硬質合金智能工廠設計

譚 鑫，張建新，李怡然，羅 佳，賀 甜，周曉輝

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007）

自20世紀80年代末智能制造提出以來，世界各國對智能制造技術進行了各種研究。我國工信部相關文件將智能制造定義為：基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。實施智能制造能夠給當今制造業帶來深刻變化，具體可以概括為：“兩提升、三降低”，即：生產效率的大幅度提升，資源綜合利用率的大幅度提升；研制周期的大幅度縮短，運營成本和單位產值能耗的大幅度下降，產品不良品率的大幅度下降[1，2]。因而，發展智能制造技術已成為世界制造業發展的客觀趨勢，世界上主要工業發達國家正在大力推廣和應用。

發展智能制造既符合我國制造業發展的內在要求，也是重塑我國制造業優勢，實現轉型升級的必然選擇，因此我國把發展智能制造提升到了國家戰略的高度。工信部2015年5月正式提出《中國制造2025》發展戰略，并采取一系列政策、措施與舉措，在我國全行業推動智能制造的普及與應用。

從1948年大華電冶金廠首次生產鎢鈷硬質合金至今，我國硬質合金產業已經飛速發展了七十年，各類產品齊全，生產規模和產量已經位居世界前列。但目前我國硬質合金行業仍存在高端產能比重不足，低端產能過剩；科技投入不高、原始創新能力不強；生產自動化程度不高、生產效率低下等問題[3-6]。

要解決上述問題，一方面要加大工藝研發力度，采用先進工藝提升硬質合金產品的性能和質量；另一方面需加大設備研發力度，加強信息技術與制造融合，實行智能制造，是目前硬質合金產業技術發展最重要的課題，也是當前新型制造行業飛躍發展和傳統制造業提質增效、轉型升級的需要。我國已經有部分硬質合金企業開展了智能制造生產方式的應用探索，開始嘗試數字化、智能化的轉型升級。但整體而言，我國目前硬質合金生產技術水平仍處于機械化、電氣化階段。在“中國制造2025’”重點發展十大領域——新材料重點領域中，硬質合金是重中之重。面臨這樣全面做大做強，優化升級的重大歷史機遇，硬質合金產業應該迎頭趕上，全力發展智能制造技術及應用，建設智能制造工廠。筆者在有色冶金、電工電器、軌道交通、工程機械等領域的智能制造工廠設計方面取得了一些經驗和技術積累，現將智能制造技術與硬質合金行業工廠設計相結合，探討硬質合金產業智能制造工廠的設計思路。

1 硬質合金智能制造工廠建設方案

硬質合金智能制造工廠的建設按照工信部《2018年智能制造綜合標準化與新模式應用項目指南》的基本要求，以工業4.0進階六步法（見圖1）作為建設基準，緊密圍繞生產制造為主線，通過信息集成手段，打造智能化的混合料、壓制、燒結、深加工等生產工段以及倉儲運輸系統，全面提升各生產單元的信息化與自動化水平，實現生產制造系統與工廠信息化體系的互聯互通，建設業務數據集成共享的智能工廠體系。通過智能工廠體系的建設，實現制造系統的自動化、信息化、可視化、協同化、智能化和虛實一體化，提高生產效率，降低運營成本，為企業全面向智能制造新模式轉型升級奠定良好的基礎。

圖1 工業4.0進階六步法

2 硬質合金智能制造工廠體系構架

在國家智能制造系統架構及標準體系的定義中，智能工廠建設內容涵蓋了設備、控制、車間三個層級以及車間層與企業層的接口，對產業生產內容進行梳理細化后，硬質合金智能工廠設計應當包含6個系統模塊，整體構架設計如圖2所示：

圖2 硬質合金智能工廠體系構架

硬質合金生產制造體系主要包含：自動化產線系統、智能倉儲及物流管理系統、生產信息識別采集系統、生產管理系統、工業無線網和生產控制中心等6大主要系統，覆蓋設備、控制、車間、管理四個層級。各系統模塊邊界明確，主要系統均采用云端部署，以工業無線網作為信息互聯互通的主要途徑。接下來具體介紹硬質合金智能制造工廠的6大系統模塊：

2.1 自動化產線系統

在硬質合金產業的生產制造中，需要主要設計混合料配、送料自動線、球磨機酒精自動控制單元、磨削加工自動化生產線、模壓智能生產線、燒結智能生產線、成品自動包裝生產線等，以及與生產線相關的智能立體物料配送系統和檢驗檢測系統。并通過MES系統實現生產線與數字化管控系統的數據交換，打通決策、規劃、設計和制造過程之間的“鴻溝”，提高生產系統的效率和柔性。

2.1.1 混合料工段

在配料工序中，通過采用MES控制配料管理系統，將原料庫存管理、配方管理、信息管理、配料稱重進行有效融合，以實現自動配料并為產品信息可追溯管理提供原始依據和保障。工藝人員在系統內下發產品工藝單后，自動配料系統根據配方下指令至高位料桶，通過自動稱量裝置及混料系統完成自動配、混料（見圖3）。可有效避免因物料類別、稱重數據等人為錯誤而是引發質量安全問題，為用戶實現有效解決配料過程中人為因素的影響，提高企業現代化管理水平。

通過MES控制系統將配好的混合料采用配備有視覺感應系統的AGV小車自動將料桶按照指定線路運送至指定球磨機，并通過感應器多角度定位，自動對接送料口完成輸送料。系統通過球磨工藝配方，下指令至球磨機酒精自動控制單元，進行酒精自動供應，球磨機則按照工藝要求通過系統自動控制啟停。

