吉鵬輝,王明棽
(1.山西中條山機(jī)電設(shè)備有限公司,山西 垣曲 043700;2.北京瑞太智聯(lián)技術(shù)有限公司,北京 100083)
數(shù)字化車間是基于精益生產(chǎn)、集成可視化管理、綠色制造等諸多先進(jìn)方法、技術(shù)和管理思想設(shè)計(jì)并建造的信息化車間,具備精細(xì)化管控的能力,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化、敏捷化提供產(chǎn)品制造基礎(chǔ)。隨著鑄造業(yè)的蓬勃發(fā)展、客戶需求逐漸多樣化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈化,如何提升產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、加強(qiáng)客戶關(guān)系、提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力成為各制造廠商最關(guān)注的問(wèn)題[1]。
本文以消失模鑄造產(chǎn)品生命全周期管理和全面質(zhì)量管理為中心,針對(duì)消失模車間進(jìn)行數(shù)字化建設(shè),從而打造具有先進(jìn)性、科學(xué)性、前瞻性的現(xiàn)代化消失模生產(chǎn)標(biāo)桿,構(gòu)建可用性高的消失模鑄造行業(yè)信息化建設(shè)解決方案。項(xiàng)目基于對(duì)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五要素的管理,結(jié)合消失模鑄造的重點(diǎn)質(zhì)量控制點(diǎn)對(duì)消失模鑄造產(chǎn)品全生命周期及產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行全流程覆蓋的生產(chǎn)制造執(zhí)行管理[2]。
實(shí)施內(nèi)容包括對(duì)車間現(xiàn)有設(shè)備、控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,并建設(shè)MES 系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)、風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng),從而解決車間現(xiàn)存的管理問(wèn)題。通過(guò)消失模鑄造車間數(shù)字化建設(shè)對(duì)設(shè)備、工藝、生產(chǎn)組織和各管理系統(tǒng)進(jìn)行信息集成,形成綜合信息流的集成制造系統(tǒng),提供高效、透明的制造環(huán)境,有助于科學(xué)掌控生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、落實(shí)產(chǎn)品質(zhì)量控制、成本管理、提高交貨準(zhǔn)確度,實(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量管理[3]。
作為傳統(tǒng)鑄造行業(yè),消失模鑄造車間生產(chǎn)管理沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信息化管理,企業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析投入了很大的人力物力。然而要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性,就必須保證數(shù)據(jù)的完整性與時(shí)效性,這必須依靠信息化管理手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前,企業(yè)已經(jīng)上線了企業(yè)ERP、LIMS 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),同時(shí)建設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的主數(shù)據(jù)管理,實(shí)現(xiàn)了前端數(shù)據(jù)的應(yīng)用,為后續(xù)的MES 系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。
目前車間內(nèi)部任務(wù)下發(fā)、物料流轉(zhuǎn)、質(zhì)檢報(bào)工、工藝指標(biāo)判定都是通過(guò)人工紙質(zhì)記錄,導(dǎo)致車間信息不透明,領(lǐng)導(dǎo)層及管理部門無(wú)法及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況,進(jìn)而無(wú)法對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。產(chǎn)品質(zhì)量管理不完善,每一工序的操作工、原料批次(爐次)、加工設(shè)備和產(chǎn)品之間缺乏關(guān)聯(lián),因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程追溯。此外,車間整體自動(dòng)化水平較低,多數(shù)數(shù)據(jù)依靠人工輸入、紙質(zhì)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)質(zhì)量、采集效率、存儲(chǔ)時(shí)間和數(shù)據(jù)共享都無(wú)法得到保障。
就目前企業(yè)的消失模生產(chǎn)而言,由于鑄造生產(chǎn)工序流程長(zhǎng)且工藝復(fù)雜,加之其他影響因素導(dǎo)致鑄造生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜繁瑣,傳統(tǒng)消失模鑄造在工廠/車間生產(chǎn)管理過(guò)程中普遍存在以下幾大問(wèn)題:1)車間信息統(tǒng)計(jì)難;2)生產(chǎn)訂單跟蹤難;3)產(chǎn)品質(zhì)量追溯難;4)生產(chǎn)過(guò)程管控難;5)設(shè)備狀態(tài)信息采集難。
數(shù)字化車間的設(shè)計(jì)以提高車間管理水平為核心,基于消失模鑄造工藝流程,結(jié)合消失模鑄造車間現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程及工藝特點(diǎn),通過(guò)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化,MES 系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)、風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)構(gòu)建,視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用,自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)字化設(shè)備改造升級(jí)等方法對(duì)車間現(xiàn)有的管理流程進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)作業(yè)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)共享,生產(chǎn)任務(wù)實(shí)時(shí)跟蹤,產(chǎn)品質(zhì)量全周期可追溯,生產(chǎn)成本可視化,物料流轉(zhuǎn)規(guī)范化。
