基于MOM的蛇形管焊縫標(biāo)識追溯系統(tǒng)

王 川，李 勇，繆玉鴻

（1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，自貢 643001；2.東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

蛇形管是電站鍋爐核心部件之一，其主要制造工序包括：備料、對接焊、探傷、裝配、熱處理、水壓、油包等。其中對接焊縫質(zhì)量會直接影響蛇形管產(chǎn)品質(zhì)量。蛇形管在電站運(yùn)行過程中，既受熱又承壓，工況條件惡劣。焊縫質(zhì)量不合格會造成極大的安全隱患和無可估量的損失。蛇形管焊縫質(zhì)量追溯管理一直是避免產(chǎn)生焊縫質(zhì)量問題最重要的手段之一[1]。蛇形管制造過程屬于典型離散型制造[2]，目前蛇形管對接焊縫標(biāo)識與追溯，主要依靠人工標(biāo)記明碼和紙質(zhì)單據(jù)記錄的形式來實(shí)現(xiàn)焊接過程參數(shù)、焊接人員資質(zhì)、探傷檢測結(jié)果等記錄。其主要缺陷包括：

1）標(biāo)識介質(zhì)一般采用油漆和油墨，其在粘有油污、銹跡、劃痕的管子表面對比度不夠，辨識難度大；

2）采用明文標(biāo)記，人工識讀，不支持二維碼條碼標(biāo)記，無法實(shí)現(xiàn)圖像視覺識別、掃碼識別等自動識別技術(shù)；

3）采用人工標(biāo)記的方式，無自動化設(shè)備，工作量大，容易出錯；

4）焊接過程信息依靠紙質(zhì)單據(jù)記錄，單據(jù)容易破損、丟失，質(zhì)量追溯效率低、無信息系統(tǒng)支持。

制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management，MOM）是對制造車間人員、設(shè)備、物料、能源等資源進(jìn)行協(xié)調(diào)管理并組織生產(chǎn)活動的管理系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)主要包括：制造運(yùn)營管理、庫存管理、質(zhì)量管理、維護(hù)運(yùn)行管理等功能模塊。

為解決蛇形管焊縫質(zhì)量追溯問題，減少人工錄入工作量，減少數(shù)據(jù)錯誤及丟失，提升生產(chǎn)運(yùn)行效率。本文構(gòu)建一種基于MOM的蛇形管焊縫標(biāo)識追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蛇形管焊縫的全生命周期追溯與質(zhì)量管理。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含的主要技術(shù)方案設(shè)計(jì)有：系統(tǒng)編碼方案設(shè)計(jì)、標(biāo)識方案設(shè)計(jì)、自動標(biāo)記方案設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)編碼方案設(shè)計(jì)

根據(jù)蛇形管的產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)，其分為管屏、管圈、管段和焊縫，一個(gè)管屏由多排管圈組成，一排管圈由多根管段組成，一根管段由多節(jié)原材料對接焊組成[4]。編碼按產(chǎn)品層次劃分包括管屏碼、管圈碼、管段碼和焊縫碼，管圈按管屏進(jìn)氣口方向從左到右順序編碼，焊縫按管圈進(jìn)氣口方向順序編碼（圖1）。

圖1 系統(tǒng)編碼

1.2 標(biāo)識方案設(shè)計(jì)

1）管圈、管段標(biāo)識

蛇形管流轉(zhuǎn)過程會受到產(chǎn)線刮擦、設(shè)備夾持、油污沾染等，標(biāo)簽采用三層結(jié)構(gòu)（圖2）：底層標(biāo)簽紙、表面加強(qiáng)膜、中間二維碼油墨標(biāo)識。底層標(biāo)簽紙選用具有防水、防油污、耐磨的PET材質(zhì)，為增強(qiáng)其表面附著力，采用加強(qiáng)型膠水；中間二維碼標(biāo)識油墨采用高附著、速干型油性墨水；表面加強(qiáng)膜采用PVT材質(zhì)，厚度5絲，具有抗拉、抗磨損、抗油污的特性。

