信息化管理系統在AP1000核燃料制造中的應用

紀雪舟 王文濤

（中核包頭核燃料元件股份有限公司，內蒙古包頭 014035）

信息化管理系統在AP1000核燃料制造中的應用

紀雪舟 王文濤

（中核包頭核燃料元件股份有限公司，內蒙古包頭 014035）

AP1000燃料元件生產線信息化管理系統是中核包頭的重大建設項目，目的是通過構建生產線信息化管理模型，利用先進計算機控制技術、通訊技術和管理模式，實現對生產線各類資源的深度集成和智能化管控，使AP1000燃料元件的制造過程更加標準化、精益化和透明化。整個系統平臺包括企業資源管理系統（ERP）、生產線制造管理系統（MES）、實驗室信息管理系統（LIMS）、倉庫管理系統（WMS）以及配套的若干輔助模塊。本文將圍繞生產線制造管理系統（MES），重點介紹該系統的功能設計、生產線應用效果以及與其他部分系統的業務集成內容。通過信息化管理系統的設計開發，中核包頭將先進的信息化管理模型應用于AP1000燃料元件生產線的制造管理中，實現了公司精益化制造管理思想的全面落地，為AP1000燃料元件制造技術的消化吸收和再創新打下了堅實基礎。

AP1000燃料元件制造信息化管理系統精益化管理設備數據采集

1 引言

隨著核電燃料元件制造技術的不斷發展，其制造過程趨于復雜，工藝和檢驗環節、原材料種類、質量管控深度等都在增加，生產過程因此面臨諸多管理風險。在現代信息技術與工業制造深度融合的大背景下，通過信息系統在燃料元件制造過程中的深入應用，能夠在確保生產效率的同時，最大程度上保障燃料元件制造的產品質量和安全管理要求，信息化系統也因此成為生產線制造的標準化管理工作，得到了廣泛和深入的應用。

2011年間，中核包頭作為美國西屋公司AP1000燃料元件制造技術的受讓方，派遣技術人員到西屋哥倫比亞燃料廠進行了實地學習。其中，在生產線運行管理方面，西屋公司開設了工廠信息化管理系統課程。通過課堂學習和現場參觀，技術員們切身體會到了生產線信息化管理系統作為核心管理手段為燃料元件制造全過程提供的強大技術支持，使有著40多年歷史的西屋公司哥倫比亞燃料廠在生產管理上處于世界領先水平。

根據西屋培訓的成果，結合未來AP1000燃料元件生產線的實際管理需要，中核包頭開展了“AP1000燃料元件生產線信息化管理平臺”的設計開發工作，整套系統已于2014年8月全面投入使用，服務于生產線的各項工藝鑒定和模擬元件制造。

2 AP1000燃料元件生產線簡介

AP1000核電技術是我國從美國西屋公司引進的第三代核電技術，國家核電作為AP1000核電技術的受讓方負責整體接收AP1000核電技術，而中核包頭作為國家核電燃料元件制造技術的指定用戶，負責AP1000核燃料元件制造技術轉讓任務包的引進、消化、吸收和再創新等工作，同時建設一條AP1000燃料元件生產線，為核電站提供換料。

生產線工藝主要包括IFBA芯塊涂覆、常規燃料棒和IFBA燃料棒制造、骨架制造、燃料元件組裝、零部件制造以及配套的產品在線檢測系統和實驗室檢驗分析系統。工藝流程如下圖所示：

圖1 AP1000燃料元件制造工藝流程圖

生產線工藝管理具有以下一些難點：

①流水線制造與離散制造共存且相互交織，產品在生產過程中既存在單個序列號管理情況，也存在批次號管理情況

②物料流轉和追溯難度較大。

③生產線工藝環節和檢驗環節相互穿插，質量管控要求較為復雜，多種放行條件相互作用，增加了管理難度。

④部分關鍵崗位的人工操作風險很大，操作過程需記錄的信息量較大，人工方式費時費力，且對產品數據的準確性要求極高。

⑤大量自動化生產設備和檢測設備的使用，導致產品數據的采集和匯總難度增加；而多種類設備控制系統和多品牌可編程控制器的混合使用，也給生產線自動化制造帶來諸多困難。

⑥除了工藝管理要求外，產品制造過程中還包括核物料衡算、工裝卡具管理、運輸容器管理、人員崗位操作權限管理、廢料管理和產品成本統計等方面的內容，形成了非常復雜的管理體系。

