胡乃民

(中國中鋼集團有限公司，北京 100080)

中國已經成為世界最大的磁性材料生產基地和銷售市場，既有良好的發(fā)展前景，又面臨著巨大的挑戰(zhàn)。我國磁性材料企業(yè)特別是鐵氧體制造業(yè)企業(yè)多、小、散，集約化程度不高，生產管理粗放，難以滿足高性能產品對制造過程的精確控制需求。較為粗放的管理模式以及較低的生產制造自動化程度，造成產品一致性差、成品率和產品穩(wěn)定性低、資源能源消耗大、生產成本高。同時，供應鏈不穩(wěn)定，上下游議價能力越來越強，潛在競爭者越來越多，行業(yè)內競爭加劇[1]。

磁性材料企業(yè)要實現轉型升級和高質量發(fā)展，離不開場景化智能制造技術的應用。以數據為核心、以融合為抓手、以流程為驅動，推動制造執(zhí)行系統(tǒng)(以下簡稱MES系統(tǒng))和數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(以下簡稱SCADA系統(tǒng))的集成應用，實現生產過程實時監(jiān)測、質量管理、可視化看板、異常預警、制造過程大數據分析等場景化智能制造應用，打造“智能工廠”是磁性材料企業(yè)實現轉型升級的必經之路[2]。本文從企業(yè)實際需求出發(fā)，就磁性材料企業(yè)智能制造需要重點解決的幾方面問題開展研究探討。

1 智能制造成熟度評估

現行國家標準《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116—2020)將智能制造成熟度分為五等級，國家標準《智能制造能力成熟度評估辦法》(GB/T 39117—2020)進一步明確了成熟度五等級的定量判定辦法和各等級成熟度對應的評分區(qū)間(表1)。

表1 智能制造能力成熟度等級劃分以及對應評分區(qū)間

圍繞人員、技術、資源和制造4個能力要素，對中鋼天源磁性材料廠開展智能制造成熟度評估，得分2.66(詳見表2)，處于第二級規(guī)范應用階段。其核心裝備自動化、信息化程度達到較高水平，核心業(yè)務活動相對規(guī)范，基本實現單一業(yè)務活動的數據共享，具備開展裝備、系統(tǒng)等集成應用，實現跨業(yè)務活動間的數據共享的基礎條件。

表2 磁性材料廠智能制造成熟度評估

2 智能制造的核心及重點解決問題

中鋼天源通過強化數智化頂層設計引領數字化轉型，從工業(yè)化與信息化相融合的傳統(tǒng)制造企業(yè)向以人工智能為特征的智慧產業(yè)升級[3]。充分發(fā)揮企業(yè)當前信息化智能化建設“5個成就”：①磁性材料廠MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現生產過程實時監(jiān)測、質量管理、可視化看板、異常預警、報表統(tǒng)計、制造過程大數據分析等場景智能化制造應用；②推進企業(yè)內部工業(yè)互聯網建設，以物聯網技術+自動化數據采集，通過系統(tǒng)實現控制點集成在中控室顯示和控制；③3D展示公司產品并線上交易，實現下單到售后閉環(huán)管理的線上銷售平臺；④公司園區(qū)安全環(huán)保信息系統(tǒng)；⑤LIMS質檢中心實驗室信息管理系統(tǒng)，涵蓋業(yè)務流程、財務、樣品、人員、設備、客戶、采集設備管理及電子記錄、各類數據統(tǒng)計，實現檢測業(yè)務全流程的線上管理，建立業(yè)務數據和財務數據的強關聯并與ERP系統(tǒng)對接。

磁性材料廠作為中鋼天源信息化發(fā)展與建設試點單位之一，以構建新型制造體系為目標，以實施智能制造工程為重要抓手，持續(xù)優(yōu)化生產工藝流程，著力提升關鍵技術裝備自動化水平，對生產主要功能數據進行實時采集和監(jiān)控，建立全面的數據分析模型，將生產狀態(tài)、設備狀態(tài)、班組能耗數據、設備運行狀態(tài)、檢測數據等實時收集，形成各類報表，實現了生產、設備、人員、品質的全方位管控和可視化管理[4]。通過破碎制漿→復合催化氧化→均化→洗滌→干燥→混勻→包裝等典型生產工藝流程，將電解金屬錳制成物理指標客戶定制化(復合催化氧化)、高純(洗滌)、均一性好(均化、混勻)的四氧化三錳產品。對磁性材料企業(yè)智能制造系統(tǒng)設計要解決的幾個主要問題總結如下。

1)智能制造系統(tǒng)架構及業(yè)務場景設計[5]。磁性材料廠以數字化、智能化、由下而上打造的信息一體化智能車間管理平臺，采用B/S和C/S相結合的三層系統(tǒng)架構，包括設備數據采集(SCADA)、現場管理執(zhí)行層(MES)，以及企業(yè)資源調度管理層(ERP)，通過企業(yè)服務總線(ESB)實現各層之間數據的互聯互通[4]，磁性材料廠工廠系統(tǒng)整體架構見圖1。

