磁性材料企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及磁性材料智能制造探索

胡乃民

(中國中鋼集團(tuán)有限公司，北京 100080)

中國已經(jīng)成為世界最大的磁性材料生產(chǎn)基地和銷售市場，既有良好的發(fā)展前景，又面臨著巨大的挑戰(zhàn)。我國磁性材料企業(yè)特別是鐵氧體制造業(yè)企業(yè)多、小、散，集約化程度不高，生產(chǎn)管理粗放，難以滿足高性能產(chǎn)品對制造過程的精確控制需求。較為粗放的管理模式以及較低的生產(chǎn)制造自動化程度，造成產(chǎn)品一致性差、成品率和產(chǎn)品穩(wěn)定性低、資源能源消耗大、生產(chǎn)成本高。同時，供應(yīng)鏈不穩(wěn)定，上下游議價能力越來越強(qiáng)，潛在競爭者越來越多，行業(yè)內(nèi)競爭加劇[1]。

磁性材料企業(yè)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展，離不開場景化智能制造技術(shù)的應(yīng)用。以數(shù)據(jù)為核心、以融合為抓手、以流程為驅(qū)動，推動制造執(zhí)行系統(tǒng)(以下簡稱MES系統(tǒng))和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(以下簡稱SCADA系統(tǒng))的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)測、質(zhì)量管理、可視化看板、異常預(yù)警、制造過程大數(shù)據(jù)分析等場景化智能制造應(yīng)用，打造“智能工廠”是磁性材料企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路[2]。本文從企業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，就磁性材料企業(yè)智能制造需要重點(diǎn)解決的幾方面問題開展研究探討。

1 智能制造成熟度評估

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116—2020)將智能制造成熟度分為五等級，國家標(biāo)準(zhǔn)《智能制造能力成熟度評估辦法》(GB/T 39117—2020)進(jìn)一步明確了成熟度五等級的定量判定辦法和各等級成熟度對應(yīng)的評分區(qū)間(表1)。

表1 智能制造能力成熟度等級劃分以及對應(yīng)評分區(qū)間

圍繞人員、技術(shù)、資源和制造4個能力要素，對中鋼天源磁性材料廠開展智能制造成熟度評估，得分2.66(詳見表2)，處于第二級規(guī)范應(yīng)用階段。其核心裝備自動化、信息化程度達(dá)到較高水平，核心業(yè)務(wù)活動相對規(guī)范，基本實(shí)現(xiàn)單一業(yè)務(wù)活動的數(shù)據(jù)共享，具備開展裝備、系統(tǒng)等集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)活動間的數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)條件。

表2 磁性材料廠智能制造成熟度評估

2 智能制造的核心及重點(diǎn)解決問題

中鋼天源通過強(qiáng)化數(shù)智化頂層設(shè)計(jì)引領(lǐng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從工業(yè)化與信息化相融合的傳統(tǒng)制造企業(yè)向以人工智能為特征的智慧產(chǎn)業(yè)升級[3]。充分發(fā)揮企業(yè)當(dāng)前信息化智能化建設(shè)“5個成就”：①磁性材料廠MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)測、質(zhì)量管理、可視化看板、異常預(yù)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、制造過程大數(shù)據(jù)分析等場景智能化制造應(yīng)用；②推進(jìn)企業(yè)內(nèi)部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+自動化數(shù)據(jù)采集，通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)集成在中控室顯示和控制；③3D展示公司產(chǎn)品并線上交易，實(shí)現(xiàn)下單到售后閉環(huán)管理的線上銷售平臺；④公司園區(qū)安全環(huán)保信息系統(tǒng)；⑤LIMS質(zhì)檢中心實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，涵蓋業(yè)務(wù)流程、財(cái)務(wù)、樣品、人員、設(shè)備、客戶、采集設(shè)備管理及電子記錄、各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測業(yè)務(wù)全流程的線上管理，建立業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)并與ERP系統(tǒng)對接。

磁性材料廠作為中鋼天源信息化發(fā)展與建設(shè)試點(diǎn)單位之一，以構(gòu)建新型制造體系為目標(biāo)，以實(shí)施智能制造工程為重要抓手，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，著力提升關(guān)鍵技術(shù)裝備自動化水平，對生產(chǎn)主要功能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)控，建立全面的數(shù)據(jù)分析模型，將生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、班組能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、檢測數(shù)據(jù)等實(shí)時收集，形成各類報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、設(shè)備、人員、品質(zhì)的全方位管控和可視化管理[4]。通過破碎制漿→復(fù)合催化氧化→均化→洗滌→干燥→混勻→包裝等典型生產(chǎn)工藝流程，將電解金屬錳制成物理指標(biāo)客戶定制化(復(fù)合催化氧化)、高純(洗滌)、均一性好(均化、混勻)的四氧化三錳產(chǎn)品。對磁性材料企業(yè)智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的幾個主要問題總結(jié)如下。

1)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)場景設(shè)計(jì)[5]。磁性材料廠以數(shù)字化、智能化、由下而上打造的信息一體化智能車間管理平臺，采用B/S和C/S相結(jié)合的三層系統(tǒng)架構(gòu)，包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集(SCADA)、現(xiàn)場管理執(zhí)行層(MES)，以及企業(yè)資源調(diào)度管理層(ERP)，通過企業(yè)服務(wù)總線(ESB)實(shí)現(xiàn)各層之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通[4]，磁性材料廠工廠系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 磁性材料廠工廠系統(tǒng)整體架構(gòu)

