硬質(zhì)合金智能工廠設(shè)計(jì)

譚 鑫，張建新，李怡然，羅 佳，賀 甜，周曉輝

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

自20世紀(jì)80年代末智能制造提出以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)智能制造技術(shù)進(jìn)行了各種研究。我國(guó)工信部相關(guān)文件將智能制造定義為：基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。實(shí)施智能制造能夠給當(dāng)今制造業(yè)帶來(lái)深刻變化，具體可以概括為：“兩提升、三降低”，即：生產(chǎn)效率的大幅度提升，資源綜合利用率的大幅度提升；研制周期的大幅度縮短，運(yùn)營(yíng)成本和單位產(chǎn)值能耗的大幅度下降，產(chǎn)品不良品率的大幅度下降[1，2]。因而，發(fā)展智能制造技術(shù)已成為世界制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢(shì)，世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力推廣和應(yīng)用。

發(fā)展智能制造既符合我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是重塑我國(guó)制造業(yè)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇，因此我國(guó)把發(fā)展智能制造提升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度。工信部2015年5月正式提出《中國(guó)制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略，并采取一系列政策、措施與舉措，在我國(guó)全行業(yè)推動(dòng)智能制造的普及與應(yīng)用。

從1948年大華電冶金廠首次生產(chǎn)鎢鈷硬質(zhì)合金至今，我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)已經(jīng)飛速發(fā)展了七十年，各類(lèi)產(chǎn)品齊全，生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列。但目前我國(guó)硬質(zhì)合金行業(yè)仍存在高端產(chǎn)能比重不足，低端產(chǎn)能過(guò)剩；科技投入不高、原始創(chuàng)新能力不強(qiáng)；生產(chǎn)自動(dòng)化程度不高、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題[3-6]。

要解決上述問(wèn)題，一方面要加大工藝研發(fā)力度，采用先進(jìn)工藝提升硬質(zhì)合金產(chǎn)品的性能和質(zhì)量；另一方面需加大設(shè)備研發(fā)力度，加強(qiáng)信息技術(shù)與制造融合，實(shí)行智能制造，是目前硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展最重要的課題，也是當(dāng)前新型制造行業(yè)飛躍發(fā)展和傳統(tǒng)制造業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要。我國(guó)已經(jīng)有部分硬質(zhì)合金企業(yè)開(kāi)展了智能制造生產(chǎn)方式的應(yīng)用探索，開(kāi)始嘗試數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。但整體而言，我國(guó)目前硬質(zhì)合金生產(chǎn)技術(shù)水平仍處于機(jī)械化、電氣化階段。在“中國(guó)制造2025’”重點(diǎn)發(fā)展十大領(lǐng)域——新材料重點(diǎn)領(lǐng)域中，硬質(zhì)合金是重中之重。面臨這樣全面做大做強(qiáng)，優(yōu)化升級(jí)的重大歷史機(jī)遇，硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)應(yīng)該迎頭趕上，全力發(fā)展智能制造技術(shù)及應(yīng)用，建設(shè)智能制造工廠。筆者在有色冶金、電工電器、軌道交通、工程機(jī)械等領(lǐng)域的智能制造工廠設(shè)計(jì)方面取得了一些經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，現(xiàn)將智能制造技術(shù)與硬質(zhì)合金行業(yè)工廠設(shè)計(jì)相結(jié)合，探討硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)智能制造工廠的設(shè)計(jì)思路。

1 硬質(zhì)合金智能制造工廠建設(shè)方案

硬質(zhì)合金智能制造工廠的建設(shè)按照工信部《2018年智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目指南》的基本要求，以工業(yè)4.0進(jìn)階六步法（見(jiàn)圖1）作為建設(shè)基準(zhǔn)，緊密?chē)@生產(chǎn)制造為主線(xiàn)，通過(guò)信息集成手段，打造智能化的混合料、壓制、燒結(jié)、深加工等生產(chǎn)工段以及倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸系統(tǒng)，全面提升各生產(chǎn)單元的信息化與自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造系統(tǒng)與工廠信息化體系的互聯(lián)互通，建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成共享的智能工廠體系。通過(guò)智能工廠體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化、可視化、協(xié)同化、智能化和虛實(shí)一體化，提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，為企業(yè)全面向智能制造新模式轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定良好的基礎(chǔ)。

圖1 工業(yè)4.0進(jìn)階六步法

2 硬質(zhì)合金智能制造工廠體系構(gòu)架

在國(guó)家智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)體系的定義中，智能工廠建設(shè)內(nèi)容涵蓋了設(shè)備、控制、車(chē)間三個(gè)層級(jí)以及車(chē)間層與企業(yè)層的接口，對(duì)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容進(jìn)行梳理細(xì)化后，硬質(zhì)合金智能工廠設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包含6個(gè)系統(tǒng)模塊，整體構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 硬質(zhì)合金智能工廠體系構(gòu)架

