基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)智能制造工廠建設(shè)分析

摘 要：當(dāng)前，世界制造業(yè)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局正在發(fā)生重大調(diào)整，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的核心內(nèi)容，智能制造也已成為全球制造業(yè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。本文梳理了目前國(guó)內(nèi)訂單式生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀，并根據(jù)訂單式生產(chǎn)企業(yè)的特點(diǎn)，提出了基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)智能制造工廠建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)思路，并著重從訂單式生產(chǎn)企業(yè)車(chē)間智能制造和未來(lái)精益生產(chǎn)方面論述了訂單式生產(chǎn)企業(yè)智能制造工廠建設(shè)的內(nèi)容和意義，為訂單式生產(chǎn)企業(yè)智能制造工廠建設(shè)方向提供了指引。

關(guān)鍵詞：訂單式生產(chǎn)；盾構(gòu)機(jī)；智能制造工廠

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0011-03

Analysis of Shield Machine Intelligent Manufacturing Plant

Construction Based on Order Production

DI Xiaohong

（China Railway Engineering Equipment Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： At present， the world's manufacturing industry is undergoing a major adjustment in its competitive landscape. Digitalization， networking and intelligence have become the core content of the new round of industrial revolutions. Intelligent manufacturing has also become a strategic commanding height for global manufacturing. This paper sorted out the current status of domestic order-based production enterprises， and according to the characteristics of the order-type production enterprises， put forward the top-level design ideas for the construction of shield machine intelligent manufacturing plant construction based on order production，and focued on the content and significance of order-based manufacturing companies' intelligent manufacturing plant construction from the order-based manufacturing company's workshops' intelligent manufacturing and lean production， and provided guidance for the order-based production enterprises' intelligent manufacturing plant construction direction.

Keywords： make to order；shield machine；intelligent manufacturing plant

隨著全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，我國(guó)制造業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，推進(jìn)我國(guó)制造業(yè)供給側(cè)改革，構(gòu)建新型制造體系，國(guó)家先后頒布了《中國(guó)制造2025》《智能制造工程實(shí)施指南（2016—2020年）》等一系列重要文件，發(fā)改委、工信部、財(cái)政部和國(guó)資委等就推動(dòng)兩化融合和智能制造出臺(tái)了一系列措施，為智能制造發(fā)展指明了方向。在制造業(yè)的改革熱潮中，流程生產(chǎn)行業(yè)和離散制造行業(yè)不斷涌現(xiàn)出一批智能制造走在前列的企業(yè)，為后續(xù)企業(yè)智能制造建設(shè)提供了一定的參考和借鑒，訂單式生產(chǎn)的離散制造業(yè)也開(kāi)始通過(guò)建設(shè)智能制造工廠的方式來(lái)改變目前工廠生產(chǎn)和管理的局限性[1]。

1 訂單式生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀分析

訂單式生產(chǎn)企業(yè)如盾構(gòu)機(jī)，有著小批量、多品種和大規(guī)模的生產(chǎn)特點(diǎn)，加工和裝配過(guò)程比較復(fù)雜，且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，受外部訂單影響，往往會(huì)出現(xiàn)多個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃同時(shí)進(jìn)行，成千上萬(wàn)種物料非連續(xù)式地經(jīng)過(guò)不同的工藝過(guò)程同時(shí)生產(chǎn)的情況?；谟唵问缴a(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)特點(diǎn)總結(jié)如下。

①受客戶(hù)個(gè)性化定制的影響，訂單式生產(chǎn)企業(yè)（如盾構(gòu)機(jī)）根據(jù)其構(gòu)成不同，種類(lèi)較多，且批量生產(chǎn)的可能性極小[2]。

②訂單式生產(chǎn)模式的盾構(gòu)機(jī)企業(yè)受訂單隨機(jī)性的影響，對(duì)企業(yè)的制造能力搭配、設(shè)備搭配、基礎(chǔ)設(shè)施的配備、庫(kù)存的控制和存貨管理等帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

③由于盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期較長(zhǎng)，且重復(fù)使用概率極低，很難使用固定的流程或裝配線來(lái)完成不同訂單產(chǎn)品的生產(chǎn)。

④非流程式制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及變更信息向制造端傳遞不及時(shí)，制造信息向設(shè)計(jì)端反饋不及時(shí)而導(dǎo)致的工藝工序相沖突或者庫(kù)存物料分配不精確等情況時(shí)有發(fā)生。