數(shù)字化消失模鑄造車間MES 系統(tǒng)通過(guò)控制包括物料、設(shè)備、人員、流程指令在內(nèi)的所有資源,優(yōu)化從訂單到產(chǎn)品下線的整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng),以最少的投入生產(chǎn)出最優(yōu)的產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)連續(xù)均衡生產(chǎn)。數(shù)字化車間總體架構(gòu)圖如圖1 所示。
圖1 數(shù)字化車間整體架構(gòu)
MES 系統(tǒng)在生產(chǎn)執(zhí)行層中,承接ERP 系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃信息,進(jìn)行生產(chǎn)的組織、執(zhí)行、跟蹤和實(shí)績(jī)收集,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量、成本、消耗進(jìn)行監(jiān)督和管控,與自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行交互,完成從原輔料配料生產(chǎn)開始至產(chǎn)成品下線的全過(guò)程管理工作。同時(shí),通過(guò)條碼管理和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命全周期可追溯管理,提高產(chǎn)品質(zhì)量管理水平。結(jié)合企業(yè)的特點(diǎn),建立集生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集、過(guò)程監(jiān)視、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)管理為一體的生產(chǎn)管理體系,實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)劃、調(diào)度、執(zhí)行、統(tǒng)計(jì)、分析、績(jī)效考核、計(jì)量管理、質(zhì)量等生產(chǎn)信息,準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)狀況。
構(gòu)建涵蓋生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)執(zhí)行、庫(kù)存、物流、產(chǎn)品追溯、設(shè)備、質(zhì)量、成本、監(jiān)控分析、條碼等11 大管理模塊的MES 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)標(biāo)及考核、生產(chǎn)報(bào)表管理、設(shè)備臺(tái)賬、物料流轉(zhuǎn)等功能的全方位生產(chǎn)管理?;趶?qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程,提供準(zhǔn)確有效的分析數(shù)據(jù)、有價(jià)值的生產(chǎn)管理建議以及強(qiáng)有力的考核措施,提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。建設(shè)獨(dú)具特色的生產(chǎn)管控一體化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)企業(yè)的消失模鑄造車間生產(chǎn)數(shù)字化、可視化、智能化管理。消失模鑄造MES 系統(tǒng)業(yè)務(wù)執(zhí)行流程如圖2 所示。
圖2 MES 系統(tǒng)業(yè)務(wù)執(zhí)行流程圖
將企業(yè)的現(xiàn)有系統(tǒng)與儀表、控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行集中收集存儲(chǔ),整合應(yīng)用,為后期智能化工廠改造打下基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理,抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ),形成基于主數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),依托工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的分布式計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析能力,為消失模鑄造車間MES 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析服務(wù),支撐消失模鑄造車間MES 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算、科學(xué)決策。
新建的工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)功能如下:
1)系統(tǒng)模型:實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的健康運(yùn)行與實(shí)時(shí)安全狀況分析。
2)數(shù)據(jù)治理:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期端到端透明化管控,實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)關(guān)系脈絡(luò)化、數(shù)據(jù)加工可視化、數(shù)據(jù)質(zhì)量度量化、數(shù)據(jù)服務(wù)自動(dòng)化”,全業(yè)務(wù)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3)數(shù)據(jù)處理:實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、外部結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、文本等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)所建立的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、清洗數(shù)據(jù)、治理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)平臺(tái)中相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)存儲(chǔ)平臺(tái)。
