基于訂單式生產的盾構機智能制造工廠建設分析

摘 要：當前，世界制造業產業競爭格局正在發生重大調整，數字化、網絡化和智能化已經成為新一輪工業革命的核心內容，智能制造也已成為全球制造業的戰略制高點。本文梳理了目前國內訂單式生產企業的現狀，并根據訂單式生產企業的特點，提出了基于訂單式生產的盾構機智能制造工廠建設的頂層設計思路，并著重從訂單式生產企業車間智能制造和未來精益生產方面論述了訂單式生產企業智能制造工廠建設的內容和意義，為訂單式生產企業智能制造工廠建設方向提供了指引。

關鍵詞：訂單式生產；盾構機；智能制造工廠

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0011-03

Analysis of Shield Machine Intelligent Manufacturing Plant

Construction Based on Order Production

DI Xiaohong

（China Railway Engineering Equipment Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： At present， the world's manufacturing industry is undergoing a major adjustment in its competitive landscape. Digitalization， networking and intelligence have become the core content of the new round of industrial revolutions. Intelligent manufacturing has also become a strategic commanding height for global manufacturing. This paper sorted out the current status of domestic order-based production enterprises， and according to the characteristics of the order-type production enterprises， put forward the top-level design ideas for the construction of shield machine intelligent manufacturing plant construction based on order production，and focued on the content and significance of order-based manufacturing companies' intelligent manufacturing plant construction from the order-based manufacturing company's workshops' intelligent manufacturing and lean production， and provided guidance for the order-based production enterprises' intelligent manufacturing plant construction direction.

Keywords： make to order；shield machine；intelligent manufacturing plant

隨著全球經濟結構的深度調整，我國制造業正面臨著嚴峻的挑戰。為主動應對新一輪的科技革命和產業變革，推進我國制造業供給側改革，構建新型制造體系，國家先后頒布了《中國制造2025》《智能制造工程實施指南（2016—2020年）》等一系列重要文件，發改委、工信部、財政部和國資委等就推動兩化融合和智能制造出臺了一系列措施，為智能制造發展指明了方向。在制造業的改革熱潮中，流程生產行業和離散制造行業不斷涌現出一批智能制造走在前列的企業，為后續企業智能制造建設提供了一定的參考和借鑒，訂單式生產的離散制造業也開始通過建設智能制造工廠的方式來改變目前工廠生產和管理的局限性[1]。

1 訂單式生產企業現狀分析

訂單式生產企業如盾構機，有著小批量、多品種和大規模的生產特點，加工和裝配過程比較復雜，且生產周期較長，受外部訂單影響，往往會出現多個生產計劃同時進行，成千上萬種物料非連續式地經過不同的工藝過程同時生產的情況。基于訂單式生產的盾構機的生產特點總結如下。

①受客戶個性化定制的影響，訂單式生產企業（如盾構機）根據其構成不同，種類較多，且批量生產的可能性極小[2]。

②訂單式生產模式的盾構機企業受訂單隨機性的影響，對企業的制造能力搭配、設備搭配、基礎設施的配備、庫存的控制和存貨管理等帶來了極大挑戰。

③由于盾構機結構復雜，制造周期較長，且重復使用概率極低，很難使用固定的流程或裝配線來完成不同訂單產品的生產。

④非流程式制造的產品設計及變更信息向制造端傳遞不及時，制造信息向設計端反饋不及時而導致的工藝工序相沖突或者庫存物料分配不精確等情況時有發生。

⑤對于訂單式生產的盾構機企業來說，由于其裝配工序復雜，因此人工工位不可或缺。但由于人工操作的不穩定性，往往使產品質量水平難以控制，導致制造成本增加等。

隨著盾構機行業的不斷發展，傳統的生產管理模式已經無法滿足企業快速發展的需求，企業急需通過先進的理念和措施保證生產流程高效運行。在新一輪智能制造改革的摸索和嘗試過程中，訂單式生產行業已經逐漸形成了幾種成熟穩定的模塊，如智能倉儲、智能物流、智能焊接、智能檢測、智能裝配和可視化看板等。

2 基于訂單式生產的盾構機智能制造工廠建設探討

通過對長期困擾訂單式生產企業管理痛點的分析和討論，總結出對基于訂單式生產的盾構機車間，要實現智能制造的全面建設，在設計、制造和管理方面建立一個完整的產品全生命周期的追溯機制仍然必不可少。在設計方面，要對產品進行全生命周期管理（PLM）[3]；在制造方面，實現對物料的自動倉儲，關鍵焊接結構件的智能焊接、生產狀態的實時監控；在管理方面，實現采購、庫存、生產、財務等業務的緊密協同作業。而要實現上述功能，首先要搭建盾構機智能制造層級，通過不同層級功能的互通實現盾構機智能制造工廠建設。

2.1 智能制造系統層級搭建

按照智能制造系統層級，自下而上分可將其分為車間設備層、車間控制層、車間應用層、企業管理層和協同層等。訂單式生產企業智能制造工廠的車間設備層主要由工業機器人、智能物流設備、智能檢測設備、射頻識別、立體倉庫和數控機床等組成，其基本特征是人機協同和人機交互；車間控制層主要由PLC與數據采集SCADA系統等構成，通過網絡控制信息實現對設備層設備的狀態監控與制造數據采集；車間應用層主要由制造執行MES系統和倉儲管理WMS系統組成，與企業管理層協同生產和利用PLM對產品制造工藝進行優化，對產品生產過程進行實時掌控，并對過程中的數據進行分析和優化，達到排產智能化、生產過程智能化、質量過程控制智能化等；企業管理層主要由ERP等組成，其主要作用是對企業的內部資源（人、財、物等）進行合理化分配和優化，減少資源占用成本，實現智能決策[4]。盾構機智能制造系統各層級的具體內容如圖1所示。

