基于MOM的蛇形管焊縫標識追溯系統

王 川，李 勇，繆玉鴻

（1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，自貢 643001；2.東方電氣集團科學技術研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

蛇形管是電站鍋爐核心部件之一，其主要制造工序包括：備料、對接焊、探傷、裝配、熱處理、水壓、油包等。其中對接焊縫質量會直接影響蛇形管產品質量。蛇形管在電站運行過程中，既受熱又承壓，工況條件惡劣。焊縫質量不合格會造成極大的安全隱患和無可估量的損失。蛇形管焊縫質量追溯管理一直是避免產生焊縫質量問題最重要的手段之一[1]。蛇形管制造過程屬于典型離散型制造[2]，目前蛇形管對接焊縫標識與追溯，主要依靠人工標記明碼和紙質單據記錄的形式來實現焊接過程參數、焊接人員資質、探傷檢測結果等記錄。其主要缺陷包括：

1）標識介質一般采用油漆和油墨，其在粘有油污、銹跡、劃痕的管子表面對比度不夠，辨識難度大；

2）采用明文標記，人工識讀，不支持二維碼條碼標記，無法實現圖像視覺識別、掃碼識別等自動識別技術；

3）采用人工標記的方式，無自動化設備，工作量大，容易出錯；

4）焊接過程信息依靠紙質單據記錄，單據容易破損、丟失，質量追溯效率低、無信息系統支持。

制造運營管理系統（Manufacturing Operation Management，MOM）是對制造車間人員、設備、物料、能源等資源進行協調管理并組織生產活動的管理系統[3]，系統主要包括：制造運營管理、庫存管理、質量管理、維護運行管理等功能模塊。

為解決蛇形管焊縫質量追溯問題，減少人工錄入工作量，減少數據錯誤及丟失，提升生產運行效率。本文構建一種基于MOM的蛇形管焊縫標識追溯系統，實現蛇形管焊縫的全生命周期追溯與質量管理。

1 方案設計

系統設計包含的主要技術方案設計有：系統編碼方案設計、標識方案設計、自動標記方案設計。

1.1 系統編碼方案設計

根據蛇形管的產品BOM結構，其分為管屏、管圈、管段和焊縫，一個管屏由多排管圈組成，一排管圈由多根管段組成，一根管段由多節原材料對接焊組成[4]。編碼按產品層次劃分包括管屏碼、管圈碼、管段碼和焊縫碼，管圈按管屏進氣口方向從左到右順序編碼，焊縫按管圈進氣口方向順序編碼（圖1）。

圖1 系統編碼

1.2 標識方案設計

1）管圈、管段標識

蛇形管流轉過程會受到產線刮擦、設備夾持、油污沾染等，標簽采用三層結構（圖2）：底層標簽紙、表面加強膜、中間二維碼油墨標識。底層標簽紙選用具有防水、防油污、耐磨的PET材質，為增強其表面附著力，采用加強型膠水；中間二維碼標識油墨采用高附著、速干型油性墨水；表面加強膜采用PVT材質，厚度5絲，具有抗拉、抗磨損、抗油污的特性。

圖2 標簽三層結構

蛇形管管徑范圍29mm至89mm，為適應管子表面的各種復雜狀況，確保有效附著，標簽采用“腕帶搭接自粘”的形式環繞管子外表面一周，根據管子直徑分為6種規格型號（表1）。為保障標簽在極端情況下能夠被解析和識別，二維碼采用兩列，沿長度方向均布，且彼此錯開，標簽四周打印明碼（圖3）。

表1 標簽型號規格尺寸

圖3 標簽示例

2）管屏標識

管屏碼為明碼，按“工號+零件圖號+流水號”形式編碼，具有唯一性。管屏標識是將明碼利用氣動打碼機刻印在鋼板牌上。鋼板尺寸100×50×5，印刻深度2mm，鋼板最終會焊接在管屏固定位置，保證管屏碼在包裝發運時不會丟失，該管屏碼牌終身附著在蛇形管產品上。

1.3 自動貼標方案設計

采用一種可旋轉傳動機頭的自動貼標機（圖4），減少操作工勞動強度，提高生產效率。自動貼標機安裝于蛇形管管子自動化對接焊生產線的焊機出口測后端，用于管圈標識條碼的自動粘貼，可匹配不同規格的標簽（見表1），可完成管子兩端的自動貼標，單個標簽貼標時間小于20s，貼標位置可自定義設置，具有管子水平輸送、管端識別、貼標位置定位、管子旋轉定位、自動貼標、條碼識別、紙帶回卷等功能，通過應用服務提供Webservice接口，實現與MOM系統的集成。設備組成包括左旋轉傳送機頭、自動貼標機頭、右旋轉傳送機頭、工控系統及應用服務。

圖4 自動貼標機

1）左/右旋轉傳送機頭用于實現從自動貼標機左/右側進入管子的水平強送和旋轉運動，包括強送機構（圖5）和旋轉機構（圖6），強送機構采用2組傳送輪，傳送輪采用聚氨酯軟輪，增加摩擦力，保證在傳送時不打滑，傳送輪采用氣缸和連桿機構進行夾緊，確保夾緊過程中上下對中，V型面接觸，夾緊管徑范圍20mm～150mm,主動輪機構采用伺服電機驅動，可準確控制水平輸送距離，結合管端識別光電傳感器。

圖5 強送機構

圖6 旋轉機構

旋轉機構采用三抓卡盤，通過氣缸推動滑道，帶動圓盤轉動，實現三抓同步向心夾緊，夾緊管徑范圍10mm～200mm；三抓末端采用聚氨酯軟輪，增加摩擦力，保證不打滑，主動輪采用伺服電機加同步鏈條驅動，可準確控制管子旋轉角度。