圖2 標(biāo)簽三層結(jié)構(gòu)

蛇形管管徑范圍29mm至89mm，為適應(yīng)管子表面的各種復(fù)雜狀況，確保有效附著，標(biāo)簽采用“腕帶搭接自粘”的形式環(huán)繞管子外表面一周，根據(jù)管子直徑分為6種規(guī)格型號（表1）。為保障標(biāo)簽在極端情況下能夠被解析和識別，二維碼采用兩列，沿長度方向均布，且彼此錯開，標(biāo)簽四周打印明碼（圖3）。

表1 標(biāo)簽型號規(guī)格尺寸

圖3 標(biāo)簽示例

2）管屏標(biāo)識

管屏碼為明碼，按“工號+零件圖號+流水號”形式編碼，具有唯一性。管屏標(biāo)識是將明碼利用氣動打碼機(jī)刻印在鋼板牌上。鋼板尺寸100×50×5，印刻深度2mm，鋼板最終會焊接在管屏固定位置，保證管屏碼在包裝發(fā)運(yùn)時(shí)不會丟失，該管屏碼牌終身附著在蛇形管產(chǎn)品上。

1.3 自動貼標(biāo)方案設(shè)計(jì)

采用一種可旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)頭的自動貼標(biāo)機(jī)（圖4），減少操作工勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。自動貼標(biāo)機(jī)安裝于蛇形管管子自動化對接焊生產(chǎn)線的焊機(jī)出口測后端，用于管圈標(biāo)識條碼的自動粘貼，可匹配不同規(guī)格的標(biāo)簽（見表1），可完成管子兩端的自動貼標(biāo)，單個(gè)標(biāo)簽貼標(biāo)時(shí)間小于20s，貼標(biāo)位置可自定義設(shè)置，具有管子水平輸送、管端識別、貼標(biāo)位置定位、管子旋轉(zhuǎn)定位、自動貼標(biāo)、條碼識別、紙帶回卷等功能，通過應(yīng)用服務(wù)提供Webservice接口，實(shí)現(xiàn)與MOM系統(tǒng)的集成。設(shè)備組成包括左旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭、自動貼標(biāo)機(jī)頭、右旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭、工控系統(tǒng)及應(yīng)用服務(wù)。

圖4 自動貼標(biāo)機(jī)

1）左/右旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭用于實(shí)現(xiàn)從自動貼標(biāo)機(jī)左/右側(cè)進(jìn)入管子的水平強(qiáng)送和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，包括強(qiáng)送機(jī)構(gòu)（圖5）和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（圖6），強(qiáng)送機(jī)構(gòu)采用2組傳送輪，傳送輪采用聚氨酯軟輪，增加摩擦力，保證在傳送時(shí)不打滑，傳送輪采用氣缸和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊，確保夾緊過程中上下對中，V型面接觸，夾緊管徑范圍20mm～150mm,主動輪機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動，可準(zhǔn)確控制水平輸送距離，結(jié)合管端識別光電傳感器。

圖5 強(qiáng)送機(jī)構(gòu)

圖6 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用三抓卡盤，通過氣缸推動滑道，帶動圓盤轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)三抓同步向心夾緊，夾緊管徑范圍10mm～200mm；三抓末端采用聚氨酯軟輪，增加摩擦力，保證不打滑，主動輪采用伺服電機(jī)加同步鏈條驅(qū)動，可準(zhǔn)確控制管子旋轉(zhuǎn)角度。

2）自動貼標(biāo)機(jī)頭（圖7）布置于左/右旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭中間，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽剝離、自動貼標(biāo)、紙帶回卷及條碼識別，其包括標(biāo)簽卷料夾持機(jī)構(gòu)、條碼掃描頭、剝離機(jī)構(gòu)、負(fù)壓標(biāo)掌、回卷機(jī)構(gòu)及驅(qū)動私服電機(jī)；首先布置于機(jī)頭的條碼掃描頭識別標(biāo)簽信息，在回卷機(jī)驅(qū)動下，標(biāo)簽通過剝離機(jī)構(gòu)剝離，被負(fù)壓標(biāo)掌吸附，氣缸帶動標(biāo)掌下壓，將標(biāo)簽與待貼標(biāo)的管子壓緊，然后旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭帶動管子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)管子一周的標(biāo)簽附著。

