基于全壽命周期成本理論的炭塊質(zhì)量追溯標識系統(tǒng)研發(fā)設計

文/王 冉 韓 棟 王興濤

引言

“中國制造2025”規(guī)劃指出，要實施覆蓋產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量管理、質(zhì)量自我聲明和質(zhì)量追溯制度，保障能源產(chǎn)品質(zhì)量安全。煤炭作為能源資源之一，建立健全質(zhì)量追溯體系，實現(xiàn)炭塊產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量可追溯是行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的必然要求[1]。

陽極炭塊生產(chǎn)工藝流程較長，期間工藝參數(shù)調(diào)節(jié)和質(zhì)量控制點較多。傳統(tǒng)采用粗放式生產(chǎn)質(zhì)量管理，給產(chǎn)品質(zhì)量管理帶來很大難度，對炭塊質(zhì)量進行精細化管理是當前炭素生產(chǎn)工廠比較迫切的問題。亟需一套系統(tǒng)能實現(xiàn)碳塊的打印及定位跟蹤，實現(xiàn)全壽命周期管理。

1、產(chǎn)品質(zhì)量追溯概述及研究現(xiàn)狀

國際標準化組織將可追溯性（Traceability）定義為“追溯客體的歷史、應用情況或所處位置的能力，根據(jù)產(chǎn)品的特點采用合適的標識方式，以達到對產(chǎn)品標記，從而追溯產(chǎn)品的設計生產(chǎn)過程、使用情況和所處空間的能力”。在質(zhì)量管理中通常采用對需要追溯的產(chǎn)品進行有效標識，方便追查其設計、加工、存儲和銷售等情況。當產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，為查找質(zhì)量原因提供數(shù)據(jù)。質(zhì)量追溯（QualityTracking）是以質(zhì)量管理為目的的產(chǎn)品追溯，是質(zhì)量追蹤和質(zhì)量溯源兩個概念的綜合[2]，其中追蹤是指從供應鏈上游向下游進行的質(zhì)量跟蹤，一旦上游發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，能夠快速定位質(zhì)量問題的影響范圍；溯源是指從供應鏈下游向上游進行質(zhì)量溯源，一旦下游發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，能夠快速尋找質(zhì)量問題的根源。

2、基于LCC 理論的炭塊質(zhì)量追溯概述

炭塊全生命周期管理與質(zhì)量追溯系統(tǒng)基于鋁用焙燒陽極炭塊從原材料、煅燒、混捏、成型、生塊入庫、編組、焙燒、解組、熟塊入庫、熟塊出庫陽極炭塊全生命周期管理，以及擴展延伸至陽極組裝、陽極導桿、電解換極、電解過程管理、殘極下線等炭塊及陽極導桿電解過程管理。

炭塊振動成型出水后，系統(tǒng)對炭塊進行打標，對每一塊生塊按照編碼規(guī)則生成唯一性ID 標識，在炭塊全生命周期內(nèi)，本ID 標識具有唯一性，在全生命周期內(nèi)可以對此唯一ID 信息進行相關生產(chǎn)、質(zhì)量、過程等信息的查詢功能[3]。系統(tǒng)產(chǎn)生的ID 標識可以在后期擴展，與其他智能系統(tǒng)、計質(zhì)量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)，進行對接。

3、炭塊質(zhì)量追溯影響因素信息分析

炭塊的形成過程可分成兩個階段：設計階段和制造階段。目前我國的大部分炭塊制造企業(yè)還處于供應鏈的上游。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明有超過一半的質(zhì)量問題是由產(chǎn)品制造過程造成的。因此炭塊制造企業(yè)制造階段的質(zhì)量追溯就是對從原材料采購到產(chǎn)品交付的整個過程的追溯。質(zhì)量追溯對象可以將劃分為3 大塊：采購件質(zhì)量信息，產(chǎn)品工藝信息，加工制造過程信息。

3.1 碳塊采購質(zhì)量信息

采購件質(zhì)量信息采購件包括原材料、標準件等。采購件的質(zhì)量對產(chǎn)品最終的質(zhì)量有著決定性的影響，一旦采購件出現(xiàn)質(zhì)量問題將導致最終成品出現(xiàn)更大的質(zhì)量問題。因此，企業(yè)應對采購件質(zhì)量嚴格把關。采購件質(zhì)量信息的追溯對象主要是指對采購件的來源、質(zhì)量情況等信息。

