面向高端液壓缸離散制造的PLM/ERP/MES全生命周期管控平臺構建與應用研究

唐紅濤，張偉，張雁翔

(1.武漢理工大學機電工程學院,湖北武漢 430070; 2.韶關液壓件廠有限公司,廣東韶關 512029)

0 前言

液壓缸是各類重型機械、大型產線的核心動力裝備之一，被廣泛應用于工程機械、船舶、冶金、水泥、化工等制造領域的生產線或成套裝備中[1-2]。雖然我國液壓件行業發展迅速，但是大多數液壓件生產企業規模小、自主創新能力不足，大部分液壓產品處于價值鏈中低端[3]。且由于技術、工藝、設備及管理等多方面的限制，高端液壓件產品研發生產水平不足，無法形成有效的供給，導致高端產品大量依賴進口。大部分市場份額被一些跨國巨頭如德國博士力士樂、韓國東洋機電、小松液壓等企業占據[4]。國產高端液壓件的發展仍然處于相對滯后的階段，它已經成為制約我國裝備制造業發展的主要瓶頸，整個行業有著較大的提升空間[5]。因此，提升我國高端液壓制造企業的綜合競爭力具有十分重要的意義。近年來，繼云制造、智能制造、網絡協同制造之后，工業互聯網如火如荼[6]。作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物，工業互聯網是制造業的數字化、網絡化、智能化轉型升級的基礎設施，是我國液壓缸制造系統走向柔性、產品質量走向高端的必然選擇。并且在當前制造業轉型升級、高質量發展的背景下，高端液壓缸制造系統提質增效和智能化總體需求更加強烈。

高端液壓缸制造是典型的多品種、小批量或單件離散制造模式，它呈現多品種、變批量、個性化定制特點，其車間生產設備密集且離散、生產設備及其信息多型異構。專門針對液壓缸制造而定制的管理系統及信息化平臺并不多，并且由于車間的設備虛實信息描述不一致、數據交互融合困難，導致制造系統全過程重構與優化難，流暢性、穩定性差，造成實際使用效果很不理想。

針對高端液壓缸制造系統提質以及實現制造全生命周期管控的需求，本文作者整合了PLM、ERP、MES、SCADA四種信息化技術各自優點，構建了高端液壓缸離散制造的全流程信息化管控平臺，闡述了產品設計圖紙庫、生產工藝庫、產品全生命周期管理、車間現場數據采集管控和柔性質檢等平臺核心模塊功能及應用案例。

1 應用背景

1.1 高端液壓缸生產流程分析

圖1所示為某高端液壓缸企業設計制造的業務流程，該流程將企業運營劃分為銷售訂單、研發設計、工藝BOM以及生產過程和發貨5個階段。整個流程以產品報價為起點，通過合同的簽訂及排產將技術信息進行傳遞后實施測繪、繪圖等設計工作。完成圖紙BOM信息的收集，完成工藝的規劃和編制，最后在生產過程中穿插質檢作業，完成工序級別的管控。通過全面采集關鍵過程記錄，以推動市場、技術、生產、質量、采購等多部門業務高效協同。

分析該流程可以總結出液壓缸制造全流程管控的幾個特點：

(1)各部門間的工作協同一致，信息均為多向傳遞，需要極高的反應處理速度，管理難度和柔性都較大。如合同簽訂后，銷售部門先整理客戶需求和技術協議信息作為信息的輸入點，技術部門根據技術協議進行設計方案的評審和計劃，進行設計、研發、測繪、繪圖，最終產出設計圖紙；工藝部進行工藝的編制，采購部門根據工藝BOM補充物料；生產部根據合同制定生產計劃，并向各車間下發生產任務；各車間按照生產計劃到倉庫領料并組織生產，按計劃完成并流轉到下一道工序的車間，直至成品按時完成；質檢部門檢驗合格后入庫，倉庫接收發貨通知單進行發貨。

(2)高端液壓缸定制化程度高，產品圖紙種類繁雜且圖紙數量多。液壓缸的設計繪圖任務量大，但是由于部分產品的結構相似性高，重復性設計工作占了很大一部分。

(3)生產工序和零件工藝種類龐雜，紙質工藝過程卡的流轉困難且文檔查找困難。工藝流程主要由機加工工序構成：割、車、銑、鉆、鏜、熱處理等共十幾道工序。而且產品結構和制作工藝通常在收到客戶訂單后才能被確定，這種方式對生產的柔性要求大大增加。

