控制閥數(shù)字化車間建設(shè)初探

張偉光，朱賢斌

ZHANG Wei-guang, ZHU Xian-bin

（中國聯(lián)合工程公司，杭州 310052）

0 引言

控制閥是工業(yè)過程控制中的主要執(zhí)行單元儀表，在現(xiàn)代化工廠的自動控制中起著十分重要的作用。其生產(chǎn)模式具有“多品種、中小批量、高技術(shù)、以銷定產(chǎn)、定制開發(fā)”的典型特征，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零件加工復(fù)雜，加工精度要求高，產(chǎn)品系譜龐大，品種各異，配置規(guī)則多變。為了適應(yīng)這種生產(chǎn)模式，提升企業(yè)的生產(chǎn)能力、制造水平和競爭實力，某控制閥生產(chǎn)公司以其生產(chǎn)新基地建設(shè)為契機，開展了數(shù)字化車間建設(shè)：打造車間級的柔性制造系統(tǒng)，實施生產(chǎn)過程及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測與控制、柔性物流、自動化裝配和生產(chǎn)過程的仿真。

本文初步探討了“兩化深度融合”、“中國制造2025”背景下，控制閥數(shù)字化制造車間的建設(shè)內(nèi)容，為國內(nèi)同行、同類型或同生產(chǎn)模式企業(yè)的技術(shù)改造升級與數(shù)字化建設(shè)提供一定的借鑒意義[1～4]。

1 控制閥數(shù)字化車間的建設(shè)內(nèi)容

本項目控制閥數(shù)字化車間的建設(shè)內(nèi)容主要包括以下四大板塊：

1）制造系統(tǒng)建設(shè)——構(gòu)建企業(yè)柔性制造系統(tǒng)下的生產(chǎn)組織體系，制定基于數(shù)字化環(huán)境的精益生產(chǎn)管理體系與執(zhí)行規(guī)范，建立車間級制造資源信息模型，開發(fā)針對數(shù)字化車間主干產(chǎn)品的零部件信息模型。

2）車間工藝規(guī)劃——按照數(shù)字化柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)組織體系要求，確定數(shù)字化加工設(shè)備、數(shù)字化測量設(shè)備、生產(chǎn)物流智能裝備和柔性裝配線等工藝設(shè)備，通過合理的工藝規(guī)劃，優(yōu)化資源配置，提高生產(chǎn)效率。

3）智能測控系統(tǒng)的開發(fā)——通過工業(yè)機器人、PLC子系統(tǒng)、RFID等硬件的定制和引進(jìn)，開發(fā)車間級的智能測控系統(tǒng)，并與制造執(zhí)行系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)產(chǎn)品的在線監(jiān)測和管控，保證生產(chǎn)物流的智能化、自動化管理，提高缺陷產(chǎn)品的溯源、設(shè)備的在線監(jiān)控診斷等技術(shù)。

4）IT基礎(chǔ)建設(shè)——組建制造資源信息的數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建車間級工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)制造管理數(shù)據(jù)的在線共享、交換、存儲、傳送、訪問和存檔，提高車間管理的快速化、智能化。

2 數(shù)字化車間的制造系統(tǒng)建設(shè)

數(shù)字化車間存在兩大平行運行的系統(tǒng)：一是按工藝流程的物料、工件組成的實體制造系統(tǒng)（簡稱物理系統(tǒng)），二是與其平行運行的制造數(shù)據(jù)、表單、指令、規(guī)約和代碼等信息和數(shù)據(jù)流動的信息制造系統(tǒng)（簡稱控制系統(tǒng)）。二者形成一個一體化的平行制造系統(tǒng)，如圖1所示。制造系統(tǒng)必須與企業(yè)供應(yīng)鏈管理業(yè)務(wù)相集成，聯(lián)合產(chǎn)品設(shè)計部門，獲取產(chǎn)品開發(fā)計劃引發(fā)的供應(yīng)商選擇決策和生產(chǎn)計劃等信息，確保產(chǎn)品設(shè)計過程決策與企業(yè)供應(yīng)鏈決策之間的匹配性。

