嚴(yán)羿， 李啟元， 熊小聰， 董強(qiáng)， 周云波

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

1 引言

數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、 方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)， 包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，通過(guò)連續(xù)、 沒(méi)有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。 數(shù)字化工廠的應(yīng)用實(shí)施實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工制造全過(guò)程的數(shù)字化監(jiān)管， 從產(chǎn)品全生命周期層面優(yōu)化管理流程， 提高產(chǎn)品質(zhì)量， 提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

近年來(lái)， 隨著國(guó)家電力供應(yīng)形勢(shì)趨于緩解，以及國(guó)家在節(jié)能環(huán)保上的政策調(diào)整， 汽輪機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已趨于飽和， 同時(shí)國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。 在這樣的市場(chǎng)環(huán)境下， 尋求新的發(fā)展策略，優(yōu)化企業(yè)管理模式， 提升產(chǎn)品質(zhì)量， 顯得尤為重要。 數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施， 能有效加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量管控， 顯著提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益， 增強(qiáng)企業(yè)在新形勢(shì)下的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

作為汽輪機(jī)組核心零部件， 葉片的加工在汽輪機(jī)生產(chǎn)中占比很大。 葉片分廠作為示范基地，進(jìn)行數(shù)字化工廠建設(shè)的基礎(chǔ)技術(shù)研究， 為企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)提供示范支撐。

2 數(shù)字化工廠技術(shù)探索基礎(chǔ)條件

葉片分廠主要承擔(dān)導(dǎo)葉片、 中小葉片、 次末級(jí)葉片及末級(jí)葉片等各類汽輪機(jī)葉片的加工任務(wù)。分廠經(jīng)過(guò)多年努力已建成良好的數(shù)字化車間基礎(chǔ)，具備以下數(shù)字化工廠技術(shù)探索的基礎(chǔ)條件：

?分廠推行精益生產(chǎn)理念， 在生產(chǎn)計(jì)劃、 任務(wù)分配、 設(shè)備維護(hù)、 生產(chǎn)操作、 現(xiàn)場(chǎng)管理等方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、 規(guī)范化作業(yè)規(guī)定與實(shí)施。

?分廠設(shè)備先進(jìn)、 自動(dòng)化程度高， 包括5 個(gè)機(jī)加工中心機(jī)群， 高精數(shù)控加工中心100 臺(tái)以上。

?分廠信息化程度較高， 已運(yùn)用生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PLM）、 物料管理系統(tǒng)（MRPⅡ）、 企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng) （ERP）、 分布數(shù)控程序系統(tǒng)化管理（DNC）等進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程管控。

?分廠生產(chǎn)規(guī)模大， 示范應(yīng)用效果明顯， 已形成年產(chǎn)葉片類零件1 000 多個(gè)品種， 動(dòng)靜葉片12 萬(wàn)余片的生產(chǎn)規(guī)模。 結(jié)合企業(yè)的其他加工能力的建設(shè)， 具備生產(chǎn)制造常規(guī)火電葉片、 核電葉片、燃機(jī)壓氣機(jī)葉片及部分航空、 軍品葉片能力。

3 數(shù)字化工廠技術(shù)探索總體布局

葉片數(shù)字化工廠基礎(chǔ)技術(shù)探索項(xiàng)目， 面向葉片產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、 工藝、 制造、 管理和運(yùn)維服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)， 立足 “基于三維數(shù)字化的葉片產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)”、 “葉片制造數(shù)字化車間制造執(zhí)行平臺(tái)” 以及 “葉片MRO 過(guò)程精細(xì)化管理平臺(tái)” 等三大平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)， 進(jìn)行葉片數(shù)字化工廠基礎(chǔ)技術(shù)探索， 推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如圖1 所示。

圖1 葉片數(shù)字化工廠探索主要內(nèi)容

葉片分廠數(shù)字化工廠項(xiàng)目研究建立現(xiàn)場(chǎng)控制、工廠和企業(yè)等三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 通過(guò)設(shè)備采集和人機(jī)交互獲取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為MES 提供支持； 通過(guò)建設(shè)高效工業(yè)以太網(wǎng)保障數(shù)據(jù)傳輸； 通過(guò)對(duì)關(guān)鍵制造資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理， 精細(xì)化管理車間關(guān)鍵資源； 通過(guò)引入工作流引擎， 串聯(lián)葉片分廠現(xiàn)有系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯； 通過(guò)建設(shè)企業(yè)儀表盤和各類報(bào)表分析展示， 在第一時(shí)間將車間動(dòng)態(tài)反饋給生產(chǎn)指揮者， 保障快速科學(xué)的做出決策。 車間系統(tǒng)框架如圖2 所示。