(4)高端液壓缸多應用于大型機械和冶金行業，對產品的應用環境和性能要求苛刻。其定制化程度高，設計和出貨周期長，加工精度和質量要求嚴格。質檢和生產各步驟呈現高耦合的關系，如零件生產各工序質檢、裝配總成檢驗以及整缸性能試驗等。

(5)隨著生產批量的減少、品種的增多，產品結構必須隨著客戶的需求隨時進行調整，導致生產所需的原材料不能準時按量供應，生產計劃的安排越來越困難，生產的波動較大。

圖1 高端液壓缸設計生產業務流程Fig.1 Flow of design and manufacturing of high-end hydraulic cylinder

高端液壓缸的研發制造作為高端機械裝備和制造業升級的重要基礎，在當今智能制造和工業互聯網快速發展的大背景下，也亟需提升產業的數字化、智能化，來解決這些管理難點。

1.2 系統平臺技術和模塊架構

如圖2所示，該平臺由典型的C/S三層架構演化而來，并以服務中心層、業務組件層、應用流程層和展示層構成。服務中心層主要由用戶中心、數據中心、看板中心、報表中心等組成，為后續應用層提供基礎服務和接口；業務組件層將銷售、技術、生產、采購、倉庫、質量等業務功能打散為相對獨立的組件供應用流程層使用；應用流程層使用服務中心層的建模中心，將業務組件層中各類微服務組件進行組合和編排，生成相互關聯且有約束關系的業務功能模塊，包括MES中的計劃、調度、加工執行等；展示層通過計算機、移動終端、工控機、車間顯示大屏等方式，生成交互窗口，對數據進行操作以及將功能結果進行展示。

圖2 平臺架構層次關系Fig.2 Hierarchical relationship of the platform architecture

2 平臺構建和應用

2.1 平臺構建核心技術

產品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)[7]是一種應用于單一地點的企業內部且分散在多個地點的企業內部，以及在產品研發領域具有協作關系的企業之間的，支持產品全生命周期信息的創建、管理、分發和應用的一系列應用解決方案，它能夠管理所有與產品相關的信息(如零部件信息、配置信息、圖文文件信息、結構信息、權限信息等)和所有與產品相關流程的技術。企業資源計劃 (Enterprise Resource Planning，ERP)[8]是一種主要面向制造行業，進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業信息管理系統，目的是提高企業內部和制造有關的所有資源和過程的計劃和控制能力。制造企業生產過程執行管理系統 (Manufacturing Execution System，MES)[9]是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統，能夠在工廠發生實時事件時及時做出反應，有效指導工廠的生產運作過程。數據采集與監視控制系統 (Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)，是一套面向車間進行加工設備數據采集和生產自動化監控的系統，可以有效完成生產狀況的監督，加快問題反饋的速率。

平臺融合了PLM、ERP、MES、SCADA等多個系統的優點，通過ERP保證訂單、客戶、財務等模塊的信息流、資金流的統一管理，打通各個部門間的信息壁壘，解決了內部信息不暢通的問題，為企業員工和決策層提供了決策手段；借鑒了PLM集中存儲管理產品設計、工藝及資源信息的方式，設計了工藝庫和圖紙庫，挖掘了歷史數據的使用價值，避免信息重復輸入，提高了設計工作的效率；通過設備的集成，利用SCADA進行設備數據的采集和生產過程的監控，為MES對車間層和現場的實時管理控制采集底層數據并分析。該平臺為生產、質檢、工藝、物流等部門提供全面一體化的車間生產執行信息服務，實現了管理下車間，避免了管理信息“斷層”。