圖1 制造過程的流程分析圖

車間級基礎(chǔ)信息模型是兩大平行制造系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)之一，主要包括持續(xù)時間基準(zhǔn)、設(shè)備信息、制造批次、制造指令信息、在制品、材料消耗、產(chǎn)品缺陷、狀態(tài)、庫存等等。

零部件信息的標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)字化車間制造系統(tǒng)運行管理的核心技術(shù)和重要基礎(chǔ)，其設(shè)計內(nèi)容主要是加工對象的標(biāo)準(zhǔn)件、標(biāo)準(zhǔn)材料和標(biāo)準(zhǔn)流程，包括：

1）零部件（閥體、閥蓋、閥芯，以及閥門附件等）標(biāo)準(zhǔn)信息模型；

2）材料（金屬合金、復(fù)合材料、密封材料、絕緣材料等）標(biāo)準(zhǔn)；

3）制造工藝（機械加工、密封、涂裝、熱處理、緊固件安裝等）標(biāo)準(zhǔn)；

4）各類工模夾具標(biāo)準(zhǔn)；

5）試驗方法、控制閥行業(yè)專用測試設(shè)備及測試工藝、測試數(shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)字化車間的工藝規(guī)劃

控制閥的生產(chǎn)工藝流程：原材料——機加工——入中間庫——配貨——裝配測試——入成品庫——發(fā)貨，根據(jù)工藝流程進(jìn)行工藝布局和物流規(guī)劃，并設(shè)置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，聯(lián)入智能測控系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)。

3.1 機加工的“加工島”

本項目機加工設(shè)備布置為出口、入口在同一方向上的U型制造單元，構(gòu)成模塊化、智能化的“加工島”生產(chǎn)模式，如圖2所示：根據(jù)控制閥工藝工序，由若干機床設(shè)備組成半圍合的“加工島”，完成若干道工序，并輔以桁架機器人自動上下料系統(tǒng)，構(gòu)成基于剛性設(shè)備的柔性制造單元，沿各個加工島布局的“主通道”和“副通道”組成矩形網(wǎng)狀物流道路，并采用“拉動式”的準(zhǔn)時化生產(chǎn)模式。

圖2 機加工的“加工島”示意圖

在“加工島”內(nèi)，作業(yè)人員工作在U型的兩邊之間，可以同時操作兩邊相鄰的設(shè)備，提高了作業(yè)人員的工作效率，而且便于隨時調(diào)整生產(chǎn)線上或生產(chǎn)單元內(nèi)的作業(yè)人員數(shù)，以適應(yīng)產(chǎn)品產(chǎn)量需求的變化。

控制閥機加工的“加工島”生產(chǎn)模式減少了企業(yè)的設(shè)備和人力投資，縮短了車間生產(chǎn)物流，降低了運營成本。

3.2 智能化裝配測試系統(tǒng)

本項目裝配生產(chǎn)線根據(jù)產(chǎn)品的型號和生產(chǎn)節(jié)拍，采取樹形結(jié)構(gòu)、串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的生產(chǎn)工藝布局。

產(chǎn)品的裝配分為分裝模塊和產(chǎn)品總裝：分裝模塊可以根據(jù)對市場的預(yù)測及銷售歷史進(jìn)行預(yù)測性裝配，各模塊在不同的裝配線上實現(xiàn)并行裝配：產(chǎn)品總裝則必須考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、裝配的工藝性、模塊接口的特性等因素，根據(jù)組成產(chǎn)品的模塊數(shù)量和類型最少，裝配方向、夾具變換次數(shù)最少，裝配的層次化、并行化等模塊裝配序列規(guī)劃原理，確定模塊化生產(chǎn)方式下的裝配序列。

