基于工业互联的彩电智能化生产车间建设

导读：

　　TCL集团股份有限公司创立于1981年，是全球化的智能产品制造及互联网应用服务企业集团，TCL王牌电器（惠州）有限公司是TCL集团的主要骨干企业之一，是TCL集团最大的彩电生产基地，产品50％出口海外。TCL王牌彩电全国市场占有率连续多年位居前三名。TCL王牌彩电2001年度被授予中国名牌产品称号，并被列为首批全国免检产品；连续获得美国艾美、德国红点、IF等国际设计大奖，均是中国整机企业首次获得该类奖项；连续五年入选美国CES“全球消费电子50强”和“中国消费电子领先品牌10强”。公司2015年实现液晶电视销量1734.3万台，同比增长4.64%。

　　当前，我国传统彩电企业最大的危机，并不是当下的利润多寡，而是能否清晰把握未来。因此，乘借“中国制造2025”的东风，迈向专业化、信息化、网络化的新生，成为彩电制造企业的必然选择。

　　为贯彻落实《中国制造2025》 和《广东省智能制造发展规划（2015-2025年）》，本项目开展了彩电制造数字化车间项目的建设，大力推进装备自动化、柔性化、智能化升级，实现了工艺流程改造、生产与管理数据的互联共享。

远近结合、创新突破

　　本项目以“智能制造”为目标，运用自动化和信息化实现精益智慧工厂，为客户提供定制、交互、柔性的产品+服务。

【创新以求发展】

项目实施前：

1）在人均产能和产品不良率改善提升上遇到了瓶颈；

2）新品研发周期长，市场竞争力遇到挑战；

3）小批次多机种带来的生产成本的挤压；

4）定制化需求的出现；

　　为了应对以上问题，从2014年开始进行工业互联的智能车间建设规划和建设，提升工业能力。在自动化上取得一定成效，但缺乏整体规划，设备互联处于初试阶段、信息集成联动存在制约。

【驱动生产模式创新】

　　围绕自主设计为主体，结合《工业互联网体系架构（版本1.0）》指导，进行整体规划，逐步验证推进，降低制造成本，匹配柔性、定制化生产模式的转型。

1） 建立智慧车间/工厂总体设计模型、工程设计模型、工艺流程及布局模型，并进行模拟仿真。

2）项目对4K高清智能电视生产线的关键技术装备进行智能化改造，通过配备智能传感与控制装备、智能检测与装配装备，实现各个生产环节的自动化,实现了智能物流与仓储功能。

3）基于工业环网建设生产过程数据采集与分析系统，实现实时数据采集与分析，在中控室展现出透明化制造过程。

4）基于工业环网对未来设备层网络进行规划。通过制造执行系统（MES）与PLM、 ERP等实现了信息集成，建立全生命周期产品信息统一平台。

5）开发在线协同设计平台，采用先进的数字化三维设计技术，建设产品数据管理系统（PDM）。

【建设工业互联的精益智慧工厂】

　　项目拟建成3条智能化生产线、1个无人化注塑车间，仓储系统实现全自动搬运及堆垛，实现生产、质量、仓储等环节的可视化管理。

　　通过建设覆盖全厂的工业PON网络，实现车间PLC、工控机等设备层面的互联互通，形成完整的生产设备数据汇聚和分析平台，进一步建立工业大数据平台，能够为企业业务开展提供有效数据支持和决策依据。

　　通过在线协同设计，将虚拟互联引入到生产线体，并将前后端应用系统进行集成，实现数据运营。

软硬兼施、互联协同

　　围绕TCL集团“3053”战略，以提升工业能力为目标，运用精益改善和工业互联网技术手段，切实解决了生产模式转型中所遇到的痛点。

　　项目拟以自动化装备+工业PON网、协同设计与系统集成+工业大数据，实现虚实互联、数字化生产。

【战略统筹、分层落地】

（1）战略规划

　　TCL集团为了让战略实施更具延续性和与时俱进性，TCL每年面向未来三年发展目标制定一个三年计划，2016年是第五个三年计划，即“3053”战略”-构建基于纵横商业架构的全生态企业，同时指明“产品技术能力，工业能力，品牌和全球化经营能力和互联网应用服务能力”新的四项能力提升，作为达成3053战略目标的基础和支撑。