圖3 混合料自動上料、配料系統

2.1.2 模壓工段

針對目前模壓工段的混合料裝料多采用高位叉車或單軌葫蘆，主要依賴人員操作的問題。模壓工段智能生產線采用AGV小車輸送混合料至相應操作位，增設智能機械手實現自動上料，翻轉料桶實現自動翻料，配備自動化桁架機械手完成裝料吊裝工作。全面采用智能機械手下料、裝舟。采用自動化數控壓力機，配置在線監測工位，生產期間機械手按設定的頻次送至在線檢查半成品的單重及外觀尺寸，初步實現壓制生產線的自糾錯功能。如超出系統自糾錯的能力范圍，與系統聯動報警，由設備工程師調整復位。

2.1.3 燒結工段

燒結智能生產線，裝舟、卸爐采用機械手配備AGV小車進行，通過提高壓力燒結爐智能化水平，實現全自動作業，建立數據信息采集系統，采集工藝過程數據（如爐膛氣壓曲線、溫度曲線等），利用MES系統等實現實時在線監控。

2.1.4 深加工工段

硬質合金產品深加工設計不同的自動化智能裝備實現其自動化和智能化生產。深加工工序間的轉運由自動化機械替代，如地礦、球齒類產品采用震動盤；單片類產品可采用擴孔或吸盤式五軸機械手；棒型材產品采用夾取型機械手實現自動送料。深加工工段自動生產線通過配備智能化信息采集系統，進行在線檢測、調整工件加工精度，反饋調整設備運行狀況（包括加工數量、運行速度、冷卻液溫度和液位、異常信息等。）。

2.1.5 包裝工段

包裝工段采用目前成熟的自動包裝碼垛生產線，主要設備單元包括激光打標機、自動開箱機、西門子PLC、倍速鏈傳輸線、輥筒傳輸線、碼垛單元等、實現產品從檢測、包裝、到碼垛、成品出倉的全過程自動化。采用無線射頻識別（RFID）技術進行產品掃碼、編碼、打標包裝，建立包裝與物聯網系統技術的結合，實現產品和包裝的對應關系，實現產品的質量保證和追溯。

2.2 智能倉儲及物流管理系統（WMS）

硬質合金的智能倉儲及物流管理系統，主要包括輥子/鏈條輸送機組、AGV自動導航叉車以及自動化立體倉庫。通過智能物流管理可實現物料的自動化儲存和物料到工位的自動配送、缺料異常的自適應響應功能、在線仿真的智能調度[7]。

2.3 生產信息識別采集系統

包括設備監控采集系統（SCADA）、條碼系統、射頻系統（RFID），生產監控視頻識別系統、能源監控系統等。

本系統是在生產線自動化的基礎上，通過監控采集系統的部署對采集的設備信息數據進行規格標準化，以圖表的形式實現設備運行參數的可視化。通過條碼系統、無線射頻識別系統的部署實現產品、工序、工藝、設備、位置的全面自動識別。并通過與生產管理系統建立數據通道，實現生產過程的數據采集分析和故障檢測診斷。

2.4 生產管理系統

包括制造執行系統（MES）、生產看板、現場終端、安燈系統、系統接口等。

MES系統是整個生產過程的核心系統，對生產計劃進行管控，并完成生產系統與企業決策以及設計部門之間數據交換。在自動化、信息化和可視化的基礎上，通過部署制造執行系統（MES）和倉儲管理系統（WMS），實現車間內人、機、料、法、環、測與生產計劃的協同，由生產控制中心調度，滿足標準的作業流程按照工藝自動推送到工位終端、物料按照各工序的需求準點配送到各工位、不合格品按標準流程處置等精益生產需求，同時通過生產看板和安燈系統對生產狀態進行可視化標識。在完成車間內協同化后，通過MES系統和WMS系統的接口程序對接企業ERP、PLM、SCM及CRM系統，實現企業數據互聯互通，協同作業。

2.5 工業無線網系統

包括廠區內光纖主干網、無線通信節點、無線通信網關，部分工業以太網等。工業無線網主要實現大數據應用分享與集成，建立設備與管理層、云平臺之間的信息通道。

2.6 生產控制系統（企業ERP系統）

包括中央機房、生產控制系統平臺、中控室等，主要建立企業ERP系統，進行系統平臺云端部署。

ERP系統作為企業數字化管理的核心內容，主要進行決策層面的工作以及對整體生產計劃與物料分派的規劃任務，ERP與MES系統之間通過數據接口，實現數據的上傳與下發。

系統平臺云端部署是在信息化和協同化的基礎上，進一步深化智能模塊的應用，實現整個生產制造系統的智能化。主要應用包括：先進排程系統（APS）的引入及與相關系統的對接、設備利用率（OEE）細化分析應用、預測性質量控制（APC）技術進行質量實時糾偏、專家經驗數據庫、工藝物流仿真驗證等技術與手段的引入，逐步實現生產系統的自主決策能力，滿足物流、設備參數控制等方面的智能管控。

3 結語

大量研究結果表明，智能制造工廠相較于傳統的生存模式存在巨大的優勢，隨著技術的發展，傳統生產模式必將被智能工廠代替[8]。過去很多年，中國硬質合金企業一直更注重廠房與裝備等固定資產的投入，忽略了自身技術研發、信息采集互通、制造管理方式等的“軟件”升級，導致生產模式落后、效率低下、資源利用率低等問題。在全球制造業全面轉型升級的背景下，加快智能制造工廠建設是中國廣大硬質合金企業的必然選擇。硬質合金智能制造工廠建設應該利用工藝仿真模擬及設計應用，采用柔性制造與成組技術相結合的生產工藝，對各單元生產進行數字化提質改造升級，建立產品全生命周期的生產管理與在線檢測系統、智能倉儲及物流系統，通過數據可視化利用云端大數據指導實現真正的智能化、模塊化、柔性化生產。