因此，中核包頭在AP1000燃料元件生產線建設之初，就確定了信息化系統設計工作與生產線建設同步開展，圍繞信息化系統的藍圖設計、業務流程設計和功能開發工作，將生產線管理的各項內容融入其中，進而實現精益制造管理思想的全面落地。

3 系統構架與功能設計

3.1 西屋公司信息化管理系統簡介

美國西屋公司運用生產管理系統的歷史比較悠久，可以追溯到上世紀80年代。當時西屋還沒有一個具體的IT部門負責整個公司的信息化系統設計開發，只是在局部開展了一些計算機與日常管理業務的應用嘗試。

隨著信息技術應用的不斷成熟和業務發展需要，從ERP系統到MES系統，西屋開始了較大規模的信息系統建設。首先組裝工藝開始應用工藝管理系統，收到良好效果后，化工工藝、燃料棒制造工藝也先后推廣了系統應用。通過這些系統的應用，西屋技術人員將所有的產品工藝流程固化在了信息系統中，使得工藝操作更加標準化、流程化；信息系統提供了更加完備、翔實的工藝數據，極大提高了生產線管理效率和產品品質。

目前，通過多年的信息化建設，西屋已經擁有了一套較為完備生產線管理系統，所有產品的工藝信息、檢測信息、物料信息、設備運行信息及人員操作信息等全部存儲在系統中。如圖2所示為西屋生產線信息管理系統整體功能設計。

圖2 西屋信息化管理系統構架圖

由于各功能系統在開發和使用上存在一定的時間間隔，故部分功能系統采用了不同的系統構架和程序語言，有的則直接采購了成品軟件程序，之后通過開發各種類型的接口程序以實現各功能系統間的業務銜接和數據集成。

3.2 中核包頭信息化系統構架設計

相比較西屋公司以工藝體系為劃分標準的系統設計方式，中核包頭則設計了統一的、集成的生產工藝管理平臺，涵蓋了所有的生產制造和檢驗環節，系統內采用了統一的數據格式和接口設計，再通過將產品標識條碼化，實現了產品零部件或原材料在生產線各工藝崗位上的自由流轉和全面管控。同時，配套設計了ERP企業資源管理（生產計劃、財務成本、采購銷售等）、倉庫管理、實驗室數據管理等系統，最終形成了燃料元件制造全過程的信息化管理體系。

圖3 中核包頭信息化管理系統構架圖

3.3 系統功能設計與應用

3.3.1 生產物料的條碼化及信息追溯管理

①物料標識的條碼化

在燃料元件的生產過程中，物料信息的準確傳遞是關系到生產線能否按照產品圖紙和BOM要求開展工藝制造的關鍵。所有的物料信息都在事前進行了精確的定義（例如：類型、規格、用途、BOM結構、存儲倉庫和價格等）和統一編碼，當帶有條碼標識的物料進入到生產線后，可以被各工藝崗位自動識別并顯示其工藝加工狀態。

圖4 燃料元件包殼管物料條碼標簽及手持式條碼識別器

圖5 條碼化的物料領料單

例如：從常規芯塊的采購入庫開始，信息系統中就建立了完整的芯塊庫存臺帳，所有批次芯塊的重量信息、富集度信息、粉末批信息、氫含量有效期和檢驗信息等都作為芯塊原料的產品特性被記錄在系統中，之后通過芯塊唯一的標識條碼，上述信息可以被后續不同的崗位所共享和使用，幫助崗位人員快速的完成物料識別和狀態判定。下圖所示為芯塊信息在各工藝間的傳遞：

