80MN 油壓機自由鍛造智能集成控制管理系統應用研究

文／馬丁，李建輝·中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司鍛壓分廠

我公司現有的80MN 自由鍛油壓機(以下簡稱“8000 噸油壓機”)，是國內軋輥生產企業擁有的最大噸位自由鍛壓機，承擔著公司50%以上鍛鋼軋輥毛坯的生產工作，鍛件單重在30 噸以上。8000 噸油壓機生產產品均為自由鍛造成形，相較模鍛生產，其生產產品規格大，結構多樣，成形過程復雜；自由鍛生產過程中鍛件變形量、金屬流動、溫度、尺寸等各要素控制主要依靠人工經驗，產品過程控制一致性、穩定性、追溯性差，不利于產品質量、設備、能源、成本的精準控制；自由鍛壓機操作難度大，培養一名熟練的操作工至少需要5 年以上，生產運行對人的依賴偏重。

隨著我國工業的發展，這種傳統的生產方式已經成為制約大型鍛造企業轉型升級的主要因素，另外，過去20 年中，人類收集、存儲、傳輸、處理數據的能力取得了飛速提升，各個方面都積累了大量數據，我們可以對這些大量數據進行分析和利用。因此，開發一套大型自由鍛造壓機用智能集成控制管理系統將成為突破以上發展瓶頸的重要舉措，也是推進解決國內大型自由鍛壓機智能制造的“卡脖子”技術。

集成控制管理系統的應用意義

通過對大數據應用、工業互聯網技術、自由鍛工藝、自由鍛壓機電氣及液壓控制等深入研究，將自由鍛工藝與自由鍛壓機設備控制進行深度融合，從而解決因自由鍛造過程變形規律性不強而無法編寫PLC控制程序的根本性問題，實現8000 噸油壓機智能鍛造的功能，完全替代人工操作，將工人操作設備改變為監控設備，大幅提高生產效率，提高質量控制的穩定性和一致性；將工藝網、設備網、生產網徹底打通，建立數據連通系統，與ERP、MES 系統高度集成，實現工藝程序自動調取、生產計劃自動傳輸、產品生產數據自動分析、設備遠程運維等智能制造應具備的功能；并且利用各類視覺識別、傳感器、數據傳輸等新技術、新方法采集鍛造過程的大量數據，為后續鍛造過程數字孿生系統的開發奠定基礎。

集成控制管理系統的整體架構

系統建設的目標要求

⑴達到工序穩定受控。

以鍛造工藝參數與設備控制程序深度融合為工作著力點，解決自由鍛塑性變形不能精準測算和精準控制的難題。通過程序鍛造實現鍛造過程的穩定受控，利用程序鍛造對加熱以及輔助工序邊界條件的精準和穩定要求推進全工序的穩定受控。

⑵實現壓機無人控制。

以重型鍛造設備程序化鍛造作為一鍵化、無人化、集成式工作切入點，驅動8000 噸油壓機自動化、數字化、智能化發展。通過生產計劃及工藝自動傳輸、各工序程序鍛造、數據分析、數據診斷以及專家數據庫、自優化功能等實現壓機無人控制，徹底解決壓機操作工難培養的問題。

⑶構建智能制造體系。

以推行熱成像儀、傳感技術、遠程控制技術、激光技術等先進技術為工作突破點，解決毛坯生產過程無法實現全過程跟蹤、監控、評價的問題，為智能制造自感知系統的建立奠定基礎。以數據分析應用為工作落腳點，通過數據采集、數據挖掘、數據分析、數據診斷，構建鍛造毛坯生產過程數字化描述和自評價體系，逐步形成生產工藝自學習、自優化系統和專家數據庫、智能決策系統。

建立自動控制、數據驅動、檢測感知、專家數據庫、智能決策、自動優化、CAPP(計算機輔助工藝設計)系統，設備遠程運維和預測性維護系統，并與APS、MES 深度融合來構建8000 噸油壓機智能制造體系。

系統建設的具體架構

8000 噸油壓機智能生產集成控制管理系統的整體架構見圖1。

圖1 8000 噸油壓機智能生產集成控制管理系統的整體架構

⑴設備層的建立完善為基礎條件。引入一批數字化、自動化設備，提升效率和質量的一致性，對壓力機進行智能化改造；PLC 控制系統功能開發；各類先進傳感器的應用，建立完善的數據采集系統，實現在線監測，進而通過自適應控制實現智能鍛造；AGV/RGV 智能物流轉運系統的應用；各類移動終端、工業機器人的大量應用，實現數據收集、分析、處理與計劃層、執行層的信息交互功能的閉環管理。

⑵執行層由MES、智能制造、EAM、EMS、UWB技術應用、智能鍛造、數據分析等模塊組成，構建完善的8000噸油壓機物聯網，實現人、設備、產品、物料、控制系統、應用軟件之間的互聯互通，實現多源異構數據采集、設備狀態感知和控制指令的下達。具體功能包括工藝執行過程管理、程序鍛造執行過程管理、設備運行狀態管理、能源控制管理、物料流通過程管理、異常信息及生產數據反饋等。