⑤對(duì)于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)企業(yè)來(lái)說(shuō)，由于其裝配工序復(fù)雜，因此人工工位不可或缺。但由于人工操作的不穩(wěn)定性，往往使產(chǎn)品質(zhì)量水平難以控制，導(dǎo)致制造成本增加等。

隨著盾構(gòu)機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)快速發(fā)展的需求，企業(yè)急需通過(guò)先進(jìn)的理念和措施保證生產(chǎn)流程高效運(yùn)行。在新一輪智能制造改革的摸索和嘗試過(guò)程中，訂單式生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)逐漸形成了幾種成熟穩(wěn)定的模塊，如智能倉(cāng)儲(chǔ)、智能物流、智能焊接、智能檢測(cè)、智能裝配和可視化看板等。

2 基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)智能制造工廠建設(shè)探討

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期困擾訂單式生產(chǎn)企業(yè)管理痛點(diǎn)的分析和討論，總結(jié)出對(duì)基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)車(chē)間，要實(shí)現(xiàn)智能制造的全面建設(shè)，在設(shè)計(jì)、制造和管理方面建立一個(gè)完整的產(chǎn)品全生命周期的追溯機(jī)制仍然必不可少。在設(shè)計(jì)方面，要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期管理（PLM）[3]；在制造方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)，關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)件的智能焊接、生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；在管理方面，實(shí)現(xiàn)采購(gòu)、庫(kù)存、生產(chǎn)、財(cái)務(wù)等業(yè)務(wù)的緊密協(xié)同作業(yè)。而要實(shí)現(xiàn)上述功能，首先要搭建盾構(gòu)機(jī)智能制造層級(jí)，通過(guò)不同層級(jí)功能的互通實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)智能制造工廠建設(shè)。

2.1 智能制造系統(tǒng)層級(jí)搭建

按照智能制造系統(tǒng)層級(jí)，自下而上分可將其分為車(chē)間設(shè)備層、車(chē)間控制層、車(chē)間應(yīng)用層、企業(yè)管理層和協(xié)同層等。訂單式生產(chǎn)企業(yè)智能制造工廠的車(chē)間設(shè)備層主要由工業(yè)機(jī)器人、智能物流設(shè)備、智能檢測(cè)設(shè)備、射頻識(shí)別、立體倉(cāng)庫(kù)和數(shù)控機(jī)床等組成，其基本特征是人機(jī)協(xié)同和人機(jī)交互；車(chē)間控制層主要由PLC與數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)等構(gòu)成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與制造數(shù)據(jù)采集；車(chē)間應(yīng)用層主要由制造執(zhí)行MES系統(tǒng)和倉(cāng)儲(chǔ)管理WMS系統(tǒng)組成，與企業(yè)管理層協(xié)同生產(chǎn)和利用PLM對(duì)產(chǎn)品制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，并對(duì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，達(dá)到排產(chǎn)智能化、生產(chǎn)過(guò)程智能化、質(zhì)量過(guò)程控制智能化等；企業(yè)管理層主要由ERP等組成，其主要作用是對(duì)企業(yè)的內(nèi)部資源（人、財(cái)、物等）進(jìn)行合理化分配和優(yōu)化，減少資源占用成本，實(shí)現(xiàn)智能決策[4]。盾構(gòu)機(jī)智能制造系統(tǒng)各層級(jí)的具體內(nèi)容如圖1所示。

2.2 智能倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物料的種類(lèi)和數(shù)量極其龐大。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品種類(lèi)的不斷增加，物料管理對(duì)傳統(tǒng)的管理模式提出了巨大挑戰(zhàn)。但是，生產(chǎn)過(guò)程中因物料管理問(wèn)題而導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃不能按期執(zhí)行的情況時(shí)有發(fā)生[5]。

通過(guò)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)物料從采購(gòu)到入庫(kù)再到計(jì)劃派料、出庫(kù)流程無(wú)紙化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)存取物料自動(dòng)化等一整套系統(tǒng)作業(yè)，并通過(guò)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)WMS和智能物流系統(tǒng)WCS的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的自動(dòng)存儲(chǔ)，自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，提升訂單式生產(chǎn)企業(yè)的物料管理自動(dòng)化水平。

智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型的物料進(jìn)行分塊管理，自動(dòng)完成物料的出入庫(kù)作業(yè)。WMS倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)能提供準(zhǔn)確的庫(kù)存數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)出入立體庫(kù)的物流進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與調(diào)度，并對(duì)出入庫(kù)作業(yè)進(jìn)行最佳分配、調(diào)度和控制，及時(shí)、準(zhǔn)確完成貨物的出入庫(kù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與物流信息的同步管理。此外，WMS倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和普通貨架庫(kù)的綜合管理。