根據(jù)規(guī)格、重量及設(shè)備加工范圍，本項目裝配包括小規(guī)格產(chǎn)品半自動組裝模塊、大規(guī)格產(chǎn)品半自動組裝模塊、執(zhí)行機構(gòu)自動組裝模塊及控制元件安裝調(diào)試模塊。模塊化的裝配系統(tǒng)，可以針對顧客需求的多樣化、個性化特征，模塊化生產(chǎn)方式可采用多品種裝配流水線，做到產(chǎn)量、品種、工時及生產(chǎn)負(fù)荷的均衡以實現(xiàn)生產(chǎn)平穩(wěn)，并快速響應(yīng)顧客的多樣化需求。

本項目打壓區(qū)測試設(shè)備的功能如下：

1）壓力測試范圍內(nèi)可設(shè)置分段試驗程序，加壓時系統(tǒng)將自動升壓、停機、保壓。

2）自動卸荷功能，容器自動卸荷、急停和超壓自動卸荷功能。

3）試壓過程中預(yù)設(shè)的保壓時間可自由設(shè)定。

4）實時壓力顯示、曲線顯示、時間顯示、工作狀態(tài)顯示等。

5）壓力設(shè)定、標(biāo)定、軟件零位修正功能。

6）系統(tǒng)超壓、故障狀態(tài)反饋等狀態(tài)的報警功能。

7）對被測容器在保壓階段保壓狀態(tài)作出自動判別功能。

測試臺的控制系統(tǒng)是由觸摸屏平板電腦、PLC邏輯控制器、電氣控制元件等組成，主要功能是根據(jù)壓力測試要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動升壓、保壓、卸壓，并能實時顯示、自動記錄、自動計算、數(shù)據(jù)上傳、報告輸出等。

控制閥的裝配和測試構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示，打壓測試區(qū)一律采用在線檢測、實時傳送、自動溯源，從而優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 自動化倉儲

本項目的生產(chǎn)制造是以訂單信息為主要依據(jù)，按照車間生產(chǎn)節(jié)奏，由供貨商及時將所需生產(chǎn)物料配送至指定位置。用于平衡與緩沖企業(yè)外協(xié)件物流管理的中間庫和成品庫則采用PLC控制的自動化立體庫，主要由貨物儲存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和計算機管理系統(tǒng)組成，配以稱重計量系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)和安全死鎖裝置等。儲存系統(tǒng)的每一個貨位都有固定的地址和物料其他儲存信息，通過自動導(dǎo)引車和二維碼智能引導(dǎo)子系統(tǒng)實現(xiàn)物料的有序流動。

圖3 控制閥裝配測試閉環(huán)系統(tǒng)

4.4 數(shù)字化生產(chǎn)物流

物流是整個車間生產(chǎn)過程的核心問題，一個好的物流規(guī)劃可以實現(xiàn)企業(yè)精益生產(chǎn)管理，降低物流成本，減輕員工的工作強度，而且便于把企業(yè)的生產(chǎn)、銷售、研發(fā)、采購等各環(huán)節(jié)進(jìn)行有機結(jié)合，實現(xiàn)物流的數(shù)字化管理。

本項目建立了按訂單生產(chǎn)的拉式生產(chǎn)物流輸送系統(tǒng)：客戶確定訂單后，研發(fā)設(shè)計部門確認(rèn)產(chǎn)品參數(shù)需求和工藝路線，車間排程并下發(fā)至相應(yīng)工位的電子看板；車間工位根據(jù)電子看板的生產(chǎn)計劃和人員、設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，向上游生產(chǎn)線發(fā)布生產(chǎn)需求，并適時向倉庫發(fā)出工模夾具的缺料預(yù)警；AGV小車接到指令后，自動將對應(yīng)零件和所需工模夾具等運送至指定工位，保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