（2）项目顶层架构

　　基于工业能力提升的战略指引，以工业互联及两化融合构建智慧工厂，实现柔性生产、个性化定制的目标（如图1）。

图1 项目顶层架构

【打造一张网、助力互联】

（1）网络整体架构

　　核心设计拟采用软件定义，依据不同功能、安全等级分区。实现内外打通、OT网隔离。园区网以WIFI和NB-IOT为主，实现人物互联为主；工厂网主要实现物物互联为主；外部用户以映射隔离、身份识别，辅以EDI系统，实现协作集成。架构（如图2）示：

图2 网络架构示意

（2）OT网架构

　　拟以工业PON网为主，辅以WIA-PA协议无线为辅，满足低延迟，高可靠的要求。

图2 OT网架构示意

（3）私有云平台

　　项目分别以自主设计方式搭建了基于OPENSTACK架构的前端电商云平台和基于VMWARE架构的制造云平台，为工业互联提供了基础资源层的支撑。如图4示：

图3 私有云架构示意

【信息纵横集成、协同前后打通】 

　　信息集成，首先打通研发与生产的边界，进一步结合前后端数据挖掘分析，反向指导，快速响应。如图5所示：

图5 系统集成数据示意

（1）系统集成整体架构

　　项目从研发端、生产端两条主线并行开展。研发端从优化产品结构、提升产品标准化和模块化水平、构建在线协同设计平台等方面，进一步提高研发整体能力，快速响应市场变化。生产端从精益改善、自动化置换、工业互联网、MES改进及物流配送等方面，提升整体制造能力。通过系统集成、虚实互联，实现数字化协作，解决长期困扰的快速研产衔接问题。集成架构如图6所示：

图6 系统集成架构图

（2）MES集成实施架构

　　自主开发并经过10年磨砺的MES系统，除对其进行互联网及物联网化技术架构改造外，进一步强化其制造中枢调度的功能，进行更精细化的系统联动。架构如图7所示：

图7 MES集成实施架构

（3）基于C2M信息集成定义

　　基于C2M的落地，先期进行了信息流推演，并构建基于完整模型的信息定义，作为各模块适配的要求和准则，以分模块、分阶段方式推进实施。信息集成示意摘录如图8所示：

图8 基于C2M信息集成示意

【夯实安全基础、强化工控安全】

　　随着互联网在制造业的深入，原有的安全体系不但相对薄弱，且面临新的挑战；项目从基础完善强化开始入手，同时兼顾工控安全。

（1）构建立体防御安全体系

　　在数据中心独立部署具备7层安全域隔离的双冗余、模块化防火墙。边界及生产区均部署独立防火墙，同时配置了系列的安全漏洞扫描、预警系统。并形成了健全的安全小组，定义了完整的安全体系文件，定期接受TCL集团内控人员审查。如图9所示：

图9 项目安全架构

（2）工控安全的强化

　　基于工业互联网产业联盟安全体系建设指导（如图10），在2、4和5方面分别建立了相关的规范制度，并具备一定的成熟度。在设备及控制安全方面，引入更高等级的工业防火墙并完善规程，进一步加强。

图10 工业互联网安全体系

【知己知彼、迭代前行】

　　项目围绕战略，结合企业自身的痛点和长处，有的放矢，坚持以自主掌控核心技术为前提，用实践验证，用实效交付。

以两化为方向，互联协同为驱动

　　根据所指定的三年推进纲要（如图11），并通过了解环境、检验成果进行策略校正，渐进式推进。

图11 项目三年推进纲要

【扩大自动化覆盖率】

　　包括物料/成品周转AGV、SMT、SKD、注塑、模组（LCM）等全生产环节自动化的实现；

　　新型自动化技术的研发与应用：包括智能机械臂的全面应用、AGV物流车的研发、视觉识别技术的开发应用等；

【加大工业PON网络覆盖】

　　工业PON网络是一个多业务提供平台。主要实现是上联智能生产数据采集与控制分析平台，以及下联ODN网络下连用户端设备ONU。结合自动化步伐，逐步覆盖、改造现有生产现场。