2.3 智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)

基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)件焊接主要以人工焊接為主，焊接效率較低且焊接質(zhì)量受人為因素影響較大，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣等對(duì)工人的健康影響也較大。

智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)可針對(duì)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)件（刀盤(pán)、盾體、驅(qū)動(dòng)箱等）的焊接工藝特點(diǎn)，結(jié)合行業(yè)內(nèi)成熟的機(jī)器人自動(dòng)焊接方式和自動(dòng)焊接工藝，對(duì)大型結(jié)構(gòu)件如刀盤(pán)等進(jìn)行分步智能焊接[6]。智能機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接流程為通過(guò)結(jié)構(gòu)件數(shù)據(jù)模型與加工設(shè)備之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，利用機(jī)器人離線編程和焊接工藝仿真，驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)件的智能化焊接。同時(shí)，焊接機(jī)器人可完成由結(jié)構(gòu)件的部件到整體的分步智能焊接，焊接效率大大提高。

2.4 電子看板

電子看板是精益生產(chǎn)目視化管理的重要手段，能夠迅速收集并反饋車(chē)間的實(shí)時(shí)信息。車(chē)間管理人員可以通過(guò)看板信息及時(shí)了解盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)車(chē)間的在建項(xiàng)目信息、生產(chǎn)活動(dòng)信息、物料狀態(tài)信息和工序工位實(shí)時(shí)狀態(tài)信息等[7]。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)車(chē)間的所有看板進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并進(jìn)行集中控制，能夠?qū)崟r(shí)掌握全局動(dòng)態(tài)，為生產(chǎn)調(diào)度提供指導(dǎo)。

在質(zhì)量控制方面，通過(guò)看板系統(tǒng)與車(chē)間執(zhí)行MES系統(tǒng)的有效對(duì)接，使看板系統(tǒng)中的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)與工位的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)相結(jié)合，能有效指導(dǎo)工人進(jìn)行作業(yè)，并對(duì)工位的工序進(jìn)行質(zhì)量把控，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量控制，提升盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量，降低成本。

2.5 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控

智能制造在設(shè)備監(jiān)控和維護(hù)上的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地將產(chǎn)品在車(chē)間制造過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集和快速處理，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和反饋，向PDM/ERP/MES等信息化系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[8]。這對(duì)于訂單式生產(chǎn)企業(yè)的智能化建設(shè)具有重要意義。

通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)焊接車(chē)間、裝配車(chē)間和機(jī)加工車(chē)間等的所有底層數(shù)字化設(shè)備集中化監(jiān)測(cè)與控制，采集所有核心運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)、物料識(shí)別數(shù)據(jù)和工藝加工數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備運(yùn)行情況的可視化、故障報(bào)警實(shí)時(shí)提示與處理等，并實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與控制。

3 未來(lái)展望

對(duì)于訂單式生產(chǎn)企業(yè)而言，對(duì)車(chē)間不同模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或者智能化只是智能制造改革的第一步，未來(lái)還要向信息化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，打通企業(yè)各部門(mén)或各功能車(chē)間之間的信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。通過(guò)MES系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行掌控，并對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和自主優(yōu)化執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量管理；通過(guò)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綁定，實(shí)現(xiàn)虛擬工廠實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控，并通過(guò)ERP或MES獲取車(chē)間產(chǎn)線信息，對(duì)車(chē)間產(chǎn)線工藝、物流仿真進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)智能制造工廠生產(chǎn)的準(zhǔn)時(shí)化和自動(dòng)化；在并行工程方面，主要從設(shè)計(jì)開(kāi)始，利用CAPP工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程的管理（PLM），提高工藝設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，最終達(dá)到車(chē)間精益化生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于訂單式生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)智能制造工廠是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的信息管理平臺(tái)，以工廠設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。在盾構(gòu)機(jī)車(chē)間整個(gè)生命周期內(nèi)的關(guān)鍵工作流程中，企業(yè)會(huì)大大受益于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和其他信息系統(tǒng)的協(xié)作功能。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)全生命周期的管理，智能制造工廠的數(shù)據(jù)可以在工廠中不斷更新、維護(hù)和再利用。

總之，智能制造工廠的建立和應(yīng)用可推動(dòng)企業(yè)逐步形成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的新模式，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，滿(mǎn)足企業(yè)快速發(fā)展的需要。

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