王紹剛，楊 軍，白晉成

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

數(shù)字化工廠是近幾年隨著國家2025 戰(zhàn)略、國際5G 發(fā)展戰(zhàn)略等方向指引下整個制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展方向，主要內(nèi)容就是通過數(shù)字和智能制造作為關鍵技術應用到數(shù)字化工廠，是現(xiàn)代工業(yè)化和信息化融合的信息體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。

在數(shù)字化工廠的建設過程中，包含了軟件和硬件兩個方面的內(nèi)容，互為支撐，互相推動。軟件數(shù)字化，主要的建設內(nèi)容為車間上網(wǎng)，設備物聯(lián)，管理軟件平臺等。硬件數(shù)字化，設備PLC 控制，具備網(wǎng)絡接口并開發(fā)，設備運行中的參數(shù)和狀態(tài)信號可通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場具備智能化終端，現(xiàn)場人員可通過終端實現(xiàn)信息的接收和反饋，實現(xiàn)現(xiàn)場無紙化。

數(shù)字化工廠模式模型如圖1 所示。本文分析了目前數(shù)字化工廠建設中存在的現(xiàn)場執(zhí)行層面信息收集的問題，針對性地開發(fā)出智能單元系列軟件，解決了鑄造企業(yè)數(shù)字化工廠建設中的短板。

圖1 數(shù)字化工廠模式模型

1 數(shù)字化工廠建設存在的問題

分析國內(nèi)數(shù)字化建設現(xiàn)狀，在公司和車間等層面，近幾年ERP、PLM、MES 等行業(yè)內(nèi)專業(yè)制造執(zhí)行管理系統(tǒng)軟件發(fā)展迅速，并得到了大量廣泛的實施和應用，很大程度上提高了我國制造業(yè)企業(yè)（包括一些先進的鑄造工廠）的現(xiàn)代化管理水平和數(shù)字化能力。

數(shù)字化工廠建設車間現(xiàn)場的建設尤為重要，但在現(xiàn)場執(zhí)行層面，目前依然存在很大的問題，也影響了數(shù)字化工廠實施不能落地，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）設備物聯(lián)不具備條件。在中國40 年的改革開放過程中，從一個工業(yè)基礎差到世界制造大國的建設過程中，幾乎快速走過了西方國家100 年的發(fā)展歷程。這一點從現(xiàn)場的裝備設備就可以看出端倪，大部分傳統(tǒng)車間內(nèi)即存在幾十年前的普通設備，也存在最新的數(shù)字化設備，這是一個發(fā)展積累的過程結果。而針對傳統(tǒng)的普通設備要實現(xiàn)數(shù)字化工廠的使用要求，就必須進行改造，而大部分是不具備這樣的改造價值的?；蛘哒f拿出一筆錢對傳統(tǒng)設備進行這樣的改造對大多數(shù)老板來說是不能接受的。

2）車間人員沒有一個應用或者融入數(shù)字化工廠建設的平臺。目前市場上大多數(shù)軟件都是針對技術管理人員崗位需要而開發(fā)使用的，因此習慣上大家都會把這些軟件統(tǒng)稱為管理軟件。而作為工廠車間占比最大的現(xiàn)場技術工人們，卻缺少這樣的平臺，替代現(xiàn)場為滿足管理需求而進行的部分工作內(nèi)容。比如生產(chǎn)技術管理要求信息的接收、現(xiàn)場執(zhí)行完成情況的反饋等。

3）一線信息的真實準確的收集。傳統(tǒng)的管理方式，很多的一線生產(chǎn)信息都是要通過人工整理匯總后二次處理傳遞給更高層的管理人員或需求業(yè)務人員。造成這一現(xiàn)狀的原因主要有兩個方面的影響，一是傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式，很多信息都是線下的，是通過人工去記錄統(tǒng)計的；二是過去常說的軟件“孤島效應”，各個功能軟件之間沒有有效打通，數(shù)據(jù)就不能及時共享。綜合分析，解決現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息收集等問題是鑄造等傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)字化工廠建設中的短板和關鍵。

2 鑄造數(shù)字化工廠的建設方案

2.1 鑄造數(shù)字化工廠功能架構

結合鑄造行業(yè)特點，鑄造數(shù)字化工廠功能架構分為公司管理系統(tǒng)、車間制造系統(tǒng)（包括現(xiàn)場工序單元層）和信息基礎設施系統(tǒng)。其中車間制造系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場，按工藝工序的設計內(nèi)容，科學的分解為成形、熔煉、精整、加工等多個獨立的生產(chǎn)工藝階段，解決了生產(chǎn)過程中信息傳遞的銜接。在不同的階段應用不同的信息字段設計，既可以使信息唯一統(tǒng)一，又可以把不同的階段的信息，通過軟件程序的邏輯很好的銜接起來。鑄造數(shù)字化工廠功能架構如圖2 所示。

圖2 鑄造數(shù)字化工廠功能架構圖

2.2 開發(fā)智能單元系列軟件，實現(xiàn)工序信息互聯(lián)互通

針對生產(chǎn)車間各工序現(xiàn)場信息的準確和快速收集問題，結合鑄造企業(yè)各工序的特點，智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心開發(fā)出智能單元系列軟件。智能單元軟件上面承接MES 軟件下達的生產(chǎn)計劃，并以生產(chǎn)計劃為主線條串聯(lián)起生產(chǎn)所需要的物料、工藝、質(zhì)量、設備等知識信息。向下通過物聯(lián)網(wǎng)連接現(xiàn)場設備或數(shù)字化檢測儀器，提取相應需要控制和記錄的過程參數(shù)?；蛘咧悄芷脚_開放面對操作者，提供一個操作者可以錄入現(xiàn)場信息的窗口，間接達到記錄現(xiàn)場過程參數(shù)結果的目的。

