電子雷管裝配生產線人機協同作業場景的搭建

王亞飛，王煥成，閆 彩，李 強，王 超，王 皓

(西安慶華民用爆破器材股份有限公司，陜西 西安 710025)

1 人機協同作業場景的搭建的必要性

《“十四五”智能制造發展規劃》[1]提出要深入開展人機協作、人工智能等關鍵核心技術的攻關，推動制造業實現數字化轉型、網絡化協同、智能化變革。加快信息技術與制造全過程、全要素深度融合，實現數據貫通、人機協作等，建設智能場景、智能車間和智能工廠。

《民用爆炸物品行業“十四五”發展規劃》[2]提出安全準入標準提升目標：“新建(改建、擴建)單條工業雷管裝配生產線接觸基礎雷管和成品雷管的現場操作人員不大于3人，且單個工業雷管裝配工房接觸基礎雷管和成品雷管的現場操作人員總數不大于6人。”工業雷管及索類工藝裝備發展重點為：“火工藥劑、產品智能化生產工藝和裝備，工業雷管少(無)人化車間；生產過程質量控制點工藝參數、人機料環等數據自動采集、存儲和溯源分析系統；”數字化智能化改造目標：對生產過程、設備管理、安全管理[3]、質量管理、倉儲物流控制均提出具體實施目標。

在民爆產業政策的帶動下，電子雷管作為產品結構調整的主要方向，近幾年產量呈現快速增長趨勢[4-6]。在行業政策指導下，電子雷管將向產品規格系列化、生產流程自動化、生產經營信息化、產品制造智能化方向發展，開展電子雷管及其智能制造關鍵核心技術研究，搭建電子雷管裝配生產線[7]人機協同作業場景[8-10]，對推動民爆行業智能制造技術[11-12]的發展和提高企業發展競爭能力都具有及其重要的意義。

2 人機協同作業場景搭建的總體方案和路徑

2.1 總體方案

電子雷管裝配生產線人機協同作業場景的搭建，是以公司智能化電子雷管裝配生產線建設為硬件基礎，融合二維碼技術、RFID技術、計算機網絡等信息技術，將工位、產線設備、工人、生產任務等信息有機地聯結在一起，完成數據的采集和反饋(包括生產數據、質量數據、產品信息、設備信息等)，組成一個多方式的實時信息采集平臺，提高生產過程可控性，減少生產線人工干預，以及合理計劃排程，最終實現高效、節能、綠色、舒適的人機協同作業場景。人機協同作業場景框架圖如圖1所示。

a) 智能化電子雷管裝配生產線

2.2 建設路徑

通過流程梳理優化及信息技術應用，搭建數字化人機協同作業場景，包括訂單、計劃、排產、物流、質量、設備、數據集成等MES系統管理模塊，實現車間級從訂單到產品生產、質量、安全、人員等信息的全面智能化管控，提升車間制造過程的透明化、數字化、網絡化、智能化水平。人機協同作業場景建設路徑如圖2所示。

a) 人機協同作業場景體系

3 人機協同作業場景搭建

3.1 控制系統

3.1.1 控制系統設計

由于電子雷管裝配生產線是直線式排布，現場信號較為分散，如果用集中控制系統，不僅會造成線纜的浪費，同時會造成信號衰減，嚴重影響控制系統的穩定性，故需要采取現場總線控制方式。現場總線與傳統PLC點對點的控制方式相比，具有如下優點：1)更高的性價比，減少了現場線路安裝、調試和維護的成本；2)系統性能大幅度提高，現場總線具備可靠地數據傳輸能力與抗干擾能力；3)系統具備強大的自診斷能力，對系統故障能很快顯示；4)系統采用數字信號通信，有效提高了控制精度。

3.1.2 控制系統控制層級

控制系統控制層級示意圖如圖3所示。

圖3 智能化電子雷管生產線控制系統層次圖

1)上位機層級：主要包括上位機系統及與其連接的以太網交換機。這一層級的數據交換主要依賴于以太網進行。上位機設備通過網絡通信系統與設備的PLC進行數據下發、上傳，以實現對現場生產的系統控制，數據傳輸。

2)現場控制層級：主要包括PLC及其附屬設備。這一層級的數據交換主要通過工業以太網進行。作為現場制的核心，采用基于西門子的PLC控制系統控制整個區域內的設備協同作業，以及對現場IO信號的采集和處理。

3)應用/執行層級：主要包括交換機和所有連入系統的顯示、操作、驅動、執行、檢測元件，實現設備各種功能。配合工控機上的集成管理軟件，對設備進行控制操作、參數設置或修改、運行參數和信息的實時顯示，報警記錄的處理、故障代碼和故障原因的查詢、設備信號的監控、數據的處理等。

3.2 質量檢測技術應用

采用電性能檢測、工業CCD檢測、傳感器等技術，在電子雷管裝配生產線設置多道質量檢測關口，實現產品質量在線連續化自動檢測，質量信息數據均實時采集、實時傳輸。多點在線質量檢測技術如圖4所示。

a) 多點質量檢測

創建檢測數據庫，方便追溯產品質量。按照批次計劃任務對產品的生產過程信息進行全面精準的追蹤，可以根據原料實現產品的正向追溯，也可通過產品向原材料和生產過程的反向追溯，獲得產品的原材料、生產批次、質量標準、工藝路線、操作人員、產線設備及工裝使用情況、質量情況等生產過程信息。從而實現生產過程、質量信息及物料信息的全過程追溯，可以在出現問題或者進行生產工藝分析時，獲取準確、真實、全面的信息。追溯體系如圖5所示。

