葉片數字化工廠基礎技術探索

嚴羿， 李啟元， 熊小聰， 董強， 周云波

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

1 引言

數字化工廠是由數字化模型、 方法和工具構成的綜合網絡， 包含仿真和3D/虛擬現實可視化，通過連續、 沒有中斷的數據管理集成在一起。 數字化工廠的應用實施實現了從產品設計到加工制造全過程的數字化監管， 從產品全生命周期層面優化管理流程， 提高產品質量， 提升企業市場競爭力。

近年來， 隨著國家電力供應形勢趨于緩解，以及國家在節能環保上的政策調整， 汽輪機國內市場已趨于飽和， 同時國際市場的競爭也越來越激烈。 在這樣的市場環境下， 尋求新的發展策略，優化企業管理模式， 提升產品質量， 顯得尤為重要。 數字化工廠技術的應用實施， 能有效加強產品質量管控， 顯著提高企業經濟效益， 增強企業在新形勢下的綜合競爭力。

作為汽輪機組核心零部件， 葉片的加工在汽輪機生產中占比很大。 葉片分廠作為示范基地，進行數字化工廠建設的基礎技術研究， 為企業數字化工廠建設提供示范支撐。

2 數字化工廠技術探索基礎條件

葉片分廠主要承擔導葉片、 中小葉片、 次末級葉片及末級葉片等各類汽輪機葉片的加工任務。分廠經過多年努力已建成良好的數字化車間基礎，具備以下數字化工廠技術探索的基礎條件：

?分廠推行精益生產理念， 在生產計劃、 任務分配、 設備維護、 生產操作、 現場管理等方面進行了標準化、 規范化作業規定與實施。

?分廠設備先進、 自動化程度高， 包括5 個機加工中心機群， 高精數控加工中心100 臺以上。

?分廠信息化程度較高， 已運用生命周期數據管理系統（PLM）、 物料管理系統（MRPⅡ）、 企業資源計劃系統 （ERP）、 分布數控程序系統化管理（DNC）等進行生產過程管控。

?分廠生產規模大， 示范應用效果明顯， 已形成年產葉片類零件1 000 多個品種， 動靜葉片12 萬余片的生產規模。 結合企業的其他加工能力的建設， 具備生產制造常規火電葉片、 核電葉片、燃機壓氣機葉片及部分航空、 軍品葉片能力。

3 數字化工廠技術探索總體布局

葉片數字化工廠基礎技術探索項目， 面向葉片產品的設計、 工藝、 制造、 管理和運維服務的各個環節， 立足 “基于三維數字化的葉片產品與工藝設計平臺”、 “葉片制造數字化車間制造執行平臺” 以及 “葉片MRO 過程精細化管理平臺” 等三大平臺系統的開發和建設， 進行葉片數字化工廠基礎技術探索， 推動企業數字化制造產業的形成與發展。 項目主要研究內容如圖1 所示。

圖1 葉片數字化工廠探索主要內容

葉片分廠數字化工廠項目研究建立現場控制、工廠和企業等三層系統結構， 通過設備采集和人機交互獲取現場生產數據為MES 提供支持； 通過建設高效工業以太網保障數據傳輸； 通過對關鍵制造資源進行統籌管理， 精細化管理車間關鍵資源； 通過引入工作流引擎， 串聯葉片分廠現有系統的業務邏輯； 通過建設企業儀表盤和各類報表分析展示， 在第一時間將車間動態反饋給生產指揮者， 保障快速科學的做出決策。 車間系統框架如圖2 所示。

4 數字化工廠基礎技術研究

項目以實現公司葉片類零件數字化管理、 建立數字化工廠樣板為目標， 以3 大平臺為基礎，結合車間生產信息管控， 分3 大內容展開： 以數控設備分布式采集系統、 葉片編碼與控制系統、車間環境能耗安全監控系統為主的 “互聯互通”；以葉片全制造過程跟蹤管理、 刀具全周期管理、葉片在線檢測、 生產管控平臺、 供應鏈協同服務為主的 “生產管控”； 以數據驅動虛擬車間系統、葉片三維設計工藝制造一體化、 車間儀表臺、 生產移動交互為主的 “價值數據”， 見圖3。

圖3 應用示范3 個方面內容

4.1 互聯互通方面

基本實現葉片車間 “人機料法環” 等制造資源的互聯互通， 部署了數控設備分布式數據采集與控制系統DNC、 葉片編碼與標刻識別系統、 車間環境與能耗安全實時監控系統。