圖6 芯塊物料信息的傳遞和追溯

通過對燃料元件所有生產原材料的條碼化追溯管理，實現了產品物料信息的全面追溯、精確定位和單體管理，為后續整個生產線信息化系統的運轉提供了基礎。

3.4 生產管控功能

3.4.1 生產計劃和制造執行的無縫集成

從生產計劃的下達開始，通過ERP模塊的產品BOM設計功能，系統會自動根據訂單數量計算出燃料元件制造所需零部件的種類和數量，訂單編號生成后直接傳送給車間MES系統，確保了每個生產訂單的準確和及時。

對于一些帶有特殊工藝要求或客戶要求的訂單，MES系統會根據訂單中產品物料號自動加載設定的詳細制造參數。操作人員只需要按照系統的提示，選擇正確的生產訂單就可以開始生產；如果操作人員選擇錯誤，系統也會自動阻止根據訂單領用的原材料投入到生產線上，極大降低了人為管理失誤的概率。

圖7 生產計劃下達和執行流程示意圖

3.4.2 生產工藝流程的標準化、精益化管理

流程化：所有類型的成品或半成品在MES系統中都有自己特定的工藝路線，每一步工藝操作也都有自己準確的定義，當某種產品被賦予一條特定的工藝路線后，必須按照工藝路線的要求完成所有加工和檢驗后（結果合格）才可以下線。

圖8 燃料元件管準備工藝流程示意圖

精益化：在整個制造過程中，MES系統通過與生產線掃描槍集成的方式，記錄產品的每一步工藝動作。而產品在每一個崗位上的信息（如工藝信息、檢測信息、人員操作信息、設備信息、物料信息等）都被記錄在系統中。

圖9 管準備工藝稱重崗位信息記錄界面

圖10 燃料棒制造工藝芯塊裝管崗位信息記錄界面

圖11 格架組裝過程中的PEER CHECK功能界面

圖12 骨架脹接崗位儀表管裝載布局界面

圖13 燃料棒制造狀態信息查詢

在自動化生產線和條碼掃描設備的幫助下，產品的所有工藝加工環節都被精確記錄，完全替代了紙質產品流通卡的記錄方式，在提高生產效率的同時，也保證了產品工藝數據的完整性和準確性。同時，由于其信息類型更加多樣和豐富，為技術人員的工藝改進和設備改造提供了強大數據支持。

模塊化：針對不同零部件制造工藝，信息化系統采用了與之相配套的模塊化設計，各模塊之間功能各異，相對獨立，被授權操作人員只能完成模塊內事先設定的產品工藝加工和檢驗項目。每個系統模塊中，根據產品工藝路線的不同，既包含生產線的自動化制造，也包含崗位人員的手工組裝，直到零部件完成系統模塊內的全部設定步驟，產品才能流轉入下一段工藝環節。

模塊化的設計方式，使各段工藝路線相對獨立，既可以統一協作完成一類產品的生產制造，也可以開展不同類型產品的并行混線生產，使前段的生產計劃和組織方式更為靈活，為柔性生產模式奠定了基礎。

當某一模塊發生工藝路線變動或檢驗技術條件變化時，只需要更改該模塊的設計或配置，而不會影響到其他系統模塊的運行，對后續系統功能的優化和調整更加有利，具體包括以下主要模塊：

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3.4.3 產品檢驗狀態管理

（1）生產線樣品采集的自動化管理

在燃料元件制造過程中，所有分析樣品的種類和數量都提前在系統中進行了設置，系統會自動控制傳輸線或者提示崗位人員完成樣品采集工作，否則傳輸線會停止動作，產品也無法流轉到下一個工藝崗位。在MES系統的控制下，燃料元件制造會嚴格按照“制造質量計劃”的要求執行樣品采集操作并記錄樣品的相關信息。

圖14 包殼管下端塞環焊崗位的樣品數據采集界面

例如：啟動管準備制造工藝，系統界面中會顯示焊接工位進入樣品采集模式，提示操作人員完成取樣操作。當首個包殼管的焊接完成后，系統自動將其定義為班前首樣（金相或腐蝕樣品），之后生產線才能夠進入到正式自動生產模式，后續焊接的包殼管會自動歸屬于該樣品區間。

