數(shù)字化工廠建設(shè)內(nèi)容分析與實(shí)踐

王紹剛，楊 軍，白晉成

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

數(shù)字化工廠是近幾年隨著國(guó)家2025 戰(zhàn)略、國(guó)際5G 發(fā)展戰(zhàn)略等方向指引下整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展方向，主要內(nèi)容就是通過(guò)數(shù)字和智能制造作為關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化工廠，是現(xiàn)代工業(yè)化和信息化融合的信息體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。

在數(shù)字化工廠的建設(shè)過(guò)程中，包含了軟件和硬件兩個(gè)方面的內(nèi)容，互為支撐，互相推動(dòng)。軟件數(shù)字化，主要的建設(shè)內(nèi)容為車間上網(wǎng)，設(shè)備物聯(lián)，管理軟件平臺(tái)等。硬件數(shù)字化，設(shè)備PLC 控制，具備網(wǎng)絡(luò)接口并開(kāi)發(fā)，設(shè)備運(yùn)行中的參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)具備智能化終端，現(xiàn)場(chǎng)人員可通過(guò)終端實(shí)現(xiàn)信息的接收和反饋，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紙化。

數(shù)字化工廠模式模型如圖1 所示。本文分析了目前數(shù)字化工廠建設(shè)中存在的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層面信息收集的問(wèn)題，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出智能單元系列軟件，解決了鑄造企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)中的短板。

圖1 數(shù)字化工廠模式模型

1 數(shù)字化工廠建設(shè)存在的問(wèn)題

分析國(guó)內(nèi)數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀，在公司和車間等層面，近幾年ERP、PLM、MES 等行業(yè)內(nèi)專業(yè)制造執(zhí)行管理系統(tǒng)軟件發(fā)展迅速，并得到了大量廣泛的實(shí)施和應(yīng)用，很大程度上提高了我國(guó)制造業(yè)企業(yè)（包括一些先進(jìn)的鑄造工廠）的現(xiàn)代化管理水平和數(shù)字化能力。

數(shù)字化工廠建設(shè)車間現(xiàn)場(chǎng)的建設(shè)尤為重要，但在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層面，目前依然存在很大的問(wèn)題，也影響了數(shù)字化工廠實(shí)施不能落地，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）設(shè)備物聯(lián)不具備條件。在中國(guó)40 年的改革開(kāi)放過(guò)程中，從一個(gè)工業(yè)基礎(chǔ)差到世界制造大國(guó)的建設(shè)過(guò)程中，幾乎快速走過(guò)了西方國(guó)家100 年的發(fā)展歷程。這一點(diǎn)從現(xiàn)場(chǎng)的裝備設(shè)備就可以看出端倪，大部分傳統(tǒng)車間內(nèi)即存在幾十年前的普通設(shè)備，也存在最新的數(shù)字化設(shè)備，這是一個(gè)發(fā)展積累的過(guò)程結(jié)果。而針對(duì)傳統(tǒng)的普通設(shè)備要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的使用要求，就必須進(jìn)行改造，而大部分是不具備這樣的改造價(jià)值的?；蛘哒f(shuō)拿出一筆錢對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行這樣的改造對(duì)大多數(shù)老板來(lái)說(shuō)是不能接受的。

2）車間人員沒(méi)有一個(gè)應(yīng)用或者融入數(shù)字化工廠建設(shè)的平臺(tái)。目前市場(chǎng)上大多數(shù)軟件都是針對(duì)技術(shù)管理人員崗位需要而開(kāi)發(fā)使用的，因此習(xí)慣上大家都會(huì)把這些軟件統(tǒng)稱為管理軟件。而作為工廠車間占比最大的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人們，卻缺少這樣的平臺(tái)，替代現(xiàn)場(chǎng)為滿足管理需求而進(jìn)行的部分工作內(nèi)容。比如生產(chǎn)技術(shù)管理要求信息的接收、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行完成情況的反饋等。