4 數(shù)字化工廠基礎(chǔ)技術(shù)研究

項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)公司葉片類零件數(shù)字化管理、 建立數(shù)字化工廠樣板為目標(biāo)， 以3 大平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合車間生產(chǎn)信息管控， 分3 大內(nèi)容展開： 以數(shù)控設(shè)備分布式采集系統(tǒng)、 葉片編碼與控制系統(tǒng)、車間環(huán)境能耗安全監(jiān)控系統(tǒng)為主的 “互聯(lián)互通”；以葉片全制造過(guò)程跟蹤管理、 刀具全周期管理、葉片在線檢測(cè)、 生產(chǎn)管控平臺(tái)、 供應(yīng)鏈協(xié)同服務(wù)為主的 “生產(chǎn)管控”； 以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間系統(tǒng)、葉片三維設(shè)計(jì)工藝制造一體化、 車間儀表臺(tái)、 生產(chǎn)移動(dòng)交互為主的 “價(jià)值數(shù)據(jù)”， 見圖3。

圖3 應(yīng)用示范3 個(gè)方面內(nèi)容

4.1 互聯(lián)互通方面

基本實(shí)現(xiàn)葉片車間 “人機(jī)料法環(huán)” 等制造資源的互聯(lián)互通， 部署了數(shù)控設(shè)備分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)DNC、 葉片編碼與標(biāo)刻識(shí)別系統(tǒng)、 車間環(huán)境與能耗安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）數(shù)控設(shè)備分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用車間DNC 系統(tǒng)， 用于車間加工設(shè)備狀態(tài)和加工參數(shù)數(shù)據(jù)采集， 進(jìn)行設(shè)備能效統(tǒng)計(jì)分析， 為生產(chǎn)計(jì)劃、 設(shè)備維護(hù)以及過(guò)程管理提供數(shù)據(jù)支持。

（2）自主研發(fā)葉片編碼與標(biāo)刻識(shí)別系統(tǒng)， 采用激光標(biāo)刻二維碼形式， 在葉片表面進(jìn)行激光打標(biāo)，葉片流轉(zhuǎn)過(guò)程中使用掃描讀寫器進(jìn)行標(biāo)識(shí)， 在車間制造執(zhí)行系統(tǒng)中進(jìn)行跟蹤管理。

（3）自主研發(fā)車間環(huán)境與能耗安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)， 見圖4。 在廢氣、 粉塵、 高溫等潛在危險(xiǎn)區(qū)域安裝部署8 個(gè)環(huán)境監(jiān)控點(diǎn)和4 個(gè)能耗監(jiān)控點(diǎn)， 實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境安全， 及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)， 體現(xiàn)綠色制造和以人為本的理念。

圖4 車間環(huán)境與能耗安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

4.2 生產(chǎn)管控方面

基于精益管理思想， 車間對(duì)產(chǎn)品過(guò)程跟蹤、加工刀具、 加工質(zhì)量、 任務(wù)執(zhí)行、 協(xié)同服務(wù)等方面進(jìn)行了管控， 實(shí)施了葉片制造過(guò)程跟蹤管理、葉片刀具全周期管理、 葉片加工在線質(zhì)量檢測(cè)、生產(chǎn)制造執(zhí)行過(guò)程管理MES 以及供應(yīng)鏈協(xié)同服務(wù)管理MOM。

（1）通過(guò)基于SAP 深度定制開發(fā)出生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、 葉片全制作過(guò)程跟蹤系統(tǒng)、 刀具全周期管理系統(tǒng)， 完成葉片分廠核心業(yè)務(wù)全部信息化管理的目標(biāo)， 使得葉片分廠制造過(guò)程能夠在系統(tǒng)中有效管控， 從而提高分廠的業(yè)務(wù)處理能力、 物料管理能力、 生產(chǎn)過(guò)程計(jì)劃執(zhí)行能力以及供應(yīng)鏈協(xié)同服務(wù)能力。