圖5 追溯體系

3.3 生產信息化管理系統(MES)搭建

搭建由上至下管理和由下至上反饋雙通道構架，生產運營管理系統包括計劃排產管理、質量管理、設備管理、電子看板管理、數據集成管理等MES系統管理模塊，實現電子雷管生產車間數據實時精準采集和生產過程透明化管理。生產運營信息系統的核心功能模塊如圖6所示。

圖6 功能架構示意圖

3.3.1 生產管理模塊

生產管理模塊由BOM數據、數據采集管理、計劃管理、訂單管理、追溯管理等功能模塊交互實現。工作訂單管理人機交互界面如圖7所示。

圖7 工作訂單管理人機交互界面

3.3.2 質量管理模塊

質量管理人機交互界面如圖8所示。通過MES質量管理系統對產線產品質量進行實時檢測、定期統計分析、按期質量評價，不斷改善和提高產線產品質量。

圖8 質量管理人機交互界面

3.3.3 設備管理模塊

設備管理模塊如圖9所示。能夠通過設備管理信息系統對設備整個生命周期進行記錄，可在系統中進行搜索、查看，形成設備管理知識庫，便于指導類似故障的快速處理。

a) 設備運行狀態統計界面

設備運行狀態監測是生產運營信息系統通過接口自動實時采集每臺設備的狀態信息，通過設備狀態監測界面進行狀態的實時展示，其中狀態包括正常運行、空閑、異常停機、關機，設備異常報警時，可針對相關負責人進行消息提醒，支持查看具體的報警信息描述和指導性的故障處理方法，故障處理方法應提前根據故障信息在系統進行維護。

工作人員通過對產線生產功效定期(班/日/周/月/季/年)理論產能的比率分析、生產功效評價，發現和減少生產中存在的六大損失(故障損失、換模具與調整損失、空運轉與暫停損失、減速損失、質量缺陷和返工、開工損失等)，不斷提高企業精益生產管理水平。

3.3.4 安全管理模塊

安全管理人機交互界面如圖10a所示。安全管理模塊主要將產線的安全問題由之前的被動的人工檢查改為主動的狀態采集，保證車間的安全問題能夠及時暴露并及時解決。實現了門機連鎖(見圖10b)、裝備安全信息的智能化信息管控，預留定員定量安全管理接口，后續將增加智能圖像視頻分析系統。

a) 安全管理人機交互界面

3.4 可視化設計

可視化設計如圖11所示。電子雷管裝配生產線采用各工站信息采集，終端主控室顯示屏輸出顯示，通過LED屏將各工站的生產動態、生產數據、設備運行情況等生產信息進行實時顯示，實現生產過程數據透明化管理。

a) MES界面

4 效果體現

電子雷管裝配生產線人機協同作業場景的搭建，實現生產線根據訂單進行生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備故障分析、安全管控等功能。電子看板上生產線數據實時采集更新，管理人員可及時了解生產動態，及時處理異常，不斷提升工廠車間管理，實現智能化、無人化、溯源化、自動化管理，大大減少了生產線操作人員數量，提高了生產效率，降低了勞動強度，在降低人工成本與效率提升方面效果較為顯著。

4.1 人工成本降低

改善前，公司電子雷管手工生產線生產效率為107人班產1.4萬發；改善后，電子雷管裝配生產線生產效率為23人班產2萬發。同產量下，人機協同電子雷管裝配生產線可減少人員130人，以5萬元/人/年人工成本計算，單班年節約人工成本650萬元。

4.2 生產效率提升

產能大，生產節拍13 s，班產效率2萬發，人均產出率1 000發/人/班，比手工生產線生產效率(人均產出率130發/人/班)提升7倍以上。

5 結語

目前，我國取得電子雷管生產許可的企業中，有近十家企業正在積極推進電子雷管自動化裝配技術建設和試生產。但是，由于技術積累時間短，產品市場需求的緊迫性，造成我國電子雷管自動化技術水平差異較大，生產效率、質量控制水平、智能制造和本質安全化水平參差不齊。而且由于企業產品生產能力建設的緊迫性，我國電子雷管自動化裝配生產技術已呈現出生產工藝雷同、生產效率低、智能化技術融合不足等低水平重復建設的產業業態。通過搭建人機交互作業場景，本公司研制建設的智能化電子雷管裝配生產線能夠按照訂單進行智能排產、生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備故障分析、安全管控，對人員、生產、設備、質量、安全等數據智能采集和分析，實現了車間級從訂單到產品生產、質量、安全、人員等信息的全面智能化管控。電子雷管裝配生產線自動化智能化生產，降低了人員工作強度，減少了操作人員與危險品直接接觸的危險，提升了生產線的本質安全性；多點位在線質量檢測提升產品下線質量。搭建電子雷管裝配生產線人機協同作業場景，產線運行可靠，安全防護人性化，本質安全性好，智能化水平高，研究成果具有新穎性和創新性，對推動民爆行業智能制造技術的發展和提高企業發展競爭能力都具有極其重要的意義。