磁性材料廠智能制造系統(tǒng)建設(shè)按照總體規(guī)劃分步實(shí)施的原則，明確數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能制造的第一步，進(jìn)而分步開展設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)集成、作業(yè)計(jì)劃導(dǎo)入和排產(chǎn)、生產(chǎn)過程控制、智能物流配送集成、數(shù)字化看板與分析數(shù)字化質(zhì)量檢驗(yàn)、全程質(zhì)量追溯與分析、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。磁性材料廠智能制造業(yè)務(wù)場景見圖2。

圖2 磁性材料廠智能制造業(yè)務(wù)場景

2)生產(chǎn)制造執(zhí)行與工藝管控設(shè)計(jì)。通過MES系統(tǒng)將生產(chǎn)工藝各工序生產(chǎn)參數(shù)和工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化、圖形化管理。在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，技術(shù)、工藝人員可以隨時根據(jù)實(shí)際需要修改工藝參數(shù)，系統(tǒng)會將修改信息推送到相關(guān)工序，通過MES系統(tǒng)工序報(bào)工界面，以紅底色預(yù)警方式提醒現(xiàn)場人員該工藝已經(jīng)發(fā)生了改變。同時，在生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過研究和應(yīng)用連續(xù)化和自動化工藝與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造流程的自動化。在此基礎(chǔ)上推進(jìn)各生產(chǎn)工序遠(yuǎn)程自動化控制，如自動加水加藥、投料、放料等工序已實(shí)現(xiàn)一鍵啟動操作。MES系統(tǒng)中依據(jù)生產(chǎn)工藝圖形化建模示例參見圖3。

圖3 磁性材料廠生產(chǎn)工藝圖形化建模示例

3)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計(jì)。磁性材料廠產(chǎn)品生產(chǎn)過程中質(zhì)量檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)通過MES質(zhì)量模塊快速實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢驗(yàn)記錄電子化，減少紙質(zhì)單據(jù)記錄和檢驗(yàn)人員大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。通過正向和反向追溯查詢功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對人、機(jī)、料、法、測等產(chǎn)品生產(chǎn)全過程、全要素的追溯管理，車間生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量狀況可通過車間看板進(jìn)行反饋，大幅提升質(zhì)量管理效率和品控水平。磁性材料廠MES質(zhì)量檢驗(yàn)看板見圖4。

圖4 磁性材料廠MES質(zhì)量檢驗(yàn)看板

4)智慧能源管理設(shè)計(jì)。磁性材料廠能源管理系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)主要考慮數(shù)據(jù)采集管理、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、秒級數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時異常報(bào)警等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)能源實(shí)績管理、能源分析與預(yù)測。智能生產(chǎn)線投產(chǎn)前由相關(guān)管理人員定期抄表，通過統(tǒng)計(jì)分析，形成報(bào)表，根據(jù)當(dāng)月產(chǎn)量，算出單噸產(chǎn)品能耗；智能生產(chǎn)線投產(chǎn)后實(shí)時自動采集能耗設(shè)備數(shù)據(jù)，并對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時監(jiān)管，以往的異常停機(jī)、設(shè)備空載得以改善，電能消耗節(jié)約取得明顯效益。磁性材料廠能源管理規(guī)劃設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 磁性材料廠能源管理規(guī)劃設(shè)計(jì)

3 實(shí)施效果與評價

磁性材料廠智能制造系統(tǒng)建設(shè)，突破了我國磁性材料傳統(tǒng)的制造模式，采用先進(jìn)的自動化、信息化、智能化的生產(chǎn)模式，不僅提升了磁性材料廠自身工藝、技術(shù)、裝備和制造水平，也為磁性材料行業(yè)探索了未來制造技術(shù)的發(fā)展方向，具有一定的示范帶動作用。智能生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，勞動生產(chǎn)率、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量、客戶滿意度和經(jīng)濟(jì)效益4個方面都取得了較大程度的提升[6]。

1)全員勞動生產(chǎn)率大幅提高。磁性材料廠在智能生產(chǎn)線投產(chǎn)前，現(xiàn)場操作人員80人，投產(chǎn)后減少至60人。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場自動化水平的不斷提升，現(xiàn)場作業(yè)人員的工作強(qiáng)度大大降低，全員勞動生產(chǎn)率大幅提高。

2)生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量雙提升。磁性材料廠在智能生產(chǎn)線投產(chǎn)后生產(chǎn)效率提升了37.5%，產(chǎn)品合格率由96%提升至100%，達(dá)到了效率、質(zhì)量雙提升。生產(chǎn)過程制造能力指數(shù)由1.28提升至1.49，品質(zhì)管控水平提升顯著。

3)客戶滿意度不斷提高。智能制造系統(tǒng)實(shí)施后，客戶投訴減少了80%，滿意度提升了9.43%、達(dá)99.85%，更重要的是增強(qiáng)了客戶信任度，減少了人為干預(yù)而引起的產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定性。

4)經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。銷售收入增漲了60%，毛利率提升了3%。

智能制造系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的高度自動化，自動生產(chǎn)排程、生產(chǎn)參數(shù)固化、主動防錯機(jī)制，使小批量、個性化的柔性制造效率大幅提升，批量生產(chǎn)加工過程更加穩(wěn)定。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動采集和全程可追溯，輔以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)現(xiàn)價值鏈橫縱向一體化，減少浪費(fèi)，降低成本，全面提升產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度。

4 結(jié) 語

磁性材料研發(fā)、制造具有典型的離散制造特征，通過企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，不斷提升磁性材料產(chǎn)品批產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，縮短研發(fā)周期，滿足用戶需求。更重要的是通過智能制造體系管控和數(shù)據(jù)積累，提升磁性材料研制企業(yè)的自主正向研發(fā)能力，加速新材料的研發(fā)和迭代升級，支撐磁性材料企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。相信未來智能制造在磁性材料生產(chǎn)中的應(yīng)用，必將給行業(yè)發(fā)展帶來巨大的推動力。