工藝布局和物流規(guī)劃遵循以下原則：

1）物流方向滿足工藝流程需要，物料運輸路線短捷，減少物流工作量和在制品庫存量或庫存時間；

2）針對小批量、多品種的生產(chǎn)性質(zhì)，應(yīng)該能夠適當(dāng)靈活地改變路徑，以加快生產(chǎn)流程；

3）合理配置裝卸運輸設(shè)備，提高物流質(zhì)量，減少自制零件和外購件的損壞；

4）便于廠房土建和公用設(shè)施的設(shè)計建設(shè)，節(jié)約土建投資。

4 智能測控系統(tǒng)的開發(fā)

車間的生產(chǎn)運營采用二維碼和RFID技術(shù)，實時采集生產(chǎn)基本資料的當(dāng)前狀態(tài)，包括產(chǎn)品零部件的位置、狀態(tài)和完成情況，制造設(shè)備的工藝參數(shù)、安全運行和自動化控制，人員的在崗狀態(tài)、工作效率，物料的庫存和配送狀態(tài)，設(shè)備的安全預(yù)警、維修保養(yǎng)的提醒等。智能測控系統(tǒng)大大提高生產(chǎn)運營和管理的及時性、準(zhǔn)確性，提高設(shè)備的使用壽命，保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。

5 數(shù)字化車間IT 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是制造企業(yè)開展網(wǎng)絡(luò)化制造及供應(yīng)鏈協(xié)同的關(guān)鍵IT基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字化車間是全企業(yè)實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個車間級（或現(xiàn)場級）子網(wǎng)。車間無線網(wǎng)絡(luò)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)制造物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸，并與工業(yè)現(xiàn)場Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)相連接，實現(xiàn)車間之間調(diào)度管理計算機的傳輸與數(shù)據(jù)融合，以支持制造物聯(lián)環(huán)境下的生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)業(yè)務(wù)間的協(xié)同工作。

6 結(jié)論

本文以某控制閥生產(chǎn)公司為例，初步探討了數(shù)字化車間的建設(shè)內(nèi)容，其實施過程是一個系統(tǒng)工程，必須統(tǒng)籌規(guī)劃：基于車間無線/有線傳感系統(tǒng)及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等IT基礎(chǔ)設(shè)施，通過上層應(yīng)用系統(tǒng)對生產(chǎn)過程及過程設(shè)備的訪問，將企業(yè)制造系統(tǒng)及生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)、信息的知識化等過程集成在一起，通過關(guān)鍵智能裝備的應(yīng)用，實現(xiàn)車間級智能制造、智能物流、智能調(diào)度、自動檢測與控制，將企業(yè)高端技能型人才智能融入到產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程設(shè)計、生產(chǎn)計劃調(diào)度、工藝過程控制、設(shè)備檢測、質(zhì)量監(jiān)測、自動化裝配等環(huán)節(jié)，顯著提高控制閥制造系統(tǒng)主要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能化水平。

數(shù)字化車間技術(shù)適合于“多品種、中小批量、定制化”的生產(chǎn)模式，對于提升離散型制造企業(yè)的制造能力具有重要意義，可以大大促進(jìn)中小型制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，提升企業(yè)的綜合實力和市場競爭力。

該控制閥公司的數(shù)字化車間實施建設(shè)是我國在控制閥生產(chǎn)制造領(lǐng)域的一次重要嘗試，對其他同行、同類型或同生產(chǎn)模式企業(yè)和工廠的技術(shù)升級和數(shù)字化建設(shè)具有一定的借鑒意義，對我國由制造大國向制造強國邁進(jìn)具有推動作用。

[1] 工信部聯(lián)信[2011] 160號文件.關(guān)于加快推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的若干意見[Z].

[2] 周濟.制造業(yè)數(shù)字化智能化[J].中國機械工程,2012,23(20):2395-2400.

[3] 國務(wù)院.中國制造2025[Z],2015.

[4] 張建超,王峰年,楊少霞,等.關(guān)于制造業(yè)數(shù)字化車間的建設(shè)思路[J].制造業(yè)自動化,2012,34(8):4-7.