該平臺以高端液壓缸的訂單工藝生產質量的全生命周期管控為核心，以實現流程化、可追溯、現場化和體系化管理為目標，鏈接現場設備與控制系統、車間層、決策層與企業數據中心。如圖3所示，它集多種管理系統于一體，在為業務員提供便捷數據查詢處理的同時，協助各部門負責人實時處理報表，為進行管理決策提供必要信息和方案。并且通過整合企業的各種數據，包括生產訂單數據、產品設計數據、物料BOM數據和生產加工數據，將設計制造流程與數據聯系起來，提供一套通用的全業務流程的視圖模塊。因此該平臺的構建為高端液壓缸生產企業提供一個可靠、完整、可追溯、可共享的產品信息源以及一個全生命周期管控方案。

圖3 全生命周期管控過程Fig.3 Whole life cycle control process

2.2 核心模塊的應用

以某液壓件廠為例，在其液壓缸的設計制造全流程中產生了海量的信息數據，包括訂單信息、客戶資料、設計數據、CAD圖紙、工藝信息和生產數據等，但是往往這些數據儲存混亂，管理困難。為了解決這些問題，針對其以研發為核心、出貨周期長、非標定制化程度高以及離散制造的特點，結合產品信息整合的需求，作者開發了由圖庫、工藝庫、生產狀態跟蹤、現場管控和柔性質檢等核心模塊組成的C/S系統，將PLM與ERP、MES以及SCADA系統集成實現對數據的綜合管理，在產品的設計生產全生命周期內自動集成查詢、追溯產品流程作業過程的區塊化管理。

2.2.1 圖庫和工藝庫

(1)圖庫

在液壓缸設計生產過程中產生的各類數據中，圖紙文檔最為關鍵。BOM信息與工藝流程都來源于此，它是指導液壓缸制造的核心文件。雖然企業在多年的生產經營過程中積累了大量的歷史圖紙，然而管理效率低，導致了數據冗余。在設計過程中，相似結構的液壓缸圖紙查詢困難，無法有效挖掘數據的價值，導致設計人員做了大量重復的設計工作，極大延緩設計出圖的速度，導致繪圖這個中間核心環節效率低下，影響整個生產流程。且紙質圖紙查找緩慢，無法有效地協作共享，不利于保存，在傳遞時難以追蹤，回收困難，同時為文檔的安全保密工作造成了麻煩。

為了更加高效地管理圖紙，該系統集成了PLM收集儲存產品全生命周期信息的特點，開發了圖庫管理系統。如圖4所示，通過對CAD和SoildWorks的二次開發，將圖紙中的標題欄和明細兩塊區域進行特征識別和數據提取，將數據轉化為二維表，存入數據庫，生成BOM信息表，供系統讀取和使用。并且在整套圖紙內對每張圖紙循環地提取信息生成產品-組件-零件的BOM結構樹，配合圖庫的使用。

圖4 BOM信息的提取Fig.4 Extraction of BOM information

如圖5和圖6所示，將技術中心的歷史圖紙整理分類導入由三部分構成的圖庫管理系統：研發圖庫收集存儲研發圖紙，標準圖庫存儲已經標準化的系列產品圖紙，默認圖庫存儲一般非標產品的歷史圖紙。通過圖庫對圖紙進行數據化、精確化的定量定性管理，實現圖紙快速查詢對比，方便設計人員進行圖紙引用和改進，同時配合系統在生產的各個環節使用電子圖紙加快圖紙傳遞效率，提高保密性。

圖5 CAD圖庫Fig.5 CAD drawing library

圖6 SolidWorks圖庫Fig.6 SolidWorks drawing library

(2)工藝庫

在使用圖庫對圖紙進行管理的同時，建立工藝庫，對圖紙中提取的BOM表進行零件層的工藝管理。如圖7所示將歷史工藝進行收集整理，通過將建立的工藝編號作為標識，與零件型號進行深度綁定，將工藝編制過程變得可記錄、可重復、可追溯、可優化，實現了快速響應生產需求進行工藝規劃，根據零件的具體型號在工藝庫中檢索并導出對應的工藝過程卡，配合圖庫的使用推動了企業內外部產品數據的集成、共享。

