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北京昌平的一座黑灯工厂:中国企业正在用机器

时间:2021/10/21    

  2021年9月29日,北京市昌平区南口镇李流路。走进三一重工南口产业园一号工厂,四万平米的偌大车间中,现场工作人员不过十来人,而这些工作人员的角色也不是人们熟知的流水线米多的机器人摆动着手臂,在代替他们夜以继日地“上班”。过去,这里的工人曾一度达到1000余人。

  这可能是中国亿万计的制造企业中智能化水平最高的车间之一。就在半个月前,它刚刚被世界经济论坛评为全球重工行业的首家“灯塔工厂”。

  那些拥有庞大身躯的数百万吨级的旋挖钻机就是从这里生产并运往国内市场和海外。多品种、小批量的生产特点给这个工厂的智能化带来了很高的难度,但尽管如此,这家工厂依然在两年多的时间里以出人意料的速度改头换面。

  三一集团董事、高级副总裁代晴华主导三一集团多达三十多个工厂的生产智能化。大约在三年前,这家机械巨头开启了一项宏大同时代价不菲的智能化改造计划,昌平的这家工厂只是一个起点,三一计划后续将这家工厂智能化经验移植到更多的工厂。

  三人集团的创始人兼董事长梁稳根旗帜鲜明地提出数字化改革。数天之前,他在一次会上判断说:“我们认为智能制造是三一事业发展的一个良好的机会和基座,并且它是一种非常新的工业文明。智能制造将深刻地改变人类社会,改变这个世界。”“工业机器人的技术和成本、工业互联网、5G等因素,已经让制造业的深度数字化和智能化变成了现实。”代晴华认为。

  代晴华有一个明确的预言:三、五年之后,中国大量的工厂,包括那些中小规模的工厂,都将经历一番智能化带来的显著改变,一些平台性的工业互联网技术的发展,将会使这一切以一种越来越“轻松”的方式实现。

  或许有些观念的确需要更新了:在中国,黑灯工厂已经不再停留于概念,而技术正在让人和机器的角色在车间内重置。

  从西边进入一号工厂内部,是部件装备和主机装配生产线。不同于从前的流水线,这里的产线由一个个“工作岛”组成,这些工作岛既相互独立,也通过一些移动机器人(AGV)相互联络。

  在一个工作岛中,长着一个巨大“抓手”的桁架机器手(不同于关节臂机器手的另外一种机器手),通过安装在机器上的眼睛摄像头,来寻找和确定数吨重的工件在半空中的精准方位,并进行抓取,再将之与十多吨重的桅杆实现准确对接。

  三一重工智能制造研究院院长董明楷在车间内介绍,桁架机械手就像机床一样,也是利用数控设备精准识别位置并进行精准抓取,它的精度在毫米级,这就像控制一台机床一样控制装配过程中的每一个位置、每一个动作。不同于电子厂中固定且位置很低的摄像头,这里的摄像头是移动的,且高度很高,同时,空旷的厂房内不断变化的光线,这些都对目标物的精准识别带来了更大的挑战。

  “先拍照,再做修正,这里的视觉包括2D和3D,2D是平面的,3D还会识别它的轮廓,知道这个位置在另外一个截面还是另外一个平面,所以能够精准识别。拍完照并算出位置后,系统会指导机械手怎样抓取,抓取的速度要求慢且平稳,这都需要控制。”董明楷说。

  人们熟知的汽车行业、3C、家电等行业,也在一定程度上实现了自动化装配,但区别在于,和工程机械比起来,它们的工件小,且为批量化生产。对于一台庞大的钻挖钻机来说,车间的摄像机达不到一定高度就拍不全每一个工件,但高度高了,精度又容易达不到,这对视觉识别的精度要提出了很高的要求。

  桁架机器手的旁边是另外两台关节臂机械手,它们彼此配合,互不干涉,董明楷将下面的两台机器手成为“陆军”,空中的桁架机器手则称为“空军”至于“海军”,则是指地面上来回穿梭于不同工作岛的AGV,通过AGV将上一个工作岛的中桅杆驮到现在的工位,在这个地方自动上下料,跟两边的变位机协同完成装甲,海陆空三军如此在这个岛内协同作战,完成这个环节的装配。

  这个面积4万平米的工厂,在2021年生产了价值78亿元的桩机设备,比2019年增长了59%,这一切都是由大大小小的数百台机器人在这个厂房内“创造”。数百万吨级的旋挖钻机从这里运往中国国内以及海外的高层楼宇以及桥梁等建筑工地。

  “工厂里有8个柔性制造工程中心,10多条自动化产线台大型设备,其中机器人超过150台,现在还在不断升级改造。”董明楷介绍说。

  9月27日,世界经济论坛正式发布新一期的全球制造业领域“灯塔工厂”名单,三一重工北京桩机工厂成功入选,成为全球重工行业首家获认证的“灯塔工厂”。

  三一集团董事、高级副总裁代晴华认为,“灯塔工厂”本质上即智能制造,是遵从于第四次工业革命提出来的以柔性制造为基础的生产方式。劳动者在农耕时代是重体力劳动,蒸汽机的发明以及电器化时代让重体力劳动变成了轻体力劳动,智能制造在数字时代将进一步解放了劳动者。灯塔工厂让人和机器之间形成了一种协同关系,而不仅仅是体力的替代关系。