⑶計劃層通過建立數字化生產管控平臺，達到生產計劃的透明可視化、有序可控、優化決策的目的。為此需要實現PLM 產品全生命周期的管理；APS高級計劃排產實現優化瓶頸資源、均衡精益生產；CAX/CAPP 實現計算機輔助工藝規劃及智能設計；ERP 實現鍛造過程物流與成本的全面集成管理。

集成控制管理系統的實施方案及實際應用

8000噸油壓機鍛造生產線，主要包括加熱、鍛造、熱處理三大工序，主要設備包含加熱/熱處理爐窯、鍛造壓力機、AGV/RGV 物料轉運小車等。我們以此為基礎結合信息技術、工業網絡、先進傳感器和自動化等技術開發和建立起8000 噸油壓機自由鍛造智能集成控制管理系統，下面分幾個方面進行闡述。

產品全生命周期系統PLM

⑴利用UWB 技術和AGV/RGV 物料轉運小車實現車間內物料的自動定位、軌跡追蹤等功能，對產品在生產現場的狀態信息實時了解，形成直觀的地圖予以展示，形成各類物料的具體流轉路徑數據庫，自動形成關于物料運動軌跡對生產影響的評價分析，實現產品的全生命周期管理。

⑵建立生產監控中心，以與8000 噸油壓機鍛造相關的所有設備的數據采集、視頻監控為基礎，結合ERP、APS、MES等管理系統，實現對生產線內工序流程、關鍵設備能源點監控、智能調度協調的功能，達到生產、管理和監控一體化的目標，保證PLM 的精準評價和記錄。

精益制造執行系統MES

⑴對現有的工序及關鍵數據采集進行梳理，增加設備采集的關鍵點，對沒有采集的數據引進新的感知系統，實現關鍵設備采集的全面覆蓋。對生產計劃進行完善，總結異常信息處置的規律，建立生產過程異常信息處置的專家數據庫，通過異常信息的反饋，及時找出最優的方案，及時調整生產計劃，實現生產異常信息的100%反饋處理。

⑵建立可靠的產前智能策劃系統，目前8000 噸油壓機生產前的準備工作改變以往過度依賴人為統計、人為分析、經驗等現狀，通過整合打通各個數據通道，組建生產前智能策劃系統。此系統可對設備進行日常運行的可視化管理，建立產品產前策劃評價數據庫，指導當期產品的生產，班組可直觀、全面地看到當班生產情況，保證工序一次執行到位，避免返工返修，進一步提高產品質量和管理水平。

⑶在此基礎上以生產計劃與執行跟蹤為一條主線，以物料配套、質量管控、設備維護為三條輔線，基于同一平臺實現計劃、執行、現場、物流、質量設備的集中封閉式管理。另外與PLM、APS、CAPP 各個系統充分互聯，建立可管理生產、設備、質量、物料流轉等眾多數據的精益化MES 系統。

8000 噸油壓機智能程序鍛造功能開發

傳統的自由鍛造過程操作的隨意性較強，沒有具體的標準化操作，操作者的習慣不同，生產效率不同，產品質量也不同。因此，為提高生產效率和控制產品質量我們對8000 噸油壓機的程序鍛造功能進行了深入開發。

⑴按照產品的鍛造流程，細致劃分多個工序(圖2)，以逐個工序開發的形式進行程序鍛造設計，通過深度還原人工操作壓力機的鍛造過程，梳理優化最優的鍛造流程和操作，將采集的大量數據與鍛造工藝相結合，轉化為相應的程序鍛造工藝參數；深入開發壓力機的PLC 控制程序，實現壓力機與操作機的聯動運行，根據壓力機活動橫梁位置，操作機提升、旋轉、行走等數據來控制鍛造過程的各個動作；在ERP 中建立程序鍛造工藝數據庫，生產前通過WinCC 接收ERP下發的程序鍛造工藝參數，將其導入PLC的控制單元，經操作人員確認后，壓力機自動執行鍛造動作，保證鍛造過程各類工藝參數控制的一致性和標準化。

圖2 8000 噸油壓機程序鍛造的實際應用

⑵通過對8000噸油壓機程序鍛造功能不斷試驗、總結，結合鍛造設備、操作機技術理論研究，找到鍛造過程的最佳運行路徑，以數學函數的形式進行程序優化，持續提升程序鍛造運行效率。打破原來智能制造“重設備、輕工藝”的固有思維，以“鍛造工藝參數深度融合到設備程序中”為新途徑，通過生產計劃和工藝的自動傳輸、數據分析、數據診斷及專家數據庫、自優化功能實現了壓機的全工序無人控制功能。

