淺談離心球墨鑄鐵管數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)

習(xí) 杰，李 軍，孫廣旗

（新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲 056001）

二十世紀(jì)七十年代，離心鑄造球墨鑄鐵管工藝引入中國后，在五十年的時間里，國內(nèi)各科研院所及企業(yè)單位在消化吸收的基礎(chǔ)上，對工藝和裝備不斷進(jìn)行嘗試和優(yōu)化。九十年代以來國內(nèi)鑄管企業(yè)迅速成長起來，更多的企業(yè)投入研發(fā)工作中，生產(chǎn)線的自動化水平不斷提高。目前國內(nèi)大部分鑄管生產(chǎn)企業(yè)基本已經(jīng)達(dá)到自動化生產(chǎn)水平，但就本質(zhì)而言，目前國內(nèi)鑄管企業(yè)還是處在人工密集型生產(chǎn)組織模式。良莠不齊的生產(chǎn)線配置，人工的過度干預(yù)，都直接影響著鑄管產(chǎn)品質(zhì)量水平。

近年來隨著電氣控制、自動檢測技術(shù)、信息化技術(shù)飛速發(fā)展，加快了企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的步伐，智能制造生產(chǎn)線是以自動化、數(shù)字化、信息化為基礎(chǔ)，基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合的集成技術(shù)，它是貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(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。目前各企業(yè)都努力在各自的領(lǐng)域進(jìn)行著創(chuàng)新和探索，走出一條適合自身發(fā)展的智能化道路。我公司經(jīng)過幾年的探索，在離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)線的建設(shè)中逐步積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)具備了數(shù)字化生產(chǎn)線的階段。下面與大家共同探討對于基礎(chǔ)鑄造產(chǎn)業(yè)如何走出一條智能化發(fā)展之路。

1 離心球墨鑄鐵管數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

對于鑄造產(chǎn)業(yè)，大家的思想當(dāng)中必然有著“臟、亂、差”的印象。招工難、留人難一直是傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的一大難題，各鑄造企業(yè)深有體會。同時人工成本的逐年攀升也在加速消耗著鑄造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)生存面臨挑戰(zhàn)。崗位人數(shù)多、工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度高、安全管理差、產(chǎn)品質(zhì)量低一直是鑄造行業(yè)的五大痛點(diǎn)問題，要解決這五大難題，首先生產(chǎn)線要具備數(shù)字化能力，它是鑄造企業(yè)解決問題的必需路徑。

1.1 企業(yè)的理念和定位

《中國制造2025》由國務(wù)院于2015 年5 月印發(fā)部署，全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略文件，是中國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)。它的頒布拉開了我國從“工業(yè)大國”到“工業(yè)強(qiáng)國”的序幕。在國內(nèi)大環(huán)境的趨勢下，企業(yè)對于新工廠的建設(shè)理念需要發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，由過去僅對生產(chǎn)線功能的需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷S全方位的精益管控的要求。這需要企業(yè)的理念和定位發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，其中五個方面的綜合因素要在規(guī)劃建設(shè)中進(jìn)行充分體現(xiàn)：智能、高效、高質(zhì)、安全、綠色。

1.2 工藝路線的合理規(guī)劃

離心球墨鑄管生產(chǎn)線規(guī)劃之初，首先要考慮工藝的合理性，從熔煉到成品出庫的工藝路線如何設(shè)計(jì)是第一步，重點(diǎn)要以合理集約的工藝路線、最好的空間利用、最少的崗位人員等因素進(jìn)行定制化的工藝設(shè)計(jì)。工藝路線的適應(yīng)性，針對每個企業(yè)的不同要求是要反復(fù)進(jìn)行論證的。離心球墨鑄管生產(chǎn)線需要從以下幾個方面進(jìn)行針對性規(guī)劃：生產(chǎn)線的集約化設(shè)計(jì)；崗位數(shù)量及勞動強(qiáng)度降低；安全防護(hù)整體設(shè)計(jì)；質(zhì)量的跟蹤追溯及反饋；先進(jìn)環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用；人流物流合理性規(guī)劃；建設(shè)成本的優(yōu)化等等。圖1 是某鑄管廠生產(chǎn)線工藝流程，供大家參考。

1.3 關(guān)鍵核心裝備技術(shù)研發(fā)