3.2 碳塊工藝信息

碳塊工藝信息是指產(chǎn)品工藝設計過程中產(chǎn)生的信息。工藝設計是產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的紐帶。工藝設計過程包含了產(chǎn)品制造所必須的物料、工藝路線、工序參數(shù)等信息的確定。工藝文件是工人生產(chǎn)的最重要的質(zhì)量文件，是按照圖紙上的要求把原材料加工成滿足客戶需求的產(chǎn)品的保障。好的工藝文件可以將制造成本降到很低，仍然可以生產(chǎn)出滿足客戶要求的合格產(chǎn)品。然而一旦工藝設計出現(xiàn)問題，將造成成批的產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，給企業(yè)造成巨大的損失。

3.3 碳塊制造過程信息

在產(chǎn)品制造過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素有很多，具體來說主要有:人、機、料、法、環(huán)、測,簡稱為“5M1E”[4]。企業(yè)只有在生產(chǎn)加工過程中如實地記錄下這些信息，當產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問題時，才能如實還原出問題產(chǎn)品加工時的實際車間生產(chǎn)情況，分析產(chǎn)品實際加工情況，找出問題原因，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯。因此產(chǎn)品制造過程信息是質(zhì)量追溯信息的重要組成部分。產(chǎn)品加工過程中會有大量的質(zhì)量信息產(chǎn)生，這些信息將會被記錄在不同的質(zhì)量文件上。如采購件的質(zhì)量信息就記錄在來料檢驗記錄表、來料檢驗報告、外協(xié)申請入庫單等記錄上，企業(yè)通過對這些記錄的查詢可以追溯到采購件的供應商（外協(xié)加工商）信息、采購件質(zhì)檢信息、采購件屬性信息等；產(chǎn)品工藝信息主要記錄在工藝過程卡等文件上，企業(yè)通過對這些文件的查詢可以追溯到產(chǎn)品的每步工序的具體內(nèi)容、工藝的制定人和審核人等信息。產(chǎn)品的制造過程信息主要記錄在施工記錄卡和首檢、自檢、巡檢、終檢記錄上，企業(yè)通過對這些記錄的查詢可以追溯到產(chǎn)品加工過程中的具體工人、車間、加工設備和夾具量具等信息[5]。及時完整地填寫質(zhì)量文件是實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯的第一步，要實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯還需要利用批號將全部質(zhì)量信息串聯(lián)起來，形成完整的質(zhì)量信息鏈條，企業(yè)獲得質(zhì)量信息鏈條的任意一點批次信息，就可以通過向后溯源找到該批次產(chǎn)品制造階段所有的質(zhì)量信息，還原出該批次產(chǎn)品的實際加工過程，找出引發(fā)質(zhì)量問題的零部件或原材料批次。然后按照批次清單向前追蹤使用了問題原材料或零部件的產(chǎn)品批次，劃定質(zhì)量問題范圍，提前采取措施解決質(zhì)量問題。因此，為了保證質(zhì)量數(shù)據(jù)的精確性，企業(yè)需要合理設計質(zhì)量文件，利用批次信息將質(zhì)量文件上的質(zhì)量信息串聯(lián)起來，組成完整的信息鏈條。質(zhì)檢工人需要按照要求及時、有效地填寫全部質(zhì)量文件。

4、炭塊質(zhì)量追溯系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)目標

考慮到質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的建設既要對原有的質(zhì)量管理流程進行信息化，也要對存在的問題質(zhì)量管理流程進行優(yōu)化，針對碳塊制造企業(yè)在質(zhì)量管理中存在的問題和對質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的設計要求，質(zhì)量管理信息系統(tǒng)需實現(xiàn)如下目標：

1）質(zhì)量管理過程制度化、規(guī)范化。識別質(zhì)量管理工作過程與各個過程之間的關系與相互作用，優(yōu)化問題過程，做到管理過程的制度化和規(guī)范化。

2）實現(xiàn)質(zhì)量信息在部門之間共享。

3）減輕質(zhì)量工人工作量。質(zhì)量工作人員通過質(zhì)量管理信息系統(tǒng)對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行高效、實時的采集，然后利用系統(tǒng)對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，減輕質(zhì)量工作人員的統(tǒng)計和整理工作。