  代晴华主导这家企业集团海内外多达三十多个工厂的智能化升级。大约在三年前,三一集团在内部启动了一项推动智能制造的数字化改革,并投入了高达一百几十亿元的资金。

  从2019年开始规划到2020年投产,这个桩机工厂克服了大量的问题。“这样的工厂必须采用柔性制造,”董明楷说,“由于单台价格高,整个工厂一年产量大概也就是两千多台,是典型的多品种、小批量产品,有几十个品种,有的型号,比如235型号或者285型号,一次下线至多五、六台,这么小的批量,机器人要用不同的工桩去做,如何去做适配,也考验能力。”

  产线之所以不称产线,而是改成“工作岛”,这就是为了更加灵活地适配生产而形成的生产单元。每个工作岛相对独立,根据分配的工序灵活配置,并通过移动机器人实现工作岛之间的物流联络,以实现任务的实时安排,使生产更具备灵活性。

  代晴华回想起三年前这个工厂的样子。在2018年改造之前,车间里的景象一眼看去杂乱无章,堆满物料和各种各样的工具,彼时厂房内没有任何设备的互联。

  2018年5月1日,根据三一集团的部署,这个工厂给工业互联网服务平台“树根互联”递交了一项任务,即需要将车间内大量的“聋、哑、傻”的老旧设备,进行智能化改造。“聋、哑、傻”意谓这些设备既没有数据输出,也不能说话,也听不懂什么指令,代晴华将之称为工业1.0版本。到2019年,三一实现了对集团各工厂各类设备的连接,所有设备的整体利用率提升了100%。

  代晴华提到,中国的机床实际平均利用率有23%。2019年他参观了中航最先进的机件工厂,利用率能够达到83%。“83%是过去30多位院士做了大量的工作,三一没有这样集中的顶尖资源,但也很快提升到了67%。”代晴华说。

  代晴华认为,在三一众多的工厂中,这个工厂在规模上算是中小型,这能够给中国的大部分中小规模企业带来启发。在2020年举办的乌镇世界互联网大会上,代晴华做了一个大胆的预测,他认为,在三到五年内,中国的中小企业普遍都能够使用工业互联网,5G技术将给智能制造带来巨大的改变。这一切都将不再停留于设想。

  “未来的大量中小企业,4G、5G的发展将给工业互联网带来巨大的好处。它们不需要自建机房,聘用专业的IT人员,小企业甚至使用手机就能实现对设备的管理自己的设备,这背后,一些大型公司的工业互联网的“根平台”可以为这些中小企业低成本提供智能制造的成果应用,提供成熟的工业APP。”代晴华说。

  在变身黑灯工厂之前,这家工厂有1000多名员工,其中有大约400名焊工。

  “像转杆上面的工位对接焊口,在生产很忙的时候,其中的两位焊接工人就成为了重点保护对象。这两位工人必须加班加点工作,否则整个工厂生产不出来了。现在机器人则将他们的技能转移到了软件当中,他们则转而学习机器人的操作,机器人的性能在人机磨合中不断得以优化,经此改变,这个工厂的核心焊接工序产能获得了数十倍的增长。”代晴华介绍。

  这家工厂位于北京西北郊区,在这个寸土寸金的城市,人工的成本同样昂贵,更关键的是,如同中国所有城市的制造车间一样,技术工人的招工变得越来越难。代晴华坦言,在北京这样的地方做制造业,唯一的出路只能是机器替代人、生产管理智能化。人工成本的支出以及招工本身的难度,这是制造业的普遍问题,不是某一家工厂能够解决的。

  不止北京,十年前三一在上海也建了一个厂,上海市政府部门负责人问彼时的代晴华怎么应对大城市的成本和人工问题,代晴华的回答是,他们用300台机器人替代了600名工人。

  “北京的这个工厂现在也用了数百台机器人,但未来可能会更多,以替代大量的劳动力和企业发展的问题。”代晴华说。

  不过,机器人同样需要成本,这也是工厂智能化改造中不得不面对的问题:让机器人进场,从养人变成养机器人,企业就能够负担得起吗?