圖1 磁性材料廠工廠系統(tǒng)整體架構

磁性材料廠智能制造系統(tǒng)建設按照總體規(guī)劃分步實施的原則，明確數字化是實現智能制造的第一步，進而分步開展設計工藝系統(tǒng)集成、作業(yè)計劃導入和排產、生產過程控制、智能物流配送集成、數字化看板與分析數字化質量檢驗、全程質量追溯與分析、設備狀態(tài)監(jiān)控與數據采集。磁性材料廠智能制造業(yè)務場景見圖2。

圖2 磁性材料廠智能制造業(yè)務場景

2)生產制造執(zhí)行與工藝管控設計。通過MES系統(tǒng)將生產工藝各工序生產參數和工藝標準進行數字化、圖形化管理。在生產執(zhí)行過程中，技術、工藝人員可以隨時根據實際需要修改工藝參數，系統(tǒng)會將修改信息推送到相關工序，通過MES系統(tǒng)工序報工界面，以紅底色預警方式提醒現場人員該工藝已經發(fā)生了改變。同時，在生產作業(yè)標準化的基礎上，通過研究和應用連續(xù)化和自動化工藝與設備，實現生產制造流程的自動化。在此基礎上推進各生產工序遠程自動化控制，如自動加水加藥、投料、放料等工序已實現一鍵啟動操作。MES系統(tǒng)中依據生產工藝圖形化建模示例參見圖3。

圖3 磁性材料廠生產工藝圖形化建模示例

3)產品質量優(yōu)化設計。磁性材料廠產品生產過程中質量檢驗的數據通過MES質量模塊快速實現質量檢驗記錄電子化，減少紙質單據記錄和檢驗人員大量數據統(tǒng)計工作。通過正向和反向追溯查詢功能，能夠實現對人、機、料、法、測等產品生產全過程、全要素的追溯管理，車間生產產品的質量狀況可通過車間看板進行反饋，大幅提升質量管理效率和品控水平。磁性材料廠MES質量檢驗看板見圖4。

圖4 磁性材料廠MES質量檢驗看板

4)智慧能源管理設計。磁性材料廠能源管理系統(tǒng)規(guī)劃設計主要考慮數據采集管理、實時數據顯示、秒級數據存儲、實時異常報警等內容，以實現能源實績管理、能源分析與預測。智能生產線投產前由相關管理人員定期抄表，通過統(tǒng)計分析，形成報表，根據當月產量，算出單噸產品能耗；智能生產線投產后實時自動采集能耗設備數據，并對能耗數據進行統(tǒng)計分析，實時監(jiān)管，以往的異常停機、設備空載得以改善，電能消耗節(jié)約取得明顯效益。磁性材料廠能源管理規(guī)劃設計見圖5。

圖5 磁性材料廠能源管理規(guī)劃設計

3 實施效果與評價

磁性材料廠智能制造系統(tǒng)建設，突破了我國磁性材料傳統(tǒng)的制造模式，采用先進的自動化、信息化、智能化的生產模式，不僅提升了磁性材料廠自身工藝、技術、裝備和制造水平，也為磁性材料行業(yè)探索了未來制造技術的發(fā)展方向，具有一定的示范帶動作用。智能生產線投產以來，勞動生產率、生產效率與產品質量、客戶滿意度和經濟效益4個方面都取得了較大程度的提升[6]。

1)全員勞動生產率大幅提高。磁性材料廠在智能生產線投產前，現場操作人員80人，投產后減少至60人。隨著生產現場自動化水平的不斷提升，現場作業(yè)人員的工作強度大大降低，全員勞動生產率大幅提高。

2)生產效率與產品質量雙提升。磁性材料廠在智能生產線投產后生產效率提升了37.5%，產品合格率由96%提升至100%，達到了效率、質量雙提升。生產過程制造能力指數由1.28提升至1.49，品質管控水平提升顯著。

3)客戶滿意度不斷提高。智能制造系統(tǒng)實施后，客戶投訴減少了80%，滿意度提升了9.43%、達99.85%，更重要的是增強了客戶信任度，減少了人為干預而引起的產品質量的不穩(wěn)定性。

4)經濟效益顯著提升。銷售收入增漲了60%，毛利率提升了3%。

智能制造系統(tǒng)的建設，實現了生產過程的高度自動化，自動生產排程、生產參數固化、主動防錯機制，使小批量、個性化的柔性制造效率大幅提升，批量生產加工過程更加穩(wěn)定。生產過程數據自動采集和全程可追溯，輔以強大的數據分析功能，實現價值鏈橫縱向一體化，減少浪費，降低成本，全面提升產品質量和客戶滿意度。

4 結 語

磁性材料研發(fā)、制造具有典型的離散制造特征，通過企業(yè)數字化轉型升級，不斷提升磁性材料產品批產的穩(wěn)定性、可靠性，提高生產效率，降低制造成本，縮短研發(fā)周期，滿足用戶需求。更重要的是通過智能制造體系管控和數據積累，提升磁性材料研制企業(yè)的自主正向研發(fā)能力，加速新材料的研發(fā)和迭代升級，支撐磁性材料企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。相信未來智能制造在磁性材料生產中的應用，必將給行業(yè)發(fā)展帶來巨大的推動力。