圖7 自動貼標(biāo)機(jī)頭

3）工控系統(tǒng)采用西門子PLC及HMI，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，包括伺服電機(jī)驅(qū)動、氣缸運(yùn)動控制、掃碼頭集成等。

4）應(yīng)用服務(wù)：應(yīng)用服務(wù)通過工業(yè)以太網(wǎng)與工控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)控制指令下達(dá)，獲取標(biāo)簽信息；應(yīng)用服務(wù)采用BS架構(gòu)，向制造運(yùn)營管理系統(tǒng)MOM提供Webservice接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

5）自動貼標(biāo)流程：自動貼標(biāo)機(jī)的應(yīng)用服務(wù)接收到MOM下達(dá)的貼標(biāo)請求后，解析請求信息，辨別貼頭/尾端標(biāo)簽，通過以太網(wǎng)與工控系統(tǒng)通信，下達(dá)控制指令，工控系統(tǒng)按照指令控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動，首先旋轉(zhuǎn)傳送機(jī)頭的強(qiáng)送機(jī)構(gòu)夾緊管圈，水平慢速送管，管端識別光電傳感器識別到管圈端部后，繼續(xù)送管200mm后停止，強(qiáng)送機(jī)構(gòu)松開，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾緊，帶動管圈旋轉(zhuǎn)，同時(shí)自動貼標(biāo)機(jī)頭完成條碼識別、標(biāo)簽剝離、標(biāo)掌下壓，完成貼標(biāo)后，自動貼標(biāo)機(jī)頭抬起，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)松開，強(qiáng)送機(jī)構(gòu)夾緊送管，完成貼標(biāo)。

2 系統(tǒng)集成

蛇形管焊縫標(biāo)識追溯軟件系統(tǒng)以制造運(yùn)營管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過工業(yè)以太網(wǎng)，連接硬件設(shè)備系統(tǒng)（圖8）。硬件設(shè)備包括蛇形管自動對接焊生產(chǎn)線、自動貼標(biāo)機(jī)、蛇形管焊縫探傷系統(tǒng)、蛇形管管屏裝配平臺等。

蛇形管自動對接焊生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)管子自動化對接焊，提供管子輸送、管子對齊、自動焊接等功能。

自動貼標(biāo)機(jī)安裝于蛇形管自動對接焊生產(chǎn)線的焊機(jī)出口測后端，用于管圈、管段標(biāo)識條碼的自動粘貼，可匹配不同規(guī)格的標(biāo)簽，通過應(yīng)用服務(wù)提供Webservice接口，實(shí)現(xiàn)與MOM系統(tǒng)的集成?？赏瓿晒茏觾啥说淖詣淤N標(biāo)。

蛇形管焊縫探傷系統(tǒng)由傳送料架、翻轉(zhuǎn)料架、掃碼設(shè)備、RT探傷室、控制室等組成。蛇形管管段或管圈在自動對接焊完成后，由料架傳送至探傷室附近，掃碼設(shè)備讀取管段或管圈頭尾碼，獲取焊縫信息?？刂剖抑饌€(gè)對焊縫進(jìn)行RT拍片，并在制造運(yùn)營管理系統(tǒng)質(zhì)量功能模塊上完成對焊縫質(zhì)量的判定。制造運(yùn)營管理系統(tǒng)在線收集焊縫質(zhì)量信息。

蛇形管管屏裝配平臺的作用是將管圈及其附件組成完整管屏?；谥圃爝\(yùn)營管理系統(tǒng)，管屏具有唯一識別身份碼。操作者在制造運(yùn)營管理系統(tǒng)內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)接收、管圈上料、生產(chǎn)任務(wù)關(guān)閉等操作，最終在系統(tǒng)內(nèi)形成完整的焊縫質(zhì)量追溯鏈。