工藝規(guī)劃與裝備能力設(shè)計(jì)息息相關(guān)，是相輔相成的關(guān)系。生產(chǎn)線最大潛能的發(fā)揮需要核心裝備功能的提升來實(shí)現(xiàn)。例如：傳統(tǒng)離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)線僅能實(shí)現(xiàn)單規(guī)格鑄管產(chǎn)品過線，兩臺中規(guī)格水冷離心機(jī)生產(chǎn)不同規(guī)格鑄管時，一種規(guī)格管要臨時進(jìn)入緩存區(qū)存放，然后再集中過線。這種生產(chǎn)組織方式有兩方面原因：一是精整區(qū)域設(shè)備在設(shè)計(jì)上不具備兩種規(guī)格產(chǎn)品過線的功能；二是有的設(shè)備在功能上具備，但是效率上滿足不了要求，造成堵塞了鑄管流水線的通道。這樣實(shí)際上是極大浪費(fèi)了離心機(jī)的產(chǎn)能，造成生產(chǎn)線的前后產(chǎn)能不匹配。以往為了解決以上問題，一些生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中并列設(shè)計(jì)兩臺同樣影響產(chǎn)能的設(shè)備，或者又建設(shè)一條整涂線以滿足離心機(jī)產(chǎn)能，這樣的結(jié)果勢必造成投資和運(yùn)行上的極大浪費(fèi)。如果在核心裝備上進(jìn)行攻關(guān)，打破技術(shù)瓶頸，進(jìn)行創(chuàng)新突破，就可以實(shí)現(xiàn)混流柔性化生產(chǎn)模式，在一條整涂線上滿足兩種規(guī)格鑄管同時生產(chǎn)過線，并且在產(chǎn)能上前后匹配，單臺設(shè)備效率高于傳統(tǒng)的兩臺設(shè)備效率，達(dá)到高效低成本的建設(shè)和運(yùn)行。圖片2、3、4 是某鑄管廠自主研發(fā)的新一代精整線核心設(shè)備。

圖1 某鑄管廠生產(chǎn)線工藝流程

圖2 高效水壓機(jī)

圖3 臥式皮帶式涂襯機(jī)

圖4 高效全封閉噴鋅機(jī)

圖5 上芯機(jī)器人

圖6 打磨機(jī)器人

圖7 噴碼機(jī)器人

工業(yè)化機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，也為鑄管工廠向智能化轉(zhuǎn)型升級帶來了契機(jī)，僅需一次性投入就降低了人工成本長期支出。目前某鑄管廠在生產(chǎn)線上已經(jīng)成熟研發(fā)出了刻字、上芯、打磨、測量、上下堵頭、噴涂、噴碼等系列機(jī)器人，全線投入應(yīng)用40 臺機(jī)器人，為鑄管產(chǎn)品高質(zhì)量生產(chǎn)，生產(chǎn)線的智能化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。圖5～7 是某鑄管廠自主研發(fā)的機(jī)器人案例。

數(shù)字化制造的基礎(chǔ)是要保障數(shù)據(jù)的實(shí)時性和真實(shí)性，在生產(chǎn)線物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須進(jìn)行無人化設(shè)計(jì)，避免人工干預(yù)。某鑄管廠在生產(chǎn)線物流的設(shè)計(jì)上全部采用無人操作裝備及系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)了鑄管全線的實(shí)時跟蹤，尤其在養(yǎng)生及成品入庫兩個最難實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，采用了智能化物流設(shè)備，在MES 系統(tǒng)的統(tǒng)一指令下接收任務(wù)調(diào)度，進(jìn)行無人操作。

1.4 環(huán)保系統(tǒng)綜合考慮

隨著國家環(huán)保治理要求的提高，各地方政府均對企業(yè)建設(shè)提出了高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保指標(biāo)，節(jié)能減排帶來的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益是非常重要的，因此附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)也必需具備可控可視可量化的功能。

某鑄管廠在生產(chǎn)線的整體設(shè)計(jì)上，能源介質(zhì)、除塵、固廢處理等環(huán)節(jié)均采用傳感器、編碼器等檢測手段，實(shí)現(xiàn)了除塵風(fēng)量、循環(huán)水、空氣量、氮?dú)獾扔昧康臄?shù)字可控及反饋，避免生產(chǎn)浪費(fèi)，極大降低了運(yùn)行成本。

圖8 養(yǎng)生程控行車

圖9 AGV 自動運(yùn)輸車

圖10 電爐區(qū)域除塵系統(tǒng)

圖11 兌鐵定點(diǎn)除塵系統(tǒng)

2 信息化平臺的建設(shè)

新鑄管工廠的建設(shè)，在智能化平臺搭建上要整體規(guī)劃，可以分步進(jìn)行實(shí)施，但是設(shè)計(jì)之初的基礎(chǔ)建設(shè)必須搭建完善。某鑄管廠在新的工廠設(shè)計(jì)中，整體架構(gòu)是一次搭建完成的，即從上而下進(jìn)行引導(dǎo)設(shè)計(jì)，同時自下而上完成數(shù)據(jù)采集，達(dá)到數(shù)據(jù)交互，為制造執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)施打通路徑。同時通過數(shù)據(jù)實(shí)時采集和實(shí)時分析，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的過程控制，生產(chǎn)成本的精益管理以及生產(chǎn)線的高效運(yùn)行。