硬質(zhì)合金生產(chǎn)制造體系主要包含：自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)及物流管理系統(tǒng)、生產(chǎn)信息識(shí)別采集系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和生產(chǎn)控制中心等6大主要系統(tǒng)，覆蓋設(shè)備、控制、車(chē)間、管理四個(gè)層級(jí)。各系統(tǒng)模塊邊界明確，主要系統(tǒng)均采用云端部署，以工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)作為信息互聯(lián)互通的主要途徑。接下來(lái)具體介紹硬質(zhì)合金智能制造工廠的6大系統(tǒng)模塊：

2.1 自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)

在硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造中，需要主要設(shè)計(jì)混合料配、送料自動(dòng)線(xiàn)、球磨機(jī)酒精自動(dòng)控制單元、磨削加工自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、模壓智能生產(chǎn)線(xiàn)、燒結(jié)智能生產(chǎn)線(xiàn)、成品自動(dòng)包裝生產(chǎn)線(xiàn)等，以及與生產(chǎn)線(xiàn)相關(guān)的智能立體物料配送系統(tǒng)和檢驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)。并通過(guò)MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)與數(shù)字化管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，打通決策、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和制造過(guò)程之間的“鴻溝”，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和柔性。

2.1.1 混合料工段

在配料工序中，通過(guò)采用MES控制配料管理系統(tǒng)，將原料庫(kù)存管理、配方管理、信息管理、配料稱(chēng)重進(jìn)行有效融合，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料并為產(chǎn)品信息可追溯管理提供原始依據(jù)和保障。工藝人員在系統(tǒng)內(nèi)下發(fā)產(chǎn)品工藝單后，自動(dòng)配料系統(tǒng)根據(jù)配方下指令至高位料桶，通過(guò)自動(dòng)稱(chēng)量裝置及混料系統(tǒng)完成自動(dòng)配、混料（見(jiàn)圖3）?？捎行П苊庖蛭锪项?lèi)別、稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)等人為錯(cuò)誤而是引發(fā)質(zhì)量安全問(wèn)題，為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)有效解決配料過(guò)程中人為因素的影響，提高企業(yè)現(xiàn)代化管理水平。

通過(guò)MES控制系統(tǒng)將配好的混合料采用配備有視覺(jué)感應(yīng)系統(tǒng)的AGV小車(chē)自動(dòng)將料桶按照指定線(xiàn)路運(yùn)送至指定球磨機(jī)，并通過(guò)感應(yīng)器多角度定位，自動(dòng)對(duì)接送料口完成輸送料。系統(tǒng)通過(guò)球磨工藝配方，下指令至球磨機(jī)酒精自動(dòng)控制單元，進(jìn)行酒精自動(dòng)供應(yīng)，球磨機(jī)則按照工藝要求通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)控制啟停。

圖3 混合料自動(dòng)上料、配料系統(tǒng)

2.1.2 模壓工段

針對(duì)目前模壓工段的混合料裝料多采用高位叉車(chē)或單軌葫蘆，主要依賴(lài)人員操作的問(wèn)題。模壓工段智能生產(chǎn)線(xiàn)采用AGV小車(chē)輸送混合料至相應(yīng)操作位，增設(shè)智能機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，翻轉(zhuǎn)料桶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻料，配備自動(dòng)化桁架機(jī)械手完成裝料吊裝工作。全面采用智能機(jī)械手下料、裝舟。采用自動(dòng)化數(shù)控壓力機(jī)，配置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)工位，生產(chǎn)期間機(jī)械手按設(shè)定的頻次送至在線(xiàn)檢查半成品的單重及外觀尺寸，初步實(shí)現(xiàn)壓制生產(chǎn)線(xiàn)的自糾錯(cuò)功能。如超出系統(tǒng)自糾錯(cuò)的能力范圍，與系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警，由設(shè)備工程師調(diào)整復(fù)位。

2.1.3 燒結(jié)工段

燒結(jié)智能生產(chǎn)線(xiàn)，裝舟、卸爐采用機(jī)械手配備AGV小車(chē)進(jìn)行，通過(guò)提高壓力燒結(jié)爐智能化水平，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)，建立數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，采集工藝過(guò)程數(shù)據(jù)（如爐膛氣壓曲線(xiàn)、溫度曲線(xiàn)等），利用MES系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控。

2.1.4 深加工工段

硬質(zhì)合金產(chǎn)品深加工設(shè)計(jì)不同的自動(dòng)化智能裝備實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)。深加工工序間的轉(zhuǎn)運(yùn)由自動(dòng)化機(jī)械替代，如地礦、球齒類(lèi)產(chǎn)品采用震動(dòng)盤(pán)；單片類(lèi)產(chǎn)品可采用擴(kuò)孔或吸盤(pán)式五軸機(jī)械手；棒型材產(chǎn)品采用夾取型機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。深加工工段自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)通過(guò)配備智能化信息采集系統(tǒng)，進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)、調(diào)整工件加工精度，反饋調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀況（包括加工數(shù)量、運(yùn)行速度、冷卻液溫度和液位、異常信息等。）。

2.1.5 包裝工段

包裝工段采用目前成熟的自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線(xiàn)，主要設(shè)備單元包括激光打標(biāo)機(jī)、自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)、西門(mén)子PLC、倍速鏈傳輸線(xiàn)、輥筒傳輸線(xiàn)、碼垛單元等、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從檢測(cè)、包裝、到碼垛、成品出倉(cāng)的全過(guò)程自動(dòng)化。采用無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品掃碼、編碼、打標(biāo)包裝，建立包裝與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和包裝的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量保證和追溯。