  代晴华的回答是肯定的:就像餐厅中已经出现机器人送餐、酒店使用机器人服务一样,机器人是中国制造业转型的一个重要工具。并且,对于中小企业来说,这是能够接受的成本。“机器人价格在逐年下降,现在已经比十年前有了大幅下降。十年前一个机器手要30-50万,国产化机器人时代的来临,会将机器人的价格降到10万元以下。”代晴华说。

  眼前的这家黑灯工厂看起来远不是这家工程机械巨头为了“展示”而树立的“示范工程”,三一在打造这样的一家工厂之前曾对成本进行过考量:代晴华说,尽管数字化改造的总支出达到一百几十亿元,但分解到每个单元依然是能够承受的。以在北京的成本为例,一位工人工成本加上五险一金和福利,基本上要20万人民币,三年静态成本60万,动态还不止。机器人便宜的大概10多万,贵的60-70万,一个机器人工作站造价便宜的五六十万,贵的一百多万,算下来一般三年左右可以收回工厂改造的费用。

  尽管机器人替代了流水线上的工人,但新型的工厂意味着需要新型的工厂人才:他们既需要懂工业技术,又要懂软件,还要熟悉业务流程。董明楷介绍,三一为此花了很大的力气,既做内部培养,也包括人才引进。

  过去三年中,这家公司从阿里巴巴、腾讯、百度、华为、京东等互联网公司以及西门子这样的知名国际公司挖掘了大量IT和其他相关高端人才,其智能研究总院的大部分人才都来自于IT领域或者工业企业。

  董明楷本人即是从西门子过来。他认为,三一的几十个工厂虽都属于传统制造业,但这家公司本身具有较好的基础,并提供了一种让数字化技术在这里进行改造的良好环境。

  代晴华提到,一年前,灯塔工厂在启动建设之后,举办了一项庞大的培训计划,给他留下留下深刻印象的是,不管是工人还是工地人员,都要学习机器人操作作业。为此,三一集团在长沙三一工学院专门成立了机器人培训基地。为鼓励员工学习机器人操作的积极性和成效,该公司制订了可观的奖励性政策:工人学会机器人作业,就可以奖励一万元,工资也可以上涨一级。

  培训的效果是显著的,工人的技能得到大幅的提升,凡在生产现场的工人,90%以上都会操作机器人,三一智能工厂作业的水平也得以大幅的提升。但同时也出现一个伴生的现象:这家公司的诸多智能制造人才,开始被外界关注并以更高的“诱惑”“挖”走。

  三一计划,未来将其分布于全球的30多家工厂,最终一个一个全部升级到像桩机灯塔工厂一样的水平,同时这家桩机工厂也还要继续不短优化,使其制造的过程更加地流畅,对人的依赖越来越少。

  代晴华认为,从订单到最后的交付全流程,制造业的决策过程可以做到更加智能化。

  数天之前,在一次会上,三一集团创始人兼董事长梁稳根判断说:“我们认为智能制造是三一事业发展的一个良好的机会和基座,并且它是一种非常新的工业文明。智能制造将深刻地改变人类社会,改变这个世界。”

  代晴华表示,除去招工难、以及人工成本的考量之外,制造企业也不得不考虑外部环境的风险。事实上,做智能制造也在帮助抵御经济、政治壁垒增加的国际贸易环境。2020年之后,叠加新冠疫情这样的突发事件,国际货运成本骤增,这些因素都给国际贸易带来了挑战,对一家逐渐走向世界的中国制造企业而言,外部环境变化的影响在加大。

  代晴华还提到,工程机械是周期性产品,智能制造也在一定程度上对冲了周期带来的风险。“上一个周期中,在销售旺季时,生产高峰需要大量招聘工人,低谷则又要大量解聘工人,这给企业带来巨大的负担。那时候三一集团的员工7万名,其中5万多人是工人。智能制造让我们对产业的把握不再依赖于人力,这个周期,我们的销售额是上个周期的一倍以上,达到1368亿元(2020年),但工人的数量在大幅减少。如果未来3000人能够完成3000亿元的产值,那基本上企业不会再受周期的影响。”

  三一对海外工厂的改造计划目前已经进行了规划。代晴华透露,包括美国工厂在内的海外工厂都将采用这家灯塔工厂的方式来进行建设。

  这样一个的黑灯工厂,其设计和建设完全由三一集团内部的力量完成,并没有倚赖外部单位的协助。

  代晴华提到,几天前,他所在的工作组评审三一美国工厂提出的一个方案,该方案涉及的智能化改造由当年的日本专家做出,但代晴华发现,和三一目前在北京的这家灯塔工厂相比,前者已经开始落伍。“他们的方案中,光是管理人员,就是我们设计管理人员的3-5倍。”

  但对于中国工厂眼下的智能制造道路而言,并不是没有BUG。代晴华坦言,目前制造业智能化真的问题还是工业软件,目前国内运用的软件主要还是来自美国、德国等。

  代晴华提到了云原生技术。“要对这些软件进行替代,我们也找到了方向,新一代云原生技术给我们带来了机会,这让我们在构建新一代工业软件上具备了后发优势,不管是制造过程控制,5G云化控制,我们的云计算都是同一起跑线,甚至在某些领域还可以做到领先。核心在于,这些复杂的工业软件要转化成云原生的工业软件,还需要投入大量的人力物力,还需要中国一大批高级人才来作出共同的努力,这个是我们面临的最大的挑战。”他说。

  长期跟踪工业、信息化领域产业政策和发展动态,重点关注钢铁、能源、通信等相关产业,相关领域上市公司以及大宗商品市场等。擅长深度、人物报道。

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