3）一線信息的真實(shí)準(zhǔn)確的收集。傳統(tǒng)的管理方式，很多的一線生產(chǎn)信息都是要通過(guò)人工整理匯總后二次處理傳遞給更高層的管理人員或需求業(yè)務(wù)人員。造成這一現(xiàn)狀的原因主要有兩個(gè)方面的影響，一是傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式，很多信息都是線下的，是通過(guò)人工去記錄統(tǒng)計(jì)的；二是過(guò)去常說(shuō)的軟件“孤島效應(yīng)”，各個(gè)功能軟件之間沒(méi)有有效打通，數(shù)據(jù)就不能及時(shí)共享。綜合分析，解決現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息收集等問(wèn)題是鑄造等傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)中的短板和關(guān)鍵。

2 鑄造數(shù)字化工廠的建設(shè)方案

2.1 鑄造數(shù)字化工廠功能架構(gòu)

結(jié)合鑄造行業(yè)特點(diǎn)，鑄造數(shù)字化工廠功能架構(gòu)分為公司管理系統(tǒng)、車間制造系統(tǒng)（包括現(xiàn)場(chǎng)工序單元層）和信息基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。其中車間制造系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，按工藝工序的設(shè)計(jì)內(nèi)容，科學(xué)的分解為成形、熔煉、精整、加工等多個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)工藝階段，解決了生產(chǎn)過(guò)程中信息傳遞的銜接。在不同的階段應(yīng)用不同的信息字段設(shè)計(jì)，既可以使信息唯一統(tǒng)一，又可以把不同的階段的信息，通過(guò)軟件程序的邏輯很好的銜接起來(lái)。鑄造數(shù)字化工廠功能架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鑄造數(shù)字化工廠功能架構(gòu)圖

2.2 開(kāi)發(fā)智能單元系列軟件，實(shí)現(xiàn)工序信息互聯(lián)互通

針對(duì)生產(chǎn)車間各工序現(xiàn)場(chǎng)信息的準(zhǔn)確和快速收集問(wèn)題，結(jié)合鑄造企業(yè)各工序的特點(diǎn)，智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心開(kāi)發(fā)出智能單元系列軟件。智能單元軟件上面承接MES 軟件下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，并以生產(chǎn)計(jì)劃為主線條串聯(lián)起生產(chǎn)所需要的物料、工藝、質(zhì)量、設(shè)備等知識(shí)信息。向下通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或數(shù)字化檢測(cè)儀器，提取相應(yīng)需要控制和記錄的過(guò)程參數(shù)?；蛘咧悄芷脚_(tái)開(kāi)放面對(duì)操作者，提供一個(gè)操作者可以錄入現(xiàn)場(chǎng)信息的窗口，間接達(dá)到記錄現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程參數(shù)結(jié)果的目的。

在智能單元中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一線員工的需求，通過(guò)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的篩選，將當(dāng)前計(jì)劃的傳達(dá)到一線，供其所用。

隨著智能化數(shù)字化設(shè)備的大量應(yīng)用，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)指令和生產(chǎn)結(jié)果都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信息傳遞變?yōu)榱丝赡?。但現(xiàn)場(chǎng)化的生產(chǎn)，為了滿足市場(chǎng)的多樣性需求，大量存在著這種小批量、多品種的生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)由于產(chǎn)品工藝多樣性的影響，如要實(shí)現(xiàn)這種數(shù)字化工廠的需求，則其投入和要求都要比傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)復(fù)雜和投入更多。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)采集的需要，針對(duì)性的對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)類別進(jìn)行單獨(dú)的分析處理，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層功能支撐的前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)采集，通過(guò)軟件邏輯層的處理，使這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和上層軟件需求數(shù)據(jù)能夠一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通、共享和應(yīng)用。

通過(guò)制造系統(tǒng)層面中設(shè)立一個(gè)單元級(jí)的軟件層，可以通過(guò)軟件層的邏輯辦法對(duì)底層的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理篩選，保留有用的數(shù)據(jù)提供上層應(yīng)用，又可以解決數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，促進(jìn)了鑄造企業(yè)數(shù)字化工廠的建立及有效。

2.3 數(shù)字化鑄造工廠的應(yīng)用實(shí)例

以熔煉工廠的數(shù)字化建設(shè)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)施實(shí)例說(shuō)明。

