數(shù)字化鑄造工廠淺析

常 濤，劉亞賓，彭 凡，楊 軍，乃曉文，王 皓，周正學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等所構(gòu)成的信息技術(shù)發(fā)展，以智能制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革成為制造業(yè)的主要趨勢(shì)。為加速我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，國(guó)務(wù)院發(fā)布實(shí)施《中國(guó)制造2025》，將智能制造作為主攻方向，加速培育我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)力，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)[1]。

作為制造業(yè)基礎(chǔ)的鑄造業(yè)，我國(guó)鑄造行業(yè)的整體水平與國(guó)外差距較大，我國(guó)鑄件生產(chǎn)效率是國(guó)外先進(jìn)水平的1/4~1/6，能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家同類鑄件的1.6倍，噸鑄件的各種污染物排放總量是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的3～5倍。鑄件質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)相比國(guó)外先進(jìn)水平存在顯著差距。制造過(guò)程以手工勞動(dòng)為主、工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、社會(huì)從業(yè)愿望差，智能轉(zhuǎn)型勢(shì)在必

行[2]。

共享集團(tuán)專注鑄造行業(yè)50年，擁有豐富的鑄造工藝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和鑄造公司管理經(jīng)驗(yàn)。在智能制造方面研究起步較早，在2012年提出了“數(shù)字化（智能化）引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、綠色制造、效率倍增”的轉(zhuǎn)型升級(jí)方針，主要通過(guò)3D打印等技術(shù)“點(diǎn)”上創(chuàng)新、形成鑄造智能單元“線”的集成、進(jìn)而構(gòu)建鑄造智能工廠“面”的新型模式，最終形成引領(lǐng)鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)及在相關(guān)產(chǎn)業(yè)“體”上的帶動(dòng)。在共享集團(tuán)內(nèi)部，建成了第一代鑄造數(shù)字化工廠，第二代鑄造數(shù)字化→智能過(guò)渡工廠，以及正在建設(shè)的具備一定智能功能的第三代鑄造智能工廠，在鑄造智能制造的理論探索與實(shí)踐方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施方法。

1 實(shí)施過(guò)程

鑄造行業(yè)屬于離散制造業(yè)，但與機(jī)床加工等純離散行業(yè)還有一定區(qū)別，在離散中還有一些流程性的生產(chǎn)工序，比如熔煉。因此，共享集團(tuán)在研究智能制造理論的同時(shí)，通過(guò)結(jié)合鑄造行業(yè)的特點(diǎn)，提出了如圖1所示的鑄造智能工廠的理論架構(gòu)。

首先，設(shè)備層按照工藝特點(diǎn)，劃分為五大單元：成形、熔煉澆注、精整、砂處理、物流。成形單元設(shè)備進(jìn)行鑄型的制作；熔煉澆注單元設(shè)備進(jìn)行鐵水的生產(chǎn)；精整單元設(shè)備進(jìn)行鑄件毛坯的表面處理及檢測(cè)；砂處理單元設(shè)備進(jìn)行砂子的回收和再生；物流單元設(shè)備貫穿各個(gè)單元，是各單元間以及各單元內(nèi)部的產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)媒介，也是各工序原料供給的轉(zhuǎn)運(yùn)媒介。

控制層與設(shè)備層一一對(duì)應(yīng)，各智能單元系統(tǒng)是對(duì)應(yīng)單元設(shè)備的控制中樞：（1）接收MES下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃、工藝參數(shù)、工藝文件、半成品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及物料BOM；（2）按照生產(chǎn)計(jì)劃以及操作流程，控制單元設(shè)備和（或）人按照工藝參數(shù)、文件、半成品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)采集各單元設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，與工藝要求進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，出現(xiàn)異常進(jìn)行自調(diào)整或者指揮人進(jìn)行調(diào)整；（3）采集各單元設(shè)備的物料消耗、能源消耗數(shù)據(jù)，形成生產(chǎn)成本核算和人員績(jī)效核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（4）采集設(shè)備的開(kāi)工、完工狀態(tài)，向MES反饋計(jì)劃執(zhí)行情況。

圖1 鑄造智能工廠架構(gòu)