　　在规划投建的“TCL智能制造”园区，拟采用完整的工业PON及物联网解决方案。

【数据的采集应用深化】

强化工业数据的运营，挖掘潜在价值。

（1）建设中控监控平台

展示实时生产信息、实时设备状态、报警信息以及其它相关信息。

（2）建立工业大数据平台

参考工业互联网体系架构指导，搭建企业内部的大数据平台；

图12 工业大数据技术应用示意

【在线协同深化】

　　在自动化程度不断提升的同时，进一步优化研发、制造流程，通过PLM、MES与周边系统的信息、数据集成，实现全部产品标准化、生产工艺标准化、生产单元模块化，实现全系列产品的研发与生产的无缝对接。

掌控核心技术、树立行业标杆

【自主设计为主】

　　项目已申请16项发明专利，登记1项软件著作权，形成2项企业标准草案。

（1） 自主开发自动化装备

　　2014年，在TCL惠州基地TV一厂共开发制作自动化设备101套，实现8条线自动化；自动化占比与2013年底相比较提升30%，产线直接作业人员减少30%；

　　2015年，公司已实现整机生产部分工序的完全自动化，其中，包装自动化在行业内处于领先地位，注塑、PCBA、模组、预加工等工序的自动化水平得到很大提升；

　　2016年，公司开展了智能机械臂的全面应用、推进了AGV物流车和视觉识别技术的开发。

（2） 自主开发应用软件

　　在信息化建设方面，通过自主开发实现生产现场检测数据采集、计划管理、立体仓库、质量追溯等功能。其中MES及WMS经过多年的验证迭代，已在公司全面推广，其先进性得到行业认可，其中WMS系统获得“2015中国制造业信息化应用领先暨最佳实践奖”。

图13 MES功能架构

　　与此同时，公司开展了信息系统的融合，进一步推动智能制造的实现。

（1）基于工业PON的互联

　　信息互联的核心在于人机互联、机机互联、机物互联、人物互联。本项目开发了智能配送线，该配送线颠覆传统的人工装车运输方式，在行业首次实现无人配送的情况下，点对点精准匹配生产和全自动即时配送。

　　虚实互联则是生产前的模拟环节，通过虚拟仿真系统获取3D模型，自动检测生产全流程；本项目拟通过PLM与MES的协同，在新建设线体上实现了研发端仿真与线体模型的集成。

　　实现以上互联的网络拟架设在工业PON之上，其技术在组网可靠性、安全性、带宽分配、维护成本低、网络可拓展等方面均有优势。

（2）工业互联网核心智能制造装备的应用

1）家电等行业机器人：

　　精密装配机器人；六轴关节型、平面关节（SCARA）型搬运机器人；在线测量及质量监控机器人；具备机器人视觉，人机协调、自然交互、自主学习功能的新一代工业机器人。

2）智能传感与控制装备：

　　使用了机器人用位置、力矩、触觉传感器；高性能光纤传感器、微机电系统（MEMS）传感器、多传感器元件芯片集成的MCO芯片、视觉传感器及智能测量仪表、电子标签、条码等采集系统装备；分散式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集系统（SCADA）、高性能高可靠嵌入式控制系统装备；高端调速装置、伺服系统、液压与气动系统等传动系统装备。

3）智能检测与装配装备：

　　视觉数字化非接触精密测量、在线无损检测系统装备；可视化柔性装配装备；激光跟踪测量、柔性可重构工装的对接与装配装备；设备全生命周期健康检测诊断装备。

4）智能物流与仓储装备：

　　轻型高速堆垛机；超高超重型堆垛机；高速智能分拣机；智能化高密度存储穿梭板；高速托盘输送机；高参数自动化立体仓库；高速大容量输送与分拣成套装备、车间物流智能化成套装备。

【具备行业示范作用】

　　通过本项目的实施，有效地提升了TCL彩电生产的水平，大大提高了生产效率并降低了产品不良率。项目实施完成后，达到以下效果：UPPH(单位人时产能)提升3倍，运营成本降低4.1%，基础型产品研制周期缩短30天，产品不良率降低20%，能源利用率提升16.8%。

　　预计年产4K高清液晶电视终端产品200万台以上，年实现销售收入60亿元以上。

　　本项目自主开发了多项智能制造软、硬件，并申报和获取多项技术专利。项目可以在彩电行业快速复制和推广，具有很强的行业带动作用。