（2）制造執行系統（MES）與實驗室信息管理系統（LIMS）的數據集成

LIMS系統作為MES系統的配套模塊，管理著燃料元件生產過程中的各類樣品信息。通過實驗室信息系統（LIMS）的設計應用，實現了AP1000核燃料元件生產過中實驗室樣品分析數據的全面、精確管理。所有樣品的創建記錄、分析過程、結果發布、分析統計等都在信息系統中設計了嚴格的管理流程，確保所有的樣品分析結果是有效和準確的。

圖16 MES系統與LIMS系統的業務集成

通過LIMS系統與MES系統的無縫數據集成，實現了實驗室樣品分析結果的自動反饋，生產線也會根據樣品分析結果自動控制產品的工序流轉。

3.4.4 高效率的質量放行管理

針對不同制造階段的燃料元件，質量保證人員要對燃料元件或零部件進行全面的質量審查，只有滿足工藝、產品、檢驗技術條件和其他管理要求的燃料元件或零部件才能進入到下一階段的制造流程，該項工作復雜且細致，需要進行大量的產品數據收集和質量判定。

通過MES系統強大的數據收集和自動判定功能，質量放行工作由原來的復雜、繁瑣變得極為簡單。質量管理人員根據信息系統中預設的產品質量放行條件是否滿足直接判定是否可以執行相關放行操作，如滿足則可以直接打印質量放行報告，且質量放行數據的全面性和及時性有了大幅提高。

圖17 產品質量放行界面

圖18 中間產品放行單打印界面

圖19 燃料元件質保放行證書打印界面

3.4.5 生產線設備的智能化集成

為了實現在MES系統管控下的生產線自動化制造，中核包頭對生產線設備實施了全面的系統集成，將工藝設備、檢測設備、傳輸線與MES系統通過控制接口和數據接口進行集成，實現MES系統對生產線設備的動作控制和數據采集，總計33臺（套）。

工藝及檢測數據集成

圖20 進口TIG焊機數據采集界面（電流、電壓和焊接時間）

圖21 管氧化設備數據采集界面（溫度曲線和氧化時間）

圖22 IFBA芯塊涂覆爐數據采集界面（真空度、溫度和功率）

圖23 TIG焊機和傳輸線系統集成示意圖（自動焊接和數據采集）

圖24 包殼管氧化設備和傳輸線系統集成示意圖（自動上料和氧化溫控）

通過對生產線設備的系統集成，進一步加強了燃料元件制造過程的工藝管控，使得產品的工藝數據和檢測數據更加及時、準確和完整；同時，通過將采集的數據信息與產品一一匹配，形成了完整的產品質量證明文件，為燃料元件制造質量提供保證。

4 結束語

通過信息化系統的設計和應用，中核包頭整合了生產線設備數據、生產物料信息、人員操作記錄、產品工藝路線以及各種輔助設施管理等內容，實現了燃料元件制造過程的信息化和智能化管控。整個燃料元件的制造過程更加標準化、精益化和透明化，圍繞產品的所有數據都經過信息系統分類處理并共享，為各項管理工作提供基礎，形成了多客戶訂單、多產品類型、多工藝路線的柔性生產管理模式，也為企業管理水平和產品質量的不斷提升創造了良性循環發展的環境。

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Information Management System used in AP1000 Fuel Assembly Manufacturing

JI Xue-zhou,WANG Wen-tao
(China Baotou Nuclear Fuel plant Inner Mongolia，Baotou Neimenggu 014035,China)

The AP1000 Nuclear Fuel Assembly production line information management system is one of the major construction projects in CBNF.Through designing the CBNF digital management model,using advanced computer controlling technology,the communication technology and the information management methods to realize that information management system could collect, transfer and analyze process and inspection data from production line automatically during the whole time of AP1000 Nuclear Fuel Assembly manufacturing.This way could reduce human mistakes and give the greater guarantee for product quality.Base on the huge data of product;manager could develop various production management researches.At last,summarizing the digital information management model for AP1000 nuclear fuel assembly production,building-up the experience for process management system design. With the support of system,CBNF will improve the depth,breadth and efficiency of management,build the stable basement for enterprise development.

AP1000 Fuel assembly manufacturing；Information Management；Process data collection；Lean management

A

1008-1739（2015）09-59-7

定稿日期：2015-04-12