車間層主要由MES和APS構(gòu)成。APS主要從ERP獲取計(jì)劃主數(shù)據(jù)，然后通過(guò)對(duì)物料庫(kù)存、作業(yè)人員、設(shè)備產(chǎn)能、工裝工具的有效性分析，按照產(chǎn)品的工藝路線進(jìn)行顧客交期、工廠日歷以及精益生產(chǎn)的邏輯算法，進(jìn)行排產(chǎn)，形成時(shí)（或者分）、日、周、月的具體生產(chǎn)計(jì)劃。排產(chǎn)后的計(jì)劃，通過(guò)MES將工藝參數(shù)、文件、半成品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及BOM等與其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化綁定后，下達(dá)到智能單元系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行結(jié)果由智能單元進(jìn)行反饋，當(dāng)執(zhí)行過(guò)程中的設(shè)備、質(zhì)量、物料出現(xiàn)異常時(shí)，由智能單元系統(tǒng)向MES發(fā)起異常的處理流程，MES將異常處理結(jié)果再回饋到智能單元系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行，形成閉環(huán)；同時(shí)，MES接收各智能單元反饋的實(shí)際生產(chǎn)情況，形成生產(chǎn)進(jìn)度追蹤、質(zhì)量追溯、物料追尋等統(tǒng)計(jì)分析功能。

企業(yè)層由全流程虛擬制造系統(tǒng)、ERP、SRM、CRM、HR、LIMS、特色管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)構(gòu)成。全流程虛擬制造系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品的鑄造工藝設(shè)計(jì)、仿真、檢驗(yàn)以及制造參數(shù)、文件的生成，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的歸檔管理，與ERP集成，向ERP傳送物料BOM、工藝路線，與MES集成，向MES下達(dá)制造過(guò)程所需的工藝參數(shù)、文件、半成品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等；ERP進(jìn)行企業(yè)資源、供應(yīng)鏈、物料主數(shù)據(jù)、生產(chǎn)主數(shù)據(jù)的管理，與MES進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的閉環(huán)管理；SRM進(jìn)行供應(yīng)商管理，與MES系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)物料采購(gòu)計(jì)劃與供應(yīng)商的自動(dòng)對(duì)接，與ERP集成，實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)賬目的結(jié)算；CRM進(jìn)行顧客關(guān)系管理，與ERP系統(tǒng)、全流程虛擬制造系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)詢報(bào)價(jià)、訂單管理，與MES集成，實(shí)現(xiàn)顧客訂單生產(chǎn)過(guò)程可視化；HR進(jìn)行人力資源管理，與MES、ERP、智能單元集成，實(shí)現(xiàn)人員的角色、權(quán)限統(tǒng)一化管理；LIMS進(jìn)行產(chǎn)品、原輔材料的物理性能、化學(xué)成分檢測(cè)，與MES集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、原輔材料的質(zhì)量管理與追溯；特色管理系統(tǒng)作是ERP、SRM、CRM、HR管理界限外的綜合管理系統(tǒng)，是共享集團(tuán)多年管理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，由企業(yè)的戰(zhàn)略、行政、創(chuàng)新、財(cái)務(wù)、計(jì)劃量化等管理模塊組成；決策支持系統(tǒng)，主要由BI作為軟件平臺(tái)，從企業(yè)經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、環(huán)境安全等主題，展現(xiàn)企業(yè)即時(shí)的運(yùn)營(yíng)狀況，為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不斷探索與實(shí)踐，共享集團(tuán)已形成了以上行之有效的智能工廠建設(shè)方案，并在集團(tuán)內(nèi)部的幾代實(shí)驗(yàn)工廠得到了驗(yàn)證，產(chǎn)生了良好的內(nèi)部效益和社會(huì)效益。共享集團(tuán)旗下的共享裝備數(shù)字化工廠在2015獲得年國(guó)家首批46家智能制造/數(shù)字化工廠試點(diǎn)示范。實(shí)驗(yàn)工廠已迎來(lái)多批政府和企業(yè)人員的蒞臨指導(dǎo)，為行業(yè)的發(fā)展提供了一條可借鑒的轉(zhuǎn)型之路。

[1] 王歡，田靜，古玲玲，等.鑄造企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)淺析[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2017（3）:58-60.

[2]劉小龍.自動(dòng)化鑄造裝備和數(shù)字化鑄造廠 [J].鑄造設(shè)備與工藝,2013（6）:1-3+30.