數(shù)字化工廠的建設(shè)一定是建立在整個(gè)公司統(tǒng)一框架下的統(tǒng)一籌劃和統(tǒng)一建設(shè)，而不是獨(dú)立的、脫離于公司上層管控的一個(gè)信息孤島。通過(guò)接口技術(shù)，實(shí)時(shí)傳遞軟件間信息數(shù)據(jù)。

單元層主要包含了兩方面的內(nèi)容，一是自動(dòng)化設(shè)備，主要由單元自動(dòng)加料設(shè)備、加料車、電爐、球化孕育站、自動(dòng)澆注機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。二是熔煉單元管理與控制系統(tǒng)，控制單元設(shè)備運(yùn)行、接收生產(chǎn)計(jì)劃、管控過(guò)程質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)成本、設(shè)備、環(huán)境安全、材料、各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表等的管理。具體內(nèi)容和雙下層信息相關(guān)流轉(zhuǎn)見(jiàn)圖三（熔煉數(shù)字化功能架構(gòu)圖）所示。

梳理整個(gè)過(guò)程，主要有以下幾個(gè)節(jié)點(diǎn)：計(jì)劃下達(dá)、熔煉開(kāi)始、加配料、取樣對(duì)比、過(guò)熱出鐵、變質(zhì)澆注、成本管理等內(nèi)容。

計(jì)劃下達(dá)通過(guò)系統(tǒng)匯總的計(jì)劃信息和前序報(bào)工結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的計(jì)劃內(nèi)容調(diào)整，更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要。

熔煉開(kāi)始，系統(tǒng)自動(dòng)及時(shí)，控制各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，有效控制整個(gè)澆注過(guò)程的時(shí)間效率，保證時(shí)間控制參數(shù)符合工藝設(shè)計(jì)要求。

加配料結(jié)合工藝設(shè)計(jì)的配料料方和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化運(yùn)行，有效控制每種配料占比符合工藝設(shè)計(jì)要求，這樣即保證了材質(zhì)的控制質(zhì)量，也提高的生產(chǎn)效率。

取樣對(duì)比，聯(lián)網(wǎng)金相室和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，使檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)第一時(shí)間反饋現(xiàn)場(chǎng)，這也為現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)質(zhì)量結(jié)果控制過(guò)程提供了執(zhí)行基礎(chǔ)。

過(guò)熱出鐵，對(duì)溫度的控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫槍數(shù)據(jù)的采集，自動(dòng)關(guān)聯(lián)控制設(shè)備進(jìn)行下一步的動(dòng)作。

變質(zhì)澆注也是通過(guò)自動(dòng)化和參數(shù)系統(tǒng)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)工序內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，以提高這一內(nèi)容的質(zhì)量水平。

圖3 熔煉數(shù)字化功能架構(gòu)圖

成本管理，過(guò)程中各種消耗、各種原材料都通過(guò)系統(tǒng)采集了一線的實(shí)際準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這樣就可以準(zhǔn)確及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的成本費(fèi)用，統(tǒng)計(jì)分析更準(zhǔn)確，也更及時(shí)。

通過(guò)這樣的建設(shè)，減少了現(xiàn)場(chǎng)操作工的記錄和調(diào)整工作，強(qiáng)化了按工藝設(shè)計(jì)執(zhí)行和記錄的系統(tǒng)管控，對(duì)整個(gè)熔煉過(guò)程的效率和質(zhì)量都發(fā)揮了很大的推進(jìn)意義！

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鑄造企業(yè)的特點(diǎn)和數(shù)字化建設(shè)中存在的問(wèn)題，構(gòu)建了數(shù)字化工廠建設(shè)的功能架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出智能單元系列軟件，促進(jìn)了數(shù)字化鑄造工廠的建設(shè)。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐證明，此方案能很好的解決當(dāng)前數(shù)字化智能化建設(shè)當(dāng)中遇到的系統(tǒng)與底層數(shù)據(jù)脫離，真正大部分產(chǎn)生數(shù)據(jù)的群體卻沒(méi)有輸入數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也提高了現(xiàn)場(chǎng)的工藝執(zhí)行率和信息傳遞及時(shí)率，也就提高了現(xiàn)場(chǎng)的工作效率和質(zhì)量。