4）為企業(yè)決策者提供決策依據(jù)。分析質(zhì)量數(shù)據(jù)，為企業(yè)質(zhì)量改進和質(zhì)量預防工作指明方向，查找質(zhì)量問題產(chǎn)生原因，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯。

4.2 炭塊質(zhì)量追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)核心是設計一套系統(tǒng)，能實現(xiàn)炭塊的激光打碼和炭塊定位。炭塊自動定位系統(tǒng)

用于在打標環(huán)節(jié)的產(chǎn)品精準定位，提高作業(yè)精度。炭塊自動標示系統(tǒng)即從生塊成型后即進行唯一性編碼。電氣控制系統(tǒng)及采用PLC 集中控制，實現(xiàn)炭塊的激光打印。系統(tǒng)對應硬件打印設計模型如圖1 所示，三個部分分別為激光打碼模塊、炭塊定位模塊及電氣控制模塊。

圖1 炭塊質(zhì)量追溯系設計模塊

4.3 炭塊質(zhì)量追溯系統(tǒng)界面設計

該系統(tǒng)通過控制模塊實現(xiàn)打碼速度、打碼深度，字體線條寬、炭塊對焦、伺服模組運動方向、激光測距等調(diào)控，并考慮特殊使用環(huán)境，例如冬季現(xiàn)場出現(xiàn)水霧時，可輔助激光測距實現(xiàn)自動對焦等功能。本系統(tǒng)采用數(shù)字雙胞胎技術(shù)，實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)與實際生產(chǎn)的完美展現(xiàn)，使數(shù)據(jù)流完全反映實際生產(chǎn)狀況。虛擬生產(chǎn)與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相互嚙合。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，配合其它相關生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)精益化生產(chǎn)，并可根據(jù)虛擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)指導生產(chǎn)過程工藝參數(shù)持續(xù)優(yōu)化。下圖是本設計系統(tǒng)對應的軟件應用界面，詳見圖2。

圖2 炭塊激光蝕刻操作界面設計

4.4 系統(tǒng)質(zhì)量管理與生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)交互

本設計采用激光蝕刻技術(shù)對炭塊進行ID 號碼標識，表面光潔漂亮，標識規(guī)整統(tǒng)一。通過本系統(tǒng)，可以對產(chǎn)品質(zhì)量進行全生命周期及全流程的管理，可以管理到每一塊炭塊的生產(chǎn)工號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)工藝參數(shù)、生產(chǎn)責任人、生產(chǎn)設備號等，從而可以更加優(yōu)化生產(chǎn)要素，使產(chǎn)品質(zhì)量進一步提高。通過本系統(tǒng)，可以對產(chǎn)品的原材料進行追溯，嚴把質(zhì)量源頭，使產(chǎn)品質(zhì)量得到保障。通過本系統(tǒng)后期使用效果的反饋，可以對本系統(tǒng)的整個生產(chǎn)流程進行追溯，找出問題根源，包括對物料、工藝參數(shù)、設備、人員等生產(chǎn)要素的分析與考核，配合管理流程，達到精益化生產(chǎn)和持續(xù)改進的目的。

5、炭塊質(zhì)量追溯系統(tǒng)的實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)參數(shù)設計指標

考慮應用環(huán)境多處于復雜環(huán)境，系統(tǒng)工作環(huán)境溫度設計范圍：-30～70 攝氏度。系統(tǒng)工作電壓為220V，打標線速不大于8000m/s，雕刻深度：1.2mm

5.2 電氣控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7 系列PLC 對整個系統(tǒng)的檢測、測量、控制、IO、通訊等進行管理，系統(tǒng)設計預留擴展接口3-4 個，可與其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)對接；

電氣元器件均需采用國標產(chǎn)品。防護級別為IP56，國標2mm 厚度，雙層柜門設計。多套系統(tǒng)可在多個炭素生產(chǎn)車間使用，電氣系統(tǒng)防護等級及安全可靠性得到驗證。

5.3 定位系統(tǒng)設計的實現(xiàn)

采用機械定位方式，對生產(chǎn)線上的炭塊進行定位。炭塊到位后，通過機械結(jié)構(gòu)頂升，對炭塊進行定位。軟定位通過控制打標機構(gòu)振鏡運動使加工對象與加工內(nèi)容（圖形或文字）保持和相對靜止狀態(tài)下所能達到的加工效果。人眼看到的效果就是產(chǎn)線上連續(xù)移動的產(chǎn)品被固定不動的雕刻機構(gòu)打上標識，形成不等待打標。