2.2 智能倉儲技術

盾構機結構復雜，物料的種類和數量極其龐大。隨著生產規模的不斷擴大，產品種類的不斷增加，物料管理對傳統的管理模式提出了巨大挑戰。但是，生產過程中因物料管理問題而導致生產計劃不能按期執行的情況時有發生[5]。

通過智能倉儲系統的應用，可實現物料從采購到入庫再到計劃派料、出庫流程無紙化作業，實現存取物料自動化等一整套系統作業，并通過倉庫管理系統WMS和智能物流系統WCS的無縫對接，實現對物料的自動存儲，自動轉運，提升訂單式生產企業的物料管理自動化水平。

智能倉儲系統還可以實現對不同類型的物料進行分塊管理，自動完成物料的出入庫作業。WMS倉儲管理系統能提供準確的庫存數據信息，實現對出入立體庫的物流進行動態管理與調度，并對出入庫作業進行最佳分配、調度和控制，及時、準確完成貨物的出入庫，同時實現與物流信息的同步管理。此外，WMS倉儲管理系統還可以實現自動化立體倉庫和普通貨架庫的綜合管理。

2.3 智能焊接機器人系統

基于訂單式生產的盾構機的結構件焊接主要以人工焊接為主，焊接效率較低且焊接質量受人為因素影響較大，焊接過程中產生的粉塵和廢氣等對工人的健康影響也較大。

智能焊接機器人系統可針對盾構機結構件（刀盤、盾體、驅動箱等）的焊接工藝特點，結合行業內成熟的機器人自動焊接方式和自動焊接工藝，對大型結構件如刀盤等進行分步智能焊接[6]。智能機器人焊接系統的焊接流程為通過結構件數據模型與加工設備之間的數據關聯，利用機器人離線編程和焊接工藝仿真，驅動焊接機器人按照設計數據進行大型結構件的智能化焊接。同時，焊接機器人可完成由結構件的部件到整體的分步智能焊接，焊接效率大大提高。

2.4 電子看板

電子看板是精益生產目視化管理的重要手段，能夠迅速收集并反饋車間的實時信息。車間管理人員可以通過看板信息及時了解盾構機生產車間的在建項目信息、生產活動信息、物料狀態信息和工序工位實時狀態信息等[7]。通過對盾構機車間的所有看板進行聯網，并進行集中控制，能夠實時掌握全局動態，為生產調度提供指導。

在質量控制方面，通過看板系統與車間執行MES系統的有效對接，使看板系統中的作業指導書與工位的實時生產狀態相結合，能有效指導工人進行作業，并對工位的工序進行質量把控，實現盾構機生產全過程的質量控制，提升盾構機的生產質量，降低成本。

2.5 設備運行監控

智能制造在設備監控和維護上的優勢主要體現在：通過設備狀態監控系統能及時、準確地將產品在車間制造過程中的各種數據進行有效采集和快速處理，對相關參數進行監控和反饋，向PDM/ERP/MES等信息化系統的相關功能模塊提供實時數據[8]。這對于訂單式生產企業的智能化建設具有重要意義。

通過設備狀態監控系統可實現對盾構機焊接車間、裝配車間和機加工車間等的所有底層數字化設備集中化監測與控制，采集所有核心運轉數據，如設備運行數據、質量檢測數據、物料識別數據和工藝加工數據等，實現對所有設備運行情況的可視化、故障報警實時提示與處理等，并實現部分設備的遠程操作與控制。

3 未來展望

對于訂單式生產企業而言，對車間不同模塊實現自動化或者智能化只是智能制造改革的第一步，未來還要向信息化和網絡化方向發展，打通企業各部門或各功能車間之間的信息孤島，實現信息的互聯互通。通過MES系統對產品生產全過程進行掌控，并對信息進行實時反饋和自主優化執行，實現對產品生產全過程的質量管理；通過設備運行狀態監測系統與數據庫之間進行關聯和綁定，實現虛擬工廠實時可視化監控，并通過ERP或MES獲取車間產線信息，對車間產線工藝、物流仿真進行分析，實現智能制造工廠生產的準時化和自動化；在并行工程方面，主要從設計開始，利用CAPP工藝設計系統與PDM數據管理系統的集成實現對產品的全生命周期過程的管理（PLM），提高工藝設計效率，縮短開發周期，最終達到車間精益化生產。

4 結語

基于訂單式生產的盾構機智能制造工廠是以數據為基礎的信息管理平臺，以工廠設備基礎數據為核心的數據倉庫。在盾構機車間整個生命周期內的關鍵工作流程中，企業會大大受益于基礎數據和其他信息系統的協作功能。通過對盾構機全生命周期的管理，智能制造工廠的數據可以在工廠中不斷更新、維護和再利用。

總之，智能制造工廠的建立和應用可推動企業逐步形成數字化、網絡化、智能化生產運營的新模式，提高勞動生產率，滿足企業快速發展的需要。

參考文獻：

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