在智能單元中，根據(jù)現(xiàn)場一線員工的需求，通過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的篩選，將當前計劃的傳達到一線，供其所用。

隨著智能化數(shù)字化設備的大量應用，為現(xiàn)場生產(chǎn)指令和生產(chǎn)結果都可以通過網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)自動信息傳遞變?yōu)榱丝赡?。但現(xiàn)場化的生產(chǎn)，為了滿足市場的多樣性需求，大量存在著這種小批量、多品種的生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)由于產(chǎn)品工藝多樣性的影響，如要實現(xiàn)這種數(shù)字化工廠的需求，則其投入和要求都要比傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)復雜和投入更多。

結合現(xiàn)場實際情況和數(shù)據(jù)采集的需要，針對性的對每一個數(shù)據(jù)類別進行單獨的分析處理，在現(xiàn)場設備層功能支撐的前提下，盡可能實現(xiàn)自動或半自動采集，通過軟件邏輯層的處理，使這些基礎數(shù)據(jù)和上層軟件需求數(shù)據(jù)能夠一一對應起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通、共享和應用。

通過制造系統(tǒng)層面中設立一個單元級的軟件層，可以通過軟件層的邏輯辦法對底層的數(shù)據(jù)進行梳理篩選，保留有用的數(shù)據(jù)提供上層應用，又可以解決數(shù)據(jù)采集的及時性和準確性，促進了鑄造企業(yè)數(shù)字化工廠的建立及有效。

2.3 數(shù)字化鑄造工廠的應用實例

以熔煉工廠的數(shù)字化建設內(nèi)容，進行實施實例說明。

數(shù)字化工廠的建設一定是建立在整個公司統(tǒng)一框架下的統(tǒng)一籌劃和統(tǒng)一建設，而不是獨立的、脫離于公司上層管控的一個信息孤島。通過接口技術，實時傳遞軟件間信息數(shù)據(jù)。

單元層主要包含了兩方面的內(nèi)容，一是自動化設備，主要由單元自動加料設備、加料車、電爐、球化孕育站、自動澆注機等設備構成。二是熔煉單元管理與控制系統(tǒng)，控制單元設備運行、接收生產(chǎn)計劃、管控過程質(zhì)量、實現(xiàn)成本、設備、環(huán)境安全、材料、各類統(tǒng)計報表等的管理。具體內(nèi)容和雙下層信息相關流轉(zhuǎn)見圖三（熔煉數(shù)字化功能架構圖）所示。

梳理整個過程，主要有以下幾個節(jié)點：計劃下達、熔煉開始、加配料、取樣對比、過熱出鐵、變質(zhì)澆注、成本管理等內(nèi)容。

計劃下達通過系統(tǒng)匯總的計劃信息和前序報工結果，可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時的計劃內(nèi)容調(diào)整，更加符合現(xiàn)場實際的需要。

熔煉開始，系統(tǒng)自動及時，控制各個階段的運行時間，結合現(xiàn)場設備的自動化運行，有效控制整個澆注過程的時間效率，保證時間控制參數(shù)符合工藝設計要求。

加配料結合工藝設計的配料料方和現(xiàn)場自動化運行，有效控制每種配料占比符合工藝設計要求，這樣即保證了材質(zhì)的控制質(zhì)量，也提高的生產(chǎn)效率。

取樣對比，聯(lián)網(wǎng)金相室和現(xiàn)場檢測設備，使檢測數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)進行傳遞，保證檢測數(shù)據(jù)第一時間反饋現(xiàn)場，這也為現(xiàn)場根據(jù)質(zhì)量結果控制過程提供了執(zhí)行基礎。

過熱出鐵，對溫度的控制通過現(xiàn)場測溫槍數(shù)據(jù)的采集，自動關聯(lián)控制設備進行下一步的動作。

變質(zhì)澆注也是通過自動化和參數(shù)系統(tǒng)控制，來實現(xiàn)工序內(nèi)容的標準化，以提高這一內(nèi)容的質(zhì)量水平。

圖3 熔煉數(shù)字化功能架構圖

成本管理，過程中各種消耗、各種原材料都通過系統(tǒng)采集了一線的實際準確數(shù)據(jù)，這樣就可以準確及時反映現(xiàn)場現(xiàn)場的成本費用，統(tǒng)計分析更準確，也更及時。

通過這樣的建設，減少了現(xiàn)場操作工的記錄和調(diào)整工作，強化了按工藝設計執(zhí)行和記錄的系統(tǒng)管控，對整個熔煉過程的效率和質(zhì)量都發(fā)揮了很大的推進意義！

3 結束語

針對鑄造企業(yè)的特點和數(shù)字化建設中存在的問題，構建了數(shù)字化工廠建設的功能架構，開發(fā)出智能單元系列軟件，促進了數(shù)字化鑄造工廠的建設。通過多個項目的實踐證明，此方案能很好的解決當前數(shù)字化智能化建設當中遇到的系統(tǒng)與底層數(shù)據(jù)脫離，真正大部分產(chǎn)生數(shù)據(jù)的群體卻沒有輸入數(shù)據(jù)信息平臺的現(xiàn)實問題，也提高了現(xiàn)場的工藝執(zhí)行率和信息傳遞及時率，也就提高了現(xiàn)場的工作效率和質(zhì)量。