2.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

數(shù)據(jù)中心采取企業(yè)云平臺技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，即將IT 基礎(chǔ)設(shè)施資源（服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源）整合起來，通過共享資源池的方式，實(shí)現(xiàn)資源的集中共享和動態(tài)調(diào)配，形成以云平臺為技術(shù)支撐的IT 運(yùn)營模式，為應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)器、存儲、備份、網(wǎng)絡(luò)等資源，同時結(jié)合云安全和云管理，對云平臺安全防護(hù)和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)資源的集中共享和動態(tài)調(diào)配，形成以云平臺為技術(shù)支撐的IT 運(yùn)營模式。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)采用光纖環(huán)網(wǎng)，并在車間各個配電室設(shè)置接入點(diǎn)，生產(chǎn)系統(tǒng)PLC、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、工業(yè)攝像視頻采集等通過接入點(diǎn)并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理。

2.2 工廠數(shù)字采集

生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集是MES 系統(tǒng)執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要采取以下三種途徑：

（1）控制系統(tǒng)PLC 通過以太網(wǎng)直接接入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各個接入點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)中心。

（2）智能儀器儀表信息直接讀取。

（3）生產(chǎn)線鑄管產(chǎn)品信息跟蹤采集。

1）砂芯刻號或其他專有采集模式。

2）管號識別系統(tǒng)，采用工業(yè)相機(jī)自動識別退火爐后和整理線上關(guān)鍵工序的鑄管承口編號，實(shí)現(xiàn)退火爐后鑄管生產(chǎn)過程實(shí)時物流跟蹤。

2.3 信息化系統(tǒng)的內(nèi)容

針對未來的管理和業(yè)務(wù)需求，鑄管信息化系統(tǒng)支持以下幾個方面的業(yè)務(wù)內(nèi)容：生產(chǎn)合同管理、質(zhì)量管理、作業(yè)計(jì)劃排程、調(diào)度管理、作業(yè)線管理、原料庫管理、消耗管理、產(chǎn)品跟蹤、鑄管庫管理、工器具管理、設(shè)備管理、備品備件管理、成本管理、人員績效管理、報(bào)表與分析、文檔管理、接口管理、數(shù)據(jù)采集管理、安燈管理、日志管理等。

系統(tǒng)架構(gòu)自下向上分為五層：

（1）設(shè)備層：包括傳感器、熱工儀表、工業(yè)成像、機(jī)械手等感知和執(zhí)行單元。

（2）控制層：包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、蓋勒普車間集中控制系統(tǒng)（SFC）、工業(yè)無線控制系統(tǒng)）WIA）等。

（3）管理層：由控制車間/工廠進(jìn)行生產(chǎn)的系統(tǒng)所構(gòu)成，主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），及產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）等。

圖12 鑄管信息化功能框架圖

圖13 鑄管信息化平臺建設(shè)

（4）企業(yè)層：由企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財(cái)務(wù)管理等信息化系統(tǒng)所構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的整體管控，主要包括企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理（SCM）系統(tǒng)和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)等。

（5）網(wǎng)絡(luò)層：由產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)共享信息實(shí)現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、配套生產(chǎn)、物流配送、制造服務(wù)等。

3 結(jié)束語

數(shù)字化工廠的建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，它是建設(shè)條件、投資、人員配置、環(huán)保處理、物流、信息化等各方面綜合因素統(tǒng)籌規(guī)劃的過程。以最優(yōu)布局、最佳效率、最少用人、最優(yōu)產(chǎn)品、最低能耗為目的，最終實(shí)現(xiàn)鑄管生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理，提升鑄管產(chǎn)供銷運(yùn)營效率，實(shí)現(xiàn)從訂單到出庫的全流程數(shù)字化管控。

具體來說，實(shí)施效果主要從以下幾方面體現(xiàn)出來：

（1）生產(chǎn)過程可控：制造信息采集透明、生產(chǎn)現(xiàn)場可視化、物料消耗均衡、生產(chǎn)作業(yè)高效。

（2）業(yè)務(wù)流程規(guī)范：規(guī)范各種管理控制流程。

（3）質(zhì)量信息跟蹤：對各層管理人員提供數(shù)據(jù)支持，了解產(chǎn)線的實(shí)時狀況，產(chǎn)品的質(zhì)量追溯，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及成本測算。

（4）精益閉環(huán)管理：通過數(shù)字化和智能化打通端到端的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)精益價值流和閉環(huán)管理。

（5）設(shè)備合理維護(hù)：通過設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集分析，減少故障時間，改善設(shè)備利用率。