2）自動貼標機頭（圖7）布置于左/右旋轉傳送機頭中間，實現標簽剝離、自動貼標、紙帶回卷及條碼識別，其包括標簽卷料夾持機構、條碼掃描頭、剝離機構、負壓標掌、回卷機構及驅動私服電機；首先布置于機頭的條碼掃描頭識別標簽信息，在回卷機驅動下，標簽通過剝離機構剝離，被負壓標掌吸附，氣缸帶動標掌下壓，將標簽與待貼標的管子壓緊，然后旋轉傳送機頭帶動管子旋轉，實現管子一周的標簽附著。

圖7 自動貼標機頭

3）工控系統采用西門子PLC及HMI，負責整個系統的運行控制，包括伺服電機驅動、氣缸運動控制、掃碼頭集成等。

4）應用服務：應用服務通過工業以太網與工控系統通信，實現控制指令下達，獲取標簽信息；應用服務采用BS架構，向制造運營管理系統MOM提供Webservice接口，實現系統集成。

5）自動貼標流程：自動貼標機的應用服務接收到MOM下達的貼標請求后，解析請求信息，辨別貼頭/尾端標簽，通過以太網與工控系統通信，下達控制指令，工控系統按照指令控制各個執行機構運動，首先旋轉傳送機頭的強送機構夾緊管圈，水平慢速送管，管端識別光電傳感器識別到管圈端部后，繼續送管200mm后停止，強送機構松開，旋轉機構夾緊，帶動管圈旋轉，同時自動貼標機頭完成條碼識別、標簽剝離、標掌下壓，完成貼標后，自動貼標機頭抬起，旋轉機構松開，強送機構夾緊送管，完成貼標。

2 系統集成

蛇形管焊縫標識追溯軟件系統以制造運營管理系統為基礎，通過工業以太網，連接硬件設備系統（圖8）。硬件設備包括蛇形管自動對接焊生產線、自動貼標機、蛇形管焊縫探傷系統、蛇形管管屏裝配平臺等。

蛇形管自動對接焊生產線實現管子自動化對接焊，提供管子輸送、管子對齊、自動焊接等功能。

自動貼標機安裝于蛇形管自動對接焊生產線的焊機出口測后端，用于管圈、管段標識條碼的自動粘貼，可匹配不同規格的標簽，通過應用服務提供Webservice接口，實現與MOM系統的集成。可完成管子兩端的自動貼標。

蛇形管焊縫探傷系統由傳送料架、翻轉料架、掃碼設備、RT探傷室、控制室等組成。蛇形管管段或管圈在自動對接焊完成后，由料架傳送至探傷室附近，掃碼設備讀取管段或管圈頭尾碼，獲取焊縫信息。控制室逐個對焊縫進行RT拍片，并在制造運營管理系統質量功能模塊上完成對焊縫質量的判定。制造運營管理系統在線收集焊縫質量信息。

蛇形管管屏裝配平臺的作用是將管圈及其附件組成完整管屏。基于制造運營管理系統，管屏具有唯一識別身份碼。操作者在制造運營管理系統內完成生產任務接收、管圈上料、生產任務關閉等操作，最終在系統內形成完整的焊縫質量追溯鏈。

制造運營管理系統MOM屬于系統應用層，實現車間制造過程的信息化、數字化管控，MOM系統通過二維碼標簽識別物料身份信息，關聯焊接參數、加工人員信息、質檢信息等，系統功能配置如表2所示。

表2 功能配置

3 應用實例

以某鍋爐制造廠蛇形管車間為例。生產管理人員通過制造運營管理系統MOM下達加工任務到對接焊工位（圖9）。

圖9 自動焊派工MOM系統界面

焊工通過MOM系統領取加工任務，依次完成管子對接焊加工，形成管圈，同時MOM系統記錄每一個焊縫的焊接參數及焊工信息。焊工依據施焊順序（從頭到尾/從尾到頭），通過MOM系統下達自動貼頭/尾端條碼指令，自動貼標機接收到指令，依次完成管圈傳送、端部識別、貼標位置定位、自動貼標及條碼識別后，向MOM系統回傳條碼信息，MOM系統實現條碼、管圈、焊縫的關聯綁定（圖10）。

圖10 自動焊報工MOM系統界面

在管圈/管段探傷階段，MOM系統通過掃碼設備，掃描頭尾碼，獲取管圈/管段焊口信息，并在MOM系統中對每條焊縫質量逐一判定并在系統中維護質量檢測參數及檢測結果（圖11）。

圖11 蛇形管RT探傷MOM系統界面

在管屏裝配環節，將管屏碼牌焊接到管屏固定位置（圖13），再通過MOM系統手機APP掃碼上料功能實現管屏與管圈的關聯記錄（圖14），從而實現焊縫的逆向追溯。在生產過程中，生產人員可隨時通過識別二維碼標簽獲取焊縫身份信息，然后關聯加工信息、焊接參數與質檢數據等。

圖12 管屏碼牌實物

圖13 MOM系統手機APP上料報工界面

4 結語

蛇形管焊縫標識追溯系統是制造運營管理系統在質量追溯方面的擴展應用，在車間生產過程信息化、數字化基礎上，通過二維碼標簽識別物料身份信息，關聯記錄焊接參數、加工人員信息、質檢信息等，實現蛇形管焊縫的全生命周期追溯與質量管理，減少人工錄入工作量，減少數據錯誤及丟失，提升產品質量和生產運行效率。本文構建的蛇形管焊縫標識追溯系統，以制造運營管理系統為依托，融合各種信息化、自動化關鍵技術，對原有管理模式進行了創新，是離散型智能制造模式下一種數字化車間系統的應用，對推進傳統企業轉型升級具有重要意義，在國家重大裝備制造行業具有推廣價值。