设备生产运行过程，实现对生产设备运行数据、工艺执行参数、生产作业数据、能耗数据的实时采集和监控分析。该技术的应用约提高设备利用率20%，降低能耗10%。

图9 5G+设备云眼平台

基于5G技术应用，中信重工还打造了如5G+机器人岛数字孪生、5G+特种机器人、5G+远程操控、5G+AR/VR等多个应用场景，形成了一批特色鲜明的“5G+工业互联网”典型应用示范。

（三）基于矿山装备工业互联网平台的智慧矿山整体建设方案

中信重工建设了如图10、图11所示的国内行业领先的矿山装备工业互联网平台。面向矿山装备行业数字化、网络化和智能化的需求，该平台构建基于海量数据采集、汇聚和分析的服务体系，形成了支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。该平台面向矿山用户提供了装备研发设计、生产制造、远程运维、故障诊断、设备健康评估、工艺产线优化等综合服务。该平台将工业技术、管理、应用等方面的经验和知识模块化、软件化，以微服务组件或工业APP的形式赋能给行业企业。平台已成功在国内多家矿山行业得到应用，连接设备价值达100多亿，开发出矿石粒度智能检测、衬板磨损在线检测等20余个独有的工业APP和近百个工业机理模型和微服务组件并投入应用。目前，该系统取得了良好的应用效果，为用户带来了明显的收益，重大事故发生率降低约10%，整条生产线运行率提高12%左右。

图10 矿山装备工业互联网平台

图11 5G+矿山装备工业互联网平台创新应用

围绕智慧矿山建设，中信重工依托全球矿山装备研发设计和生产制造能力，研发了如图12所示的矿山智能化全流程解决方案。基于矿山装备工业互联网平台，中信重工自主开发了智慧矿山整体解决方案，包含采矿智能化、选矿智能化、尾矿处理智能化系统，实现了生产过程的智能感知、自主决策、智能调节，推动了矿山生产的少人化和无人化转变。中信重工开发的基于5G的智慧煤矿全流程解决方案，能够解决煤矿安全生产、智能管控技术难题，技术水平国内领先。公司目前拥有70余款煤矿智能装备产品，主要覆盖采掘、供电、给排水、通风、主辅运输、洗选等生产经营管理等环节。通过利用云计算、大数据、移动互联等核心技术，该方案能实现煤矿企业从生产管理到管理决策各业务板块的“大调度”协同指挥和一体化集中监管。该方案打造了窑街煤电、晋能控股、龙煤集团等10余座煤矿智能化示范矿井，大力助推了矿山产业的数字化转型，赋能矿山行业智能化升级。

图12 智慧矿山建设示例

四、总结与展望

中信重工的数字化转型及项目建设的成功经验对装备制造企业和客户行业企业均形成了有益的借鉴参考，产生了积极的带动和辐射作用。中信重工的智能制造整体解决方案、业务应用系统的开发设计、基于5G的应用场景解决方案以及数字化转型咨询和诊断服务，能够助力装备制造企业提升核心制造能力、缩短研发周期、提高设备利用率和生产效率、降低生产成本。面向客户企业，中信重工能够提供智能装备定制化研发设计与生产制造、选矿工艺大数据及工艺产线优化分析、智慧矿山整体解决方案、设备远程运维和预防运维等服务。新一代信息技术的应用帮助中信重工同时提升了客户满意度和市场占有率，实现了数字化转型服务增值，通过对外输出数字化转型解决方案，逐步构建了行业产业链和生态圈。

目前，数字化转型已经成为装备制造业加快新旧动能转换、推动企业高质量发展的有效途径。中信重工数字化转型创新实践给行业高质量发展带来以下借鉴和启示：一是加快推进新一代信息技术与制造业融合应用场景建设。基于5G、大数据、人工智能、工业互联网等新一代信息技术的发展，装备制造业要充分利用新技术的赋能赋智作用，研究和建设信息技术与跨部门、跨业务的融合应用场景，加快推进智能工厂建设，激发新动能，破解发展瓶颈，重构基于价值创造的业务流程，提高生产效率、运营绩效。二是重构数字化供应链体系，建设协同、共享价值链，实现供应链的高质量发展。装备制造业涉及的供应链数量庞大，供应链的协同程度是影响装备制造业价值创造的重要环节，亟需构建数字化供应体系，减少数字化转型断点和堵点。三是基于价值重构发展服务型制造产业，构建新业态。离散型装备制造业企业经过长期积累，对装备研发设计、生产制造、售后服务积累了大量的实践经验，随着产业链的数字化转型，装备制造业可以将累积的经验知识化封装，形成行业解决方案对外输出，形成装备制造业数字化产业新业态，支持企业高质量发展。