蔣 明

（滄州明珠塑料股份有限公司 企管部，河北 滄州 061001）

1 引言

燃氣是易燃易爆氣體，2021年6月13日6時30分許，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故，41廠菜市場被炸毀，爆炸造成多人受困，隨后遼寧、河北等地又連續(xù)發(fā)生多起燃氣事故。燃氣事故頻發(fā)，嚴重威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。2021年11月，國務院安委辦印發(fā)通報，要求各地區(qū)、各有關部門和單位深刻吸取燃氣事故教訓，全面加強城市燃氣安全工作，堅決扭轉當前燃氣事故多發(fā)勢頭。

在此背景下，聚乙烯燃氣管材作為城市燃氣管網(wǎng)的重要組成部分，其產(chǎn)品質量安全也備受關注。以新奧集團、港華燃氣、華潤燃氣以及燃氣企業(yè)聚乙烯（PE）輸配系統(tǒng)質量控制合作小組為核心的國內(nèi)各大城市燃氣運營商，紛紛對燃氣管材產(chǎn)品提出了更嚴格的產(chǎn)品質量要求和更嚴苛的生產(chǎn)過程控制和產(chǎn)品質量追溯能力要求。為了保障人民群眾生命財產(chǎn)安全、滿足客戶要求和提高市場競爭力，建設聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間，已成為必然之舉。

本文以滄州明珠塑料股份有限公司建設聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間項目為例，闡述聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設與應用的經(jīng)驗。

2 項目建設背景

2.1 聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)工藝流程

聚乙烯燃氣管材在擠出生產(chǎn)線上生產(chǎn)，由壓力管材專用聚乙烯顆粒經(jīng)過烘干機烘干后由集中供料管道送入擠出機料筒，經(jīng)電加熱至熔融溫度180~220 ℃左右轉動擠出機螺桿，在6~20 MPa壓力下，機筒內(nèi)的物料完全由固態(tài)顆粒向熔融態(tài)轉變并實現(xiàn)初步塑化，待從模具擠出的后即形成已塑化好的管坯，進入真空定徑機后，大量冷卻水直接噴淋在管坯上，管坯快速降溫硬化定型為管材，進入冷卻水箱進行冷卻淋浴至30 ℃左右，在牽引機連續(xù)牽引下合格產(chǎn)品即可印字切割下線，進行檢驗。整個生產(chǎn)過程由電腦控制，形成聯(lián)動生產(chǎn)線，開機正常后人工主要負責加料、檢查和運送成品。典型工藝流程如圖1所示。

圖1 聚乙烯燃氣管材工藝流程

2.2 傳統(tǒng)聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)車間存在的問題

隨著國家和燃氣行業(yè)對燃氣管材產(chǎn)品質量要求的提高和北方城市煤改氣工作逐步推進，燃氣管材產(chǎn)品的需求增加，傳統(tǒng)燃氣管材車間的兩化融合水平和質量管理能力愈發(fā)難以滿足市場需求，具體包括以下幾個方面：

1）生產(chǎn)過程控制和預警能力欠缺。傳統(tǒng)管材生產(chǎn)車間一般采用自動化擠出生產(chǎn)設備，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，只能由工人在現(xiàn)場操作和調整參數(shù)，無法實現(xiàn)設備集中監(jiān)控實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、存儲和生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析，不能對設備參數(shù)設置的正確性及時驗證，也不能對設備和生產(chǎn)異常情況進行預警。

2）質量追溯能力不能支持客戶需求。由于不能采集設備運行和工藝記錄，只能通過人工進行定時抄報，準確性、及時性都難以保證。同時，由于采用紙質報表，抄報的數(shù)據(jù)存放分散、口徑難以統(tǒng)一、抄報效率低、數(shù)據(jù)量小、查詢檢索困難，因此所采集的數(shù)據(jù)不能滿足本公司和下游客戶對產(chǎn)品質量追溯的需求。

3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總效率較低。由于無法實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲，只能通過人工錄入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)量匯報、用料匯報均需專人負責在每班結束后錄入ERP系統(tǒng)，不但時效性差而且耗費人工，準確性也難以保證。

為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和人力成本、加強生產(chǎn)管理、建立產(chǎn)品質量追溯平臺，滿足市場的需要，建設燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間成為必然的選擇。

3 數(shù)字化車間建設內(nèi)容

3.1 數(shù)字化車間建設方案

（1）生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集改造方案

鑒于原有生產(chǎn)線各類采集模塊普遍老化甚至故障的情況，需要對管材生產(chǎn)線各采集點進行全面改造： 對巴頓或瑪菲主機的數(shù)據(jù)通過相應 OPC Server 進行采集；測厚儀設備通過OPC協(xié)議直接從測厚儀獲??；對于生產(chǎn)線尚未集成的采集點，安裝相應的傳感器件，每個設備的采集信號線集中接入一個接線盒內(nèi)（當需要調換設備的時候，直接插拔接線盒上的接頭即可，從而實現(xiàn)設備的即插即用，最大限度地簡化了生產(chǎn)一線的操作難度），再由接線盒轉接到采集箱中的PLC上，PLC將采集到的數(shù)據(jù)以Modbus TCP協(xié)議方式上傳到采集系統(tǒng)；對生產(chǎn)電量的采集，采用帶 RS485 接口的電表，再接轉換模塊，轉換為 Modbus TCP 協(xié)議方式上傳到采集系統(tǒng)。生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集平臺硬件架構如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集平臺硬件架構圖