5)數(shù)據(jù)分析:由從海量的數(shù)據(jù)中提取有用的知識(shí)。
6)數(shù)據(jù)共享:實(shí)現(xiàn)將工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)共享給其他系統(tǒng),或?qū)⒛愁愋偷臄?shù)據(jù)共享給其他系統(tǒng),可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取、文件傳輸、API 接口服務(wù)等共享。
7)數(shù)據(jù)挖掘:實(shí)現(xiàn)通過(guò)復(fù)雜的算法,從大量無(wú)意義的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用的信息。
8)數(shù)據(jù)可視化:支持通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用、客戶端網(wǎng)頁(yè)的方式展示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析結(jié)果。用戶可在普通電子看板、PC 機(jī)、調(diào)度指揮中心大屏幕上查看相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
9)畫面組態(tài):具有組件技術(shù)的、易學(xué)易用的基本客戶端軟件(B/S),可以方便實(shí)現(xiàn)過(guò)程畫面的組態(tài)與發(fā)布。
10)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù):為確保項(xiàng)目的延續(xù)性及后期可擴(kuò)展性,本次數(shù)據(jù)庫(kù)采用OSIsoft 公司PI 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。
智能設(shè)備與控制系統(tǒng)是未來(lái)企業(yè)建設(shè)成為智能工廠的基礎(chǔ)。為了構(gòu)成從原料、發(fā)泡、熟化烘干、成型、涂料、涂料烘干、熔煉、澆注、打磨、噴漆的消失模鑄造工藝全流程重點(diǎn)裝備和工藝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化,計(jì)劃構(gòu)建統(tǒng)一的自動(dòng)化控制,同時(shí),對(duì)相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過(guò)控制環(huán)網(wǎng)連接,并通過(guò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái),以達(dá)到數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)控制的目的。
自動(dòng)控制系統(tǒng)覆蓋消失模鑄造工藝的各關(guān)鍵控制點(diǎn),包括:
1)烘干房自動(dòng)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)改造:對(duì)現(xiàn)有控制裝置進(jìn)行集中控制,添加上位機(jī)進(jìn)行PLC 編程控制,實(shí)現(xiàn)按工藝工序要求時(shí)間對(duì)烘干房進(jìn)行自動(dòng)控制聯(lián)鎖與報(bào)警功能。聯(lián)鎖系統(tǒng)具備LED 聲光報(bào)警功能,并與MES 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。
2)成型機(jī)PLC 集控系統(tǒng)改造:通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的16 臺(tái)成型機(jī)PLC 的集中控制并收集工藝參數(shù)上傳工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與MES 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互功能,反饋數(shù)量等相關(guān)信息。
3)出爐溫度自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)改造:通過(guò)溫度測(cè)量?jī)x表自動(dòng)采集溫度數(shù)據(jù),在工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)爐溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警,并向MES 系統(tǒng)反饋。
4)壓力儀表自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)改造:通過(guò)壓力儀表裝置自動(dòng)采集壓力數(shù)據(jù),工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),進(jìn)而與MES 系統(tǒng)對(duì)接,對(duì)超過(guò)限值的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警,包括空氣/蒸汽壓力儀表、負(fù)壓管道儀表等。
5)時(shí)間控制自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)改造:通過(guò)計(jì)時(shí)儀表自動(dòng)采集計(jì)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)與MES 系統(tǒng)對(duì)接,對(duì)超過(guò)時(shí)間范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警,包括澆注時(shí)間、保壓時(shí)間等。
新建四套風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng),正壓風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)是利用廠內(nèi)空氣管網(wǎng)提供的0.4 MPa~0.6 MPa 的壓縮空氣,經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐或油水分離器進(jìn)行油水分離后,利用收、發(fā)兩端的收發(fā)裝置,通過(guò)輸送管道將裝有試樣的樣盒從車間發(fā)送點(diǎn)高速輸送至化驗(yàn)室,再將空樣盒返回車間發(fā)送點(diǎn)的試樣快速傳送系統(tǒng),從而將現(xiàn)場(chǎng)試樣輸送到實(shí)驗(yàn)室,并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與MES 系統(tǒng)的對(duì)接。通過(guò)建設(shè)風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試樣快速收發(fā)、檢化驗(yàn)無(wú)紙化作業(yè)、鐵水爐次與化驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)關(guān)聯(lián)并上傳工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。