（1）數控設備分布式數據采集與控制系統采用車間DNC 系統， 用于車間加工設備狀態和加工參數數據采集， 進行設備能效統計分析， 為生產計劃、 設備維護以及過程管理提供數據支持。

（2）自主研發葉片編碼與標刻識別系統， 采用激光標刻二維碼形式， 在葉片表面進行激光打標，葉片流轉過程中使用掃描讀寫器進行標識， 在車間制造執行系統中進行跟蹤管理。

（3）自主研發車間環境與能耗安全實時監控系統， 見圖4。 在廢氣、 粉塵、 高溫等潛在危險區域安裝部署8 個環境監控點和4 個能耗監控點， 實時監控環境安全， 及時發出危險警報， 體現綠色制造和以人為本的理念。

圖4 車間環境與能耗安全實時監控系統

4.2 生產管控方面

基于精益管理思想， 車間對產品過程跟蹤、加工刀具、 加工質量、 任務執行、 協同服務等方面進行了管控， 實施了葉片制造過程跟蹤管理、葉片刀具全周期管理、 葉片加工在線質量檢測、生產制造執行過程管理MES 以及供應鏈協同服務管理MOM。

（1）通過基于SAP 深度定制開發出生產制造執行系統、 葉片全制作過程跟蹤系統、 刀具全周期管理系統， 完成葉片分廠核心業務全部信息化管理的目標， 使得葉片分廠制造過程能夠在系統中有效管控， 從而提高分廠的業務處理能力、 物料管理能力、 生產過程計劃執行能力以及供應鏈協同服務能力。

（2）部署了葉片五軸精加工機床接觸式在線測量系統 （見圖5）， 用于加工過程中在線測量葉片復雜功能型面和關鍵裝配面的加工精度， 有效解決了三坐標離線測量效率低、 維護成本高等問題，提高了葉片機加的生產效率。

圖5 五坐標機床在線測量系統應用

4.3 價值數據方面

實現車間生產數據透明化， 加快車間信息共享和決策支持， 部署了數據驅動虛擬車間系統、葉片三維設計工藝制造一體化平臺、 車間儀表盤以及生產業務移動交互等系統。

（1）自主研發出葉片分廠數據驅動虛擬車間系統， 與 ERP 系統、 PLM 系統、 MES 系統、 MDC系統等核心業務系統有效集成， 在三維環境中實時可視化呈現車間生產計劃、 設備狀態、 庫存數量、 工序進度等內容， 便于工人數據查詢， 為生產決策提供重要支撐。

（2） 根據葉片設計制造特點， 基于參數化理念， 自主研發建立葉片參數化快速建模子平臺、三維工藝結構化模型構建子平臺、 參數化三維工藝模板以及虛擬制造仿真子平臺， 打通了葉片從設計、 工藝、 制造等環節的流轉通道。

（3）自主搭建車間儀表臺， 用于車間實時生產統計分析與監控， 實現生產訂單進度、 設備停機信息、 NCR 信息、 環境監控信息、 重點視頻監控區域等信息可視化展示， 有效提高葉片車間生產透明度。

5 應用效果總結

葉片數字化工廠基礎技術的探索應用， 實現了以下經濟技術目標。

（1）完成了葉片產品設計工藝一體化開發， 開展產品設計與工藝設計基礎數據平臺共享， 運用全尺寸虛擬仿真， 加強過程質量管控， 提升加工制造效率。

（2）完成數字化車間執行平臺及精細化管控關鍵技術的應用， 優化加工設備狀態監控管理， 實現加工信息的動態跟蹤及追溯， 提高設備利用率，實現均衡生產。

（3）研發并示范應用了葉片車間虛擬生產線仿真模型和基于GIS 的動態可視化監控系統， 生產信息呈現與生產實際比較數據延遲不超過2 h。

（4）有效降低葉片生產成本， 顯著提升產品質量， 2015 年至 2017 年， 累計新增產值 47 000 萬元， 新增利潤4 200 萬元， 葉片產品質量問題NCR 單年均下降20%以上。

葉片數字化工廠基礎技術的探索應用， 使葉片分廠構建出車間產品全生命周期數據價值鏈，形成面向大型電站汽輪機葉片的快速研發、 柔性加工、 信息化管理、 精細化控制的第四代工業制造能力， 有效提高了葉片車間生產計劃與任務管理水平、 工藝設計與制造服務水平， 提高了車間協同運作和生產物流效率， 提升了企業數字化制造能力。

下一步將結合企業和集團公司的十三五發展規劃， 繼續推進企業數字化車間建設， 推動數字化技術、 信息技術、 智能技術在相關機械制造行業的應用推廣， 提升企業整體數字化運營能力。