（2）生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES）方案

MES利用PowerBuilder開發(fā)，利用Satrda中間件實現(xiàn)基于三層分布式架構設計，系統(tǒng)前端、中間層和后端均采取全面的安全防護技術，保證系統(tǒng)的安全運行。

MES使用socket接口與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）交互產(chǎn)量信息和質量信息，SCADA系統(tǒng)中每采集到一根管材下線即在MES中自動生成一條產(chǎn)品產(chǎn)量信息，由檢驗人員錄入自檢信息，自檢結果回傳到SCADA系統(tǒng)中，及時在現(xiàn)場顯示屏上顯示合格的產(chǎn)量信息。

MES與現(xiàn)有ERP系統(tǒng)通過Web Service集成，共用一套基礎資料、單據(jù)和流程數(shù)據(jù)；ERP系統(tǒng)中的訂單信息，可由MES調用，根據(jù)產(chǎn)品與設備匹配情況、設備排產(chǎn)和運行情況共同輔助生成排產(chǎn)計劃；排產(chǎn)計劃由機臺在生產(chǎn)前調取，可在系統(tǒng)中查看產(chǎn)品工藝檔案，并將產(chǎn)品工藝信息推送至SCADA系統(tǒng)中，使SCADA系統(tǒng)能在實際工藝運行參數(shù)與設定參數(shù)不符時及時報警提示；自檢員在MES中錄入產(chǎn)品檢驗記錄后，在每班后結產(chǎn)會自動生成ERP系統(tǒng)生產(chǎn)匯報/報檢單，供ERP系統(tǒng)中產(chǎn)品檢驗、入庫調用。

MES使用 HTTP 接口實現(xiàn)通過企業(yè)微信將報警、通知消息發(fā)送給相關人員，使現(xiàn)場人員和管理人員及時掌握設備、工藝問題報警，及時處理現(xiàn)場問題；使排產(chǎn)和生產(chǎn)調度人員能夠實時掌握生產(chǎn)完成情況，及時指導現(xiàn)場人員切換生產(chǎn)任務。生產(chǎn)管理系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)管理系統(tǒng)架構圖

（3）數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）方案

以分布式實時數(shù)據(jù)庫為核心，保證采集數(shù)據(jù)的高效性和可靠性；通過環(huán)形網(wǎng)絡實現(xiàn)可靠的工業(yè)通信設計，支持 OPC、OPC UA、ModbusTCP、Profinet 等多種工業(yè)驅動協(xié)議；以 kafka 作為消息隊列，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速推送和共享；后臺系統(tǒng)采用微服務架構，降低業(yè)務耦合度，方便后續(xù)升級維護。

系統(tǒng)采用容器化（docker）運行，可快速實現(xiàn)分布式部署和集群擴展；用戶界面采用 Web 頁面技術，前后端分離模式；采用SSL加密傳輸和token機制，保證Web端訪問的安全；實現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務需求進行集群擴展，實現(xiàn)負載均衡和核心業(yè)務模塊和數(shù)據(jù)庫容災備份。

開發(fā)界面化的后臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對服務器的各個業(yè)務進程進行監(jiān)控，能觀察每個模塊的運行狀態(tài)、資源占用、運行日志。進程意外終止時能自動拉起、支持手動停止和開啟。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)架構圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)架構圖

3.2 數(shù)字化車間建設結果和實現(xiàn)的功能

完成了生產(chǎn)線集中監(jiān)控數(shù)據(jù)采集改造。通過對擠出機及輔助設備進行物聯(lián)網(wǎng)改造，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控與集中存儲。

完成了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控平臺建設。實現(xiàn)了設備運行信息實時在集中監(jiān)控平臺上展示，對生產(chǎn)異常信息、設備故障信息實時監(jiān)控，通過生產(chǎn)現(xiàn)場安燈系統(tǒng)、企業(yè)微信、平臺消息等方式實現(xiàn)及時報警，并實現(xiàn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、設備運行記錄、質量數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等向關聯(lián)的大數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)運行效果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控平臺運行效果圖

完成了MES開發(fā)。將產(chǎn)品設計圖紙、產(chǎn)品工藝文件等納入MES管理；產(chǎn)品設計圖樣、產(chǎn)品工藝文件等技術資料隨生產(chǎn)任務發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)在現(xiàn)場及時查看；與金蝶ERP系統(tǒng)對接實現(xiàn)了將金蝶生產(chǎn)任務單排產(chǎn)到機臺的功能；實現(xiàn)了產(chǎn)量自動采集與金蝶ERP系統(tǒng)對接生成產(chǎn)量匯報單據(jù)；實現(xiàn)了產(chǎn)品檢驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場錄入、分析和檢驗報告輸出功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化。MES運行效果如圖6所示。