改造與建設(shè)完成后,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化制造、實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸管理功能,并實(shí)現(xiàn)與工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、下達(dá)與反饋功能。
視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的主要組件包括光源、鏡頭、圖像傳感器、視覺(jué)處理和通信。光源用于對(duì)待檢測(cè)的元件進(jìn)行照明,讓元件的關(guān)鍵特征能夠突顯出來(lái),確保相機(jī)能夠清楚地看到這些特征。鏡頭用于采集圖像,并將圖像以光線的形式呈現(xiàn)給傳感器。然后,高速視覺(jué)相機(jī)中的傳感器將該光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像,然后將該數(shù)字圖像發(fā)送至處理器進(jìn)行分析。
視覺(jué)處理模塊由各種算法組成,這些算法將對(duì)圖像進(jìn)行審核,提取所需的信息,進(jìn)行必要的檢驗(yàn)與識(shí)別,并作出決策。最后,通過(guò)離散I/O 信號(hào)或數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。
視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)原理如圖3 所示。系統(tǒng)配備分辨率為800 萬(wàn)像素以上的單色或彩色手持視覺(jué)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)鑄件上的編號(hào)識(shí)別,并與MES 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全流程的可追溯性。
圖3 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)原理示意圖
通過(guò)消失模鑄造MES 系統(tǒng)的建設(shè),形成豐富的數(shù)據(jù)報(bào)表與統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表,為決策者快速做出調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持?,F(xiàn)場(chǎng)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)與質(zhì)量信息看板,可以直觀反映出當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度與生產(chǎn)異常情況。
通過(guò)波美度檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、計(jì)量控制或提醒、壓型設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、烘干房自動(dòng)聯(lián)鎖、熔煉計(jì)量控制、澆注時(shí)間提醒等數(shù)據(jù)采集以及電子看板等設(shè)備與控制系統(tǒng)的構(gòu)建與建設(shè),可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的控制、預(yù)警,可以實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)信息,并實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)告警功能。
通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè),可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)交互,提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理水平。
通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的建設(shè)與條碼技術(shù)應(yīng)用,克服了消失模鑄造產(chǎn)品在白區(qū)/黑區(qū)間流轉(zhuǎn)的跟蹤難題,實(shí)現(xiàn)了消失模鑄造產(chǎn)品全生命周期可追溯管理。
消失模鑄造車間的數(shù)字化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)質(zhì)量全過(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量全過(guò)程追溯、生產(chǎn)管理信息化、生產(chǎn)制造無(wú)紙化、生產(chǎn)過(guò)程透明化、生產(chǎn)狀態(tài)可視化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì),有效提高生產(chǎn)效率,提升設(shè)備使用率,降低產(chǎn)品不良率,降低庫(kù)存提高周轉(zhuǎn)率。
項(xiàng)目建設(shè)符合《數(shù)字化車間通用技術(shù)要求GB/T37393-2019》標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)自控系統(tǒng)和設(shè)備改造實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造設(shè)備高于70%,生產(chǎn)信息數(shù)采比例高于90%,條碼管理系統(tǒng)確保生產(chǎn)資源信息化識(shí)別,并通過(guò)電腦、工位機(jī)、LED 顯示、移動(dòng)終端等對(duì)車間作業(yè)進(jìn)展和系統(tǒng)數(shù)字化看板進(jìn)行可視化展示。
項(xiàng)目成果可為其他消失模鑄造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)提供思路,并具有較強(qiáng)的拓展性,可延伸至其他鑄造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)從而進(jìn)行產(chǎn)品生命全周期的追溯管理。