（2）部署了葉片五軸精加工機(jī)床接觸式在線測(cè)量系統(tǒng) （見圖5）， 用于加工過(guò)程中在線測(cè)量葉片復(fù)雜功能型面和關(guān)鍵裝配面的加工精度， 有效解決了三坐標(biāo)離線測(cè)量效率低、 維護(hù)成本高等問(wèn)題，提高了葉片機(jī)加的生產(chǎn)效率。

圖5 五坐標(biāo)機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

4.3 價(jià)值數(shù)據(jù)方面

實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)透明化， 加快車間信息共享和決策支持， 部署了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間系統(tǒng)、葉片三維設(shè)計(jì)工藝制造一體化平臺(tái)、 車間儀表盤以及生產(chǎn)業(yè)務(wù)移動(dòng)交互等系統(tǒng)。

（1）自主研發(fā)出葉片分廠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間系統(tǒng)， 與 ERP 系統(tǒng)、 PLM 系統(tǒng)、 MES 系統(tǒng)、 MDC系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效集成， 在三維環(huán)境中實(shí)時(shí)可視化呈現(xiàn)車間生產(chǎn)計(jì)劃、 設(shè)備狀態(tài)、 庫(kù)存數(shù)量、 工序進(jìn)度等內(nèi)容， 便于工人數(shù)據(jù)查詢， 為生產(chǎn)決策提供重要支撐。

（2） 根據(jù)葉片設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)， 基于參數(shù)化理念， 自主研發(fā)建立葉片參數(shù)化快速建模子平臺(tái)、三維工藝結(jié)構(gòu)化模型構(gòu)建子平臺(tái)、 參數(shù)化三維工藝模板以及虛擬制造仿真子平臺(tái)， 打通了葉片從設(shè)計(jì)、 工藝、 制造等環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)通道。

（3）自主搭建車間儀表臺(tái)， 用于車間實(shí)時(shí)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析與監(jiān)控， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單進(jìn)度、 設(shè)備停機(jī)信息、 NCR 信息、 環(huán)境監(jiān)控信息、 重點(diǎn)視頻監(jiān)控區(qū)域等信息可視化展示， 有效提高葉片車間生產(chǎn)透明度。

5 應(yīng)用效果總結(jié)

葉片數(shù)字化工廠基礎(chǔ)技術(shù)的探索應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)了以下經(jīng)濟(jì)技術(shù)目標(biāo)。

（1）完成了葉片產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝一體化開發(fā)， 開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)共享， 運(yùn)用全尺寸虛擬仿真， 加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量管控， 提升加工制造效率。

（2）完成數(shù)字化車間執(zhí)行平臺(tái)及精細(xì)化管控關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用， 優(yōu)化加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理， 實(shí)現(xiàn)加工信息的動(dòng)態(tài)跟蹤及追溯， 提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)。

（3）研發(fā)并示范應(yīng)用了葉片車間虛擬生產(chǎn)線仿真模型和基于GIS 的動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控系統(tǒng)， 生產(chǎn)信息呈現(xiàn)與生產(chǎn)實(shí)際比較數(shù)據(jù)延遲不超過(guò)2 h。

（4）有效降低葉片生產(chǎn)成本， 顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量， 2015 年至 2017 年， 累計(jì)新增產(chǎn)值 47 000 萬(wàn)元， 新增利潤(rùn)4 200 萬(wàn)元， 葉片產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題NCR 單年均下降20%以上。

葉片數(shù)字化工廠基礎(chǔ)技術(shù)的探索應(yīng)用， 使葉片分廠構(gòu)建出車間產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)價(jià)值鏈，形成面向大型電站汽輪機(jī)葉片的快速研發(fā)、 柔性加工、 信息化管理、 精細(xì)化控制的第四代工業(yè)制造能力， 有效提高了葉片車間生產(chǎn)計(jì)劃與任務(wù)管理水平、 工藝設(shè)計(jì)與制造服務(wù)水平， 提高了車間協(xié)同運(yùn)作和生產(chǎn)物流效率， 提升了企業(yè)數(shù)字化制造能力。

下一步將結(jié)合企業(yè)和集團(tuán)公司的十三五發(fā)展規(guī)劃， 繼續(xù)推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)， 推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)、 信息技術(shù)、 智能技術(shù)在相關(guān)機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用推廣， 提升企業(yè)整體數(shù)字化運(yùn)營(yíng)能力。