流水線連續(xù)模式：在飛行標刻中一般我們使用光電開關作為傳感器檢測打標對象，有時會出現(xiàn)光電開關一直處于檢測到物體的狀態(tài)（打標機標刻完全部內(nèi)容后，物體還沒有移出光電開關監(jiān)測點），即光電開關一直返回一個高電平信號，這時就需要我們通過程序控制激光器的出光條件。未在程序中設置此項時，軟件接收到持續(xù)的高電平信號時控制激光器只出光標刻一次，即只標刻打標對象一次，需要在中間間隔一個低電平信號才會第二次出光。當在程序中設置此項時，對于持續(xù)的高電平信號，激光器會反復標刻打標對象，直到高電平信號消失。

圖3 炭塊定位系統(tǒng)設計

5.4 追溯系統(tǒng)軟件模塊的設計實現(xiàn)

本系統(tǒng)編碼形式采用ID 編碼形式。

雕刻設備的組成：控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、光學系統(tǒng)等

控制器：

控制系統(tǒng)控制整臺設備的運行，包括對光學系統(tǒng)部件、冷卻系統(tǒng)的供電及控制，報警系統(tǒng)的控制及指示。

計算機控制系統(tǒng)：計算機控制系統(tǒng)包括計算機、D/A轉(zhuǎn)換接口電路和打標控制軟件。D/A 轉(zhuǎn)換接口電路將計算機發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，驅(qū)動光學系統(tǒng)部件按照打標控制軟件所設定的參數(shù)動作，發(fā)出脈沖激光，從而將所要標記的內(nèi)容精確地刻蝕在加工對象表面。打標控制軟件以 WINDOWS 系統(tǒng)為操作平臺，全中文接口，可兼容AUTOCAD、CORELDRAW、PHOTOSHOP、CAXA 等多種軟件輸出的文件，可進行條形碼、二維碼、圖形文字等打標，支持 PLT、PCX、DXF、BMP 等檔格式，直接使用 SHX、TTF 字庫，能夠自動編碼，打印序列號、批號、日期等。軟件界面模塊設計如下：

（1）文檔菜單：對該打印文檔進行了新建、打開、另存為、保存等設計；

（2）編輯菜單：進行了復制、多重復制、重做、群組/分離群組、組合/分離組合、陣列、填充、對齊、分布/排序等設計；

（3）設置菜單：對激光校正、振鏡、紅光預覽、激光測試、激光參數(shù)、光纖激光器、YAG 激光器、IO 配置、告警配置、默認協(xié)議、權(quán)限等設計；

（4）對象列表：對資源管理、工具欄、時間、日期、文本、序列號、條形碼/二維碼、直線.、矩形、橢圓、矢量圖、組合文本、靜態(tài)文本、日期、掃描槍、序列號、數(shù)據(jù)庫、換行符、掛接文本、隨機碼、圖片、延時器、數(shù)據(jù)庫、VIN 碼、刪除、撤銷、登錄等設計；

6、碳塊追溯系統(tǒng)應用案列

本系統(tǒng)自動化程度高，全程不增加人工操作工位。在河南S 廠進行了現(xiàn)場可行性應用。炭塊全生命周期管理與質(zhì)量追溯系統(tǒng)設計采用全程無人化設計，即整個流程無需增加人力崗位，也無需增加相關人員工作勞動量，全程采用自動控制。通過實驗，驗證了本系統(tǒng)的可行性，能滿足行業(yè)針對碳塊管理需要。

圖4 炭塊激光蝕刻應用效果圖

7、結(jié)束語

目前國內(nèi)碳素廠普遍采用機械打碼或人工更換碼頭進行標識，安全隱患大、信息記錄不全及故障率高等特點，采用激光自動打碼技術(shù)可徹底解決以上難點，同時為企業(yè)實施MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）提供了工具，企業(yè)能實現(xiàn)車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度、生產(chǎn)任務查詢、生產(chǎn)過程監(jiān)控、智能數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量檢測與控制、物料跟蹤、原輔料消耗控制、車間考核和管理、統(tǒng)計分析、人力資源和設備管理等功能，徹底幫助企業(yè)改善生產(chǎn)現(xiàn)場管理的暗箱操作，提升企業(yè)質(zhì)量管控水平，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。