2.2 智能倉(cāng)儲(chǔ)及物流管理系統(tǒng)（WMS）

硬質(zhì)合金的智能倉(cāng)儲(chǔ)及物流管理系統(tǒng)，主要包括輥?zhàn)?鏈條輸送機(jī)組、AGV自動(dòng)導(dǎo)航叉車(chē)以及自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。通過(guò)智能物流管理可實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)化儲(chǔ)存和物料到工位的自動(dòng)配送、缺料異常的自適應(yīng)響應(yīng)功能、在線(xiàn)仿真的智能調(diào)度[7]。

2.3 生產(chǎn)信息識(shí)別采集系統(tǒng)

包括設(shè)備監(jiān)控采集系統(tǒng)（SCADA）、條碼系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)（RFID），生產(chǎn)監(jiān)控視頻識(shí)別系統(tǒng)、能源監(jiān)控系統(tǒng)等。

本系統(tǒng)是在生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)監(jiān)控采集系統(tǒng)的部署對(duì)采集的設(shè)備信息數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，以圖表的形式實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的可視化。通過(guò)條碼系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)的部署實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工序、工藝、設(shè)備、位置的全面自動(dòng)識(shí)別。并通過(guò)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集分析和故障檢測(cè)診斷。

2.4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生產(chǎn)看板、現(xiàn)場(chǎng)終端、安燈系統(tǒng)、系統(tǒng)接口等。

MES系統(tǒng)是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的核心系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行管控，并完成生產(chǎn)系統(tǒng)與企業(yè)決策以及設(shè)計(jì)部門(mén)之間數(shù)據(jù)交換。在自動(dòng)化、信息化和可視化的基礎(chǔ)上，通過(guò)部署制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS），實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)與生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)同，由生產(chǎn)控制中心調(diào)度，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程按照工藝自動(dòng)推送到工位終端、物料按照各工序的需求準(zhǔn)點(diǎn)配送到各工位、不合格品按標(biāo)準(zhǔn)流程處置等精益生產(chǎn)需求，同時(shí)通過(guò)生產(chǎn)看板和安燈系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行可視化標(biāo)識(shí)。在完成車(chē)間內(nèi)協(xié)同化后，通過(guò)MES系統(tǒng)和WMS系統(tǒng)的接口程序?qū)悠髽I(yè)ERP、PLM、SCM及CRM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，協(xié)同作業(yè)。

2.5 工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)

包括廠區(qū)內(nèi)光纖主干網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)，部分工業(yè)以太網(wǎng)等。工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用分享與集成，建立設(shè)備與管理層、云平臺(tái)之間的信息通道。

2.6 生產(chǎn)控制系統(tǒng)（企業(yè)ERP系統(tǒng)）

包括中央機(jī)房、生產(chǎn)控制系統(tǒng)平臺(tái)、中控室等，主要建立企業(yè)ERP系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)云端部署。

ERP系統(tǒng)作為企業(yè)數(shù)字化管理的核心內(nèi)容，主要進(jìn)行決策層面的工作以及對(duì)整體生產(chǎn)計(jì)劃與物料分派的規(guī)劃任務(wù)，ERP與MES系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。

系統(tǒng)平臺(tái)云端部署是在信息化和協(xié)同化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化智能模塊的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)的智能化。主要應(yīng)用包括：先進(jìn)排程系統(tǒng)（APS）的引入及與相關(guān)系統(tǒng)的對(duì)接、設(shè)備利用率（OEE）細(xì)化分析應(yīng)用、預(yù)測(cè)性質(zhì)量控制（APC）技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量實(shí)時(shí)糾偏、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝物流仿真驗(yàn)證等技術(shù)與手段的引入，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自主決策能力，滿(mǎn)足物流、設(shè)備參數(shù)控制等方面的智能管控。

3 結(jié)語(yǔ)

大量研究結(jié)果表明，智能制造工廠相較于傳統(tǒng)的生存模式存在巨大的優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式必將被智能工廠代替[8]。過(guò)去很多年，中國(guó)硬質(zhì)合金企業(yè)一直更注重廠房與裝備等固定資產(chǎn)的投入，忽略了自身技術(shù)研發(fā)、信息采集互通、制造管理方式等的“軟件”升級(jí)，導(dǎo)致生產(chǎn)模式落后、效率低下、資源利用率低等問(wèn)題。在全球制造業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，加快智能制造工廠建設(shè)是中國(guó)廣大硬質(zhì)合金企業(yè)的必然選擇。硬質(zhì)合金智能制造工廠建設(shè)應(yīng)該利用工藝仿真模擬及設(shè)計(jì)應(yīng)用，采用柔性制造與成組技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)工藝，對(duì)各單元生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化提質(zhì)改造升級(jí)，建立產(chǎn)品全生命周期的生產(chǎn)管理與在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)及物流系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化利用云端大數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)真正的智能化、模塊化、柔性化生產(chǎn)。