現場生產運行數據可視化監控軟硬件一體化裝置開發

通過充分利用設備上已采集的數據信息，經過大數據分析，形成對生產過程的數據可視化評價，并對異常信息進行報警。

⑴以異常信息反饋功能為例：根據目前設備采集的數據信息，經過數據清洗和篩選判斷出異常數據信息，將ERP 輸出的異常信息信號與報警燈連接。此功能需要借助網絡繼電器這種中間轉換裝置來實現，為此我們自主進行網絡繼電器的二次開發，將異常報警信息與現場的報警燈裝置(軟硬件)進行連接；另外結合數據采集點情況，在ERP 中建立爐窯、壓力機等關鍵參數設備報警，爐溫極差等質量報警，一方面通過網絡繼電器將報警信息傳到現場報警裝置，另一方面將異常信息傳輸到相關管理人員的企業微信中，實現異常報警信息的可視化、數字化呈現。

⑵以產品在壓力機上的鍛造過程為例：通過對鍛造過程進行詳細地剖析，操作人員通過WinCC 接收MES 下發的產品生產計劃信息，結合鍛造過程中壓力機壓力采集點的數值變化、快換砧機構中各類砧型移動變化的信號數據，確定壓力機當前使用的砧型，來判斷鍛造開始時間和鍛造工步，再整合溫度采集信息記錄，應用科學的數據分析方法，編制程序，自動形成產品鍛造時間、鍛造工步完成情況的統計，從而達到鍛造過程的可視化寫實效果。

⑶通過大量的數據積累，建立標準臺時的鍛造流程圖，用產品鍛造監控圖形與標準鍛造流程圖進行對比(圖3)，與歷史效率最快產品流程圖進行對比，查找差距和不足，實現鍛造過程統計及分析評價。

圖3 產品鍛造過程監控對標圖形

通過上述大數據分析和可視化的手段，實現了8000 噸油壓機生產線中重點設備、關鍵環節、關鍵工序現場運行可視化100%的目標。

8000 噸油壓機鍛造大數據應用平臺建設

鍛造過程是一個復雜的生產過程，過程中壓下量、壓力、旋轉角度、溫度等參數，由于數量大，時序性不強，無法真正與鍛造過程對應，無法正確的應用，要應用這些鍛造參數，必須實現其與產品的一一對應。

⑴我們現有的ERP 系統中存在完整的產品計劃信息，包括產品的加熱爐次、火次、產品編號、生產號、工序等，如將產品的計劃信息傳輸至壓力機的上位機，可以實現鍛造參數與產品的一一對應的關系。為此，我們首先增加中間服務器，建立壓力機上位機與企業ERP 數據庫的連接。上位機需要從ERP 中獲得數據到WinCC 的界面上，通過在WinCC 內編寫VB 腳本訪問鍛造計劃表，選擇8000 噸油壓機的產品計劃信息，將產品編號、生產序號、工序等顯示在壓力機的上位機上。操作者可以根據生產計劃選擇即將鍛造的產品至上位機，實現采集參數與產品的火次工序的對應。也就是實現數據庫中的實時參數根據不同時間段與不同產品、不同工序進行對應。

⑵以往鍛造過程是不可測量不可評價的過程，整個工序過程錘數多，速度快，沒有辦法記錄。溫度、壓力這些參數都是實時的變量，怎么與每一錘壓下時的狀態進行匹配，是一個難點。為此經過一定時間數據的摸索和分析，我們將壓力機與鍛件接觸時的壓力作為一個判斷條件，接觸時編碼器的位置定義為鍛前尺寸，接觸后回程時的位置定義為鍛后尺寸，鍛前尺寸減去鍛后尺寸定義為壓下量。同時將接觸時的壓力值定義為一個新的開關變量，此變量每變化一次作為每一錘的開始，此變量兩次變化之間的時間段內的最大壓力為這一錘的最大壓力，此時間點的溫度值為這一錘的溫度。至此找到了鍛造過程參數與實際鍛造過程的對應關系。

⑶通過對大量數據的分析篩選，建立標準鍛造參數數據庫，實現產品尺寸、壓下量、進給量等關鍵性能參數與工藝標準的實時對比評價，實現鍛造過程尺寸控制精度的實時評價(圖4)。

圖4 鍛造過程尺寸控制精度評價

集成控制管理系統的應用反思

⑴8000噸油壓機自由鍛造智能集成控制管理系統的建立要緊盯智能制造方向，強化創新意識，運用系統思維，完成“一鍵式操作、無人化工序、集成式作業”項目建設，不斷提升生產現場的“智能化指數”，增強生產過程本質化受控能力。不斷完善全生產流程數據，充分運用信息化手段，優化瓶頸環節，暢通生產梗阻，均衡工序流量，系統推進生產管理能力的提升。

⑵智能制造是我國向制造強國邁進的迫切需要，對我國機械工業和國民經濟發展的推動起關鍵作用，我們只有通過不斷學習和應用大數據分析、數字孿生、機器學習、可視化識別、先進傳感器等先進技術，建立起完善的數據治理體系、智能鍛造數據包、數字孿生虛擬車間，從而建設完成有自身特色的鍛造智能生產線。