圖7 工藝庫導出工藝過程卡Fig.7 Process card exported from process library

2.2.2 訂單狀態跟蹤和生產現場管控

(1)訂單狀態跟蹤

如圖8所示，平臺集成ERP對訂單數據的記錄和流程管控的特點，通過抓取系統中關鍵業務階段的各個時間節點來劃分狀態，包括訂單處理狀態、技術繪圖狀態、生產計劃狀態、工藝編制狀態以及加工狀態和入庫狀態。通過查詢各階段的訂單實時流轉情況和數據統計來實現訂單的精細化管理以及產品的全生命周期的跟蹤管控。拒絕將問題淹沒在龐大的數據海中，實時且清晰明了地將瓶頸階段和積壓嚴重的業務塊暴露出來，助力管理者進行針對性的及時調整和戰略管控。

圖8 訂單狀態跟蹤Fig.8 Order status tracking

(2)生產現場管控

車間的生產難以直接反饋到管理層,零件加工出現問題時難以追溯到上游過程，因此如圖9所示通過SCADA系統和對設備的集成，進行現場加工數據的采集和加工執行的監控。并通過MES進行車間現場的維護，結合企業對車間生產信息可視化管控的需求，系統生成零件的單件標識號，采用車間現場的工序報工等方式，進行工序級別的管理。如圖10所示，通過將單件標識號、產品圖號以及工藝編號的綁定，向加工人員展示其所需的產品和零件圖紙以及工藝信息。加工人員通過此模塊快速完成向上層的任務反饋和異常狀況，并且及時地向下層的質量管理部門傳遞檢驗需求，極大地提升了信息的傳遞速度。

圖9 設備數據采集和監控Fig.9 Acquisition and monitoring of device data

圖10 現場加工執行Fig.10 Site processing

加工人員在現場進行系統與設備的聯動操作，所有的數據更新都會影響上一層管理信息的變化，并且通過平臺展現出來，實現了生產情況真實的實時反饋以及對其進行現場管控。如圖11和圖12所示，管理人員可以對每一個零件的生產進行調度監控和跟蹤所有加工工序狀態的變化。不論零件處在哪一個工序環節，都可以從系統直接看到其調度和加工狀態，當出現質量問題或者其他異常狀況時，也能及時查看報警信息。通過這一追溯過程，企業可以很大程度改善由于單件多而導致的管控混亂的局面。

圖11 生產調度監控Fig.11 Production scheduling monitoring

2.2.3 柔性質檢

由于在高端液壓缸的生產過程中，加工精度要求極其嚴格，并且質檢作業的執行步驟和標準會根據產品定制的具體需求展現出隨機性的變化，其展現出的巨大柔性使整個過程變得難以高效管控。然而質檢作為生產流程中的核心步驟，它的反應處理速度極大地影響著生產的穩定性。因此為該平臺開發了移動端在線質檢模塊，如圖13所示，通過加工人員在加工執行模塊的實時報檢，質檢員接收到報檢信息后，可以快速下到車間使用移動端設備進行在線質檢。此模塊展示當前工序質檢要求的工藝信息、設計數據和圖紙，質檢員通過快速比對及時上傳質檢信息和處理質量異常狀況。這打破了報檢到檢驗這個過程中所存在的地點、時間和設備的限制，實現了質檢作業的柔性處理，加速了物料在加工過程中的運轉速度，實現零件質量過程跟蹤可追溯，質量過程原始記錄實時可查，產品合格證也能一鍵打印，簡化了質保書辦理流程。

圖13 移動端在線質檢Fig.13 Online quality inspection through mobile terminal

3 結語

構建一種面向高端液壓缸設計制造的全生命周期管控平臺，它充分考慮了每個業務流程的特點，在平臺的開發中融合管理思維，對核心流程和瓶頸模塊著重進行重構設計；將PLM、ERP、MES和SCADA等多個子系統集成為一個整體，對全流程數據進行收集處理；融合了銷售訂單等多個模塊資金流、物流、信息流的統一管理，圖紙工藝等數據的集中存儲，以及車間層生產現場的制造流程數字化管理和柔性質量監控等。實際企業應用案例證明：該平臺能夠很好地集成整合各部門的應用需求，挖掘歷史數據的價值，為新的業務帶來增速增值；加快業務流轉的同時，減少了人力物料的浪費，實現了管理水平、生產效率和產品質量的提升，為高端液壓缸制造企業的智能制造轉型和融入大行業工業互聯網提供了參考。