圖6 MES運行效果圖

完成了產(chǎn)品質量一碼追溯平臺建設。實現(xiàn)了通過掃描粘貼在燃氣管材產(chǎn)品上的二維碼，即可顯示包括原料材質單、原料入庫檢驗結果、生產(chǎn)領料記錄、生產(chǎn)記錄、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、生產(chǎn)過程實時壁厚、產(chǎn)品檢驗結果、產(chǎn)品銷售記錄等質量追溯記錄。

4 項目建設成效

1）通過建設生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場設備異常和工藝數(shù)據(jù)異常的及時報警，生產(chǎn)現(xiàn)場控制能力和產(chǎn)品質量控制能力明顯增強，原料收率從98.2%提高到99.4%；實現(xiàn)了產(chǎn)品質量全程可追溯，公司質量管理更規(guī)范，也滿足了客戶對質量追溯的要求。

2）通過自動采集生產(chǎn)過程信息及產(chǎn)量信息，減少人工錄入內(nèi)容，減少生產(chǎn)及數(shù)據(jù)錄入人工投入12人，降低人工成本約126萬元。

3）通過生產(chǎn)資源及排產(chǎn)的可視化，輔助優(yōu)化排產(chǎn)，生產(chǎn)運行效率得到了較大提升，設備有效工時利用率從94.5%提高到98.2%；較上年噸電耗降低2%、噸水耗降低13%；設備換模全年累計時間減少1 570小時，廢料減少7%，每年降低相關生產(chǎn)成本350萬元。

5 經(jīng)驗與做法

5.1 注重信息系統(tǒng)間的深度融合，避免信息孤島的產(chǎn)生

項目實施過程中應始終注重新的信息系統(tǒng)與已有信息系統(tǒng)的深度融合，堅持各項基礎資料的統(tǒng)一管理，保障基礎資料的唯一和一致性，在各系統(tǒng)間通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交換，所有需要審批的工作都通過OA系統(tǒng)工作流統(tǒng)一審批，從而在提高工作效率的同時避免系統(tǒng)不斷增加后各系統(tǒng)之間產(chǎn)生信息孤島。

5.2 鼓勵主動創(chuàng)新，容忍善意錯誤

在項目實施過程中應充分激發(fā)項目組人員和員工的積極性和創(chuàng)造性，在項目前期調研工作中充分收集各崗位意見，鼓勵員工提出合理化建議和技改技措方案，一經(jīng)采納均給予物質獎勵，充分調動了員工的積極性，使項目在落地過程中更接地氣，系統(tǒng)使用更加高效便捷；對于員工在系統(tǒng)、設備初上過程中為了更加有效地提高工作效率而進行測試或尋求捷徑造成的數(shù)據(jù)錯誤或產(chǎn)品瑕疵，應予以充分理解，對見到成效并形成經(jīng)驗的予以獎勵。

5.3 充分利用內(nèi)部知識資源與能力，打造適合企業(yè)需求的個性化系統(tǒng)

在項目實施過程中，除了充分進行調研外，也充分利用自有的開發(fā)、研發(fā)能力。對于硬件設備，先組織工藝、設備、市場各部門人員組織研討會、論證會明確下游客戶和內(nèi)部實際需求，形成內(nèi)部方案，然后再與設備廠商進行溝通，將項目需求附加于廠商提供的解決方案上，以力求設備滿足項目預期；軟件系統(tǒng)方面，由于公司管理體系和工作流程的個性化都較強，除了需要非常規(guī)范的財務系統(tǒng)采用金蝶標準ERP模塊外，對金蝶的物流、生產(chǎn)、成本模塊都進行了深度的二次開發(fā)，本項目中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，沒有采購成型的商業(yè)軟件，而是采取了自主開發(fā)的方式，既保證了系統(tǒng)開發(fā)結果完全符合公司個性化需求，也保證了項目完成后修改和維護的便利性。

6 愿景與展望

聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設，既是提高燃氣管網(wǎng)產(chǎn)品質量安全的必由之路，又為提高燃氣管材產(chǎn)品生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本提供了有力支撐。通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化改造，使車間各項數(shù)據(jù)變得更透明和可追溯，為生產(chǎn)管理人員、質量管理人員和經(jīng)營決策人員，提供了更為詳盡的管理數(shù)據(jù)，方便其做出及時而準確的決策。

同時，聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設也是新一代信息技術與質量管理相融合的典型應用，符合國家開展質量提升行動實現(xiàn)質量強國戰(zhàn)略的總體方向，滄州明珠的數(shù)字化車間建設經(jīng)驗也必將帶動整個燃氣管道行業(yè)以數(shù)字化賦能質量管理，更充分地保障人民生命財產(chǎn)安全。