制造運(yùn)營管理系統(tǒng)MOM屬于系統(tǒng)應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)車間制造過程的信息化、數(shù)字化管控，MOM系統(tǒng)通過二維碼標(biāo)簽識別物料身份信息，關(guān)聯(lián)焊接參數(shù)、加工人員信息、質(zhì)檢信息等，系統(tǒng)功能配置如表2所示。

表2 功能配置

3 應(yīng)用實(shí)例

以某鍋爐制造廠蛇形管車間為例。生產(chǎn)管理人員通過制造運(yùn)營管理系統(tǒng)MOM下達(dá)加工任務(wù)到對接焊工位（圖9）。

圖9 自動焊派工MOM系統(tǒng)界面

焊工通過MOM系統(tǒng)領(lǐng)取加工任務(wù)，依次完成管子對接焊加工，形成管圈，同時(shí)MOM系統(tǒng)記錄每一個(gè)焊縫的焊接參數(shù)及焊工信息。焊工依據(jù)施焊順序（從頭到尾/從尾到頭），通過MOM系統(tǒng)下達(dá)自動貼頭/尾端條碼指令，自動貼標(biāo)機(jī)接收到指令，依次完成管圈傳送、端部識別、貼標(biāo)位置定位、自動貼標(biāo)及條碼識別后，向MOM系統(tǒng)回傳條碼信息，MOM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)條碼、管圈、焊縫的關(guān)聯(lián)綁定（圖10）。

圖10 自動焊報(bào)工MOM系統(tǒng)界面

在管圈/管段探傷階段，MOM系統(tǒng)通過掃碼設(shè)備，掃描頭尾碼，獲取管圈/管段焊口信息，并在MOM系統(tǒng)中對每條焊縫質(zhì)量逐一判定并在系統(tǒng)中維護(hù)質(zhì)量檢測參數(shù)及檢測結(jié)果（圖11）。

圖11 蛇形管RT探傷MOM系統(tǒng)界面

在管屏裝配環(huán)節(jié)，將管屏碼牌焊接到管屏固定位置（圖13），再通過MOM系統(tǒng)手機(jī)APP掃碼上料功能實(shí)現(xiàn)管屏與管圈的關(guān)聯(lián)記錄（圖14），從而實(shí)現(xiàn)焊縫的逆向追溯。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員可隨時(shí)通過識別二維碼標(biāo)簽獲取焊縫身份信息，然后關(guān)聯(lián)加工信息、焊接參數(shù)與質(zhì)檢數(shù)據(jù)等。

圖12 管屏碼牌實(shí)物

圖13 MOM系統(tǒng)手機(jī)APP上料報(bào)工界面

4 結(jié)語

蛇形管焊縫標(biāo)識追溯系統(tǒng)是制造運(yùn)營管理系統(tǒng)在質(zhì)量追溯方面的擴(kuò)展應(yīng)用，在車間生產(chǎn)過程信息化、數(shù)字化基礎(chǔ)上，通過二維碼標(biāo)簽識別物料身份信息，關(guān)聯(lián)記錄焊接參數(shù)、加工人員信息、質(zhì)檢信息等，實(shí)現(xiàn)蛇形管焊縫的全生命周期追溯與質(zhì)量管理，減少人工錄入工作量，減少數(shù)據(jù)錯誤及丟失，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)運(yùn)行效率。本文構(gòu)建的蛇形管焊縫標(biāo)識追溯系統(tǒng)，以制造運(yùn)營管理系統(tǒng)為依托，融合各種信息化、自動化關(guān)鍵技術(shù)，對原有管理模式進(jìn)行了創(chuàng)新，是離散型智能制造模式下一種數(shù)字化車間系統(tǒng)的應(yīng)用，對推進(jìn)傳統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義，在國家重大裝備制造行業(yè)具有推廣價(jià)值。