基于工业互联的彩电智能化生产车间建设——自主设计为主的离散制造智能化探索

一、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。

1. 创新以求生存发展
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。
2. 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报告》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、建立了智慧车间/工厂总体设计模型、工程设计模型、工艺流程及布局模型，并进行了模拟仿真。
2、项目对 4K 高清智能电视生产线的关键技术装备进行了智能化改造，通过配备智能传感与控制装备、智能检测与装配装备，实现了各个生产环节的自动化,实现了智能物流与仓储功能。
3、基于工业环网建设了生产过程数据采集与分析系统，实现了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，建立了全生命周期产品信息统一平台。
5、开发了在线协同设计平台，采用了先进的数字化三维设计技术，建设了产品数据管理系统（PDM）。
3. 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。

二、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。
1. 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（如图 1），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。 

 图 1 构建基于纵横商业架构的全生态企业

（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 2）。

图 2 项目顶层架构

2. 打造一张网、助力互联

（1）网络整体架构
核心设计采用软件定义，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 3）示：

                                                                     图 3 网络架构示意

  （2）OT 网架构
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。

（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 5 示：

3. 信息纵横集成、协同前后打通
通过信息集成，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 6 所示：

图 6 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 7 所示：

 图 7 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 8 所示：

图 8 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 9 所示：

图 9 基于 C2M 信息集成示意

4. 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 10 所示：

图 10 项目安全架构

  （2）工控安全的强化
基于工业联盟安全体系建设指导（如图 11），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 11 工业互联网安全体系

5. 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。
 
三、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 12），并通过了解环境、检验成果进行策略校正，渐进式推进。
                                             图 12 项目三年推进纲要

1. 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；
2. 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。
在即将投建的新的 80 万平“TCL 智能制造”园区，将配备完整的的工业
PON 及物联网解决方案。
3. 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； 

4. 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。如图 14：

图 14 在线协同建设路径

四、掌控核心技术、树立行业标杆
 1. 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（如图 15
示），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；
  图 15 整机线体自动化路径

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 16 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。

（3） 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。
（4） 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。
2. 具备行业示范作用
本项目的实施，有效地提升了 TCL 彩电生产的水平，这表现在 UPPH 的大幅提升，UPPH（Unit Per Hour Per Person,单位人时产能），是衡量企业自动化生产水平的关键指标。
2015 年，国际领先的 LG 公司的彩电生产 UPPH 为 8 台/人/小时；国内海信公司为 UPPH=6 台/人/小时，而 TCL 彩电生产线通过本项目的实施已从 2013 年的 3.5 台/人/小时提升到 7 台/人/小时，接近国际先进水平。预计 2016 年 TCL 彩电生产 UPPH 将达到 10 台/人/小时，达到国际先进水平。
通过本项目的实施，大大提高了生产效率并降低了产品不良率。本项目实施完成后，达到以下效果：

改善项目	实施前	实施后	改善情况
运营成本 （营业成本/营业收入）	93.42%	89.58%	降低 4.1%
基础型产品研制周期 （天）	190	160	缩短 30 天
生产效率（UPPH）	3.5	10	提升约 3 倍
产品不良品率	1.5%	1.2%	降低 20%
能源利用率 （吨标准煤/万台）	7.81	6.50	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。

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