蔣 明

（滄州明珠塑料股份有限公司 企管部，河北 滄州 061001）

1 引言

燃氣是易燃易爆氣體，2021年6月13日6時30分許，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故，41廠菜市場被炸毀，爆炸造成多人受困，隨后遼寧、河北等地又連續(xù)發(fā)生多起燃氣事故。燃氣事故頻發(fā)，嚴重威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。2021年11月，國務(wù)院安委辦印發(fā)通報，要求各地區(qū)、各有關(guān)部門和單位深刻吸取燃氣事故教訓(xùn)，全面加強城市燃氣安全工作，堅決扭轉(zhuǎn)當(dāng)前燃氣事故多發(fā)勢頭。

在此背景下，聚乙烯燃氣管材作為城市燃氣管網(wǎng)的重要組成部分，其產(chǎn)品質(zhì)量安全也備受關(guān)注。以新奧集團、港華燃氣、華潤燃氣以及燃氣企業(yè)聚乙烯（PE）輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組為核心的國內(nèi)各大城市燃氣運營商，紛紛對燃氣管材產(chǎn)品提出了更嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量要求和更嚴苛的生產(chǎn)過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量追溯能力要求。為了保障人民群眾生命財產(chǎn)安全、滿足客戶要求和提高市場競爭力，建設(shè)聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間，已成為必然之舉。

本文以滄州明珠塑料股份有限公司建設(shè)聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間項目為例，闡述聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)與應(yīng)用的經(jīng)驗。

2 項目建設(shè)背景

2.1 聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)工藝流程

聚乙烯燃氣管材在擠出生產(chǎn)線上生產(chǎn)，由壓力管材專用聚乙烯顆粒經(jīng)過烘干機烘干后由集中供料管道送入擠出機料筒，經(jīng)電加熱至熔融溫度180~220 ℃左右轉(zhuǎn)動擠出機螺桿，在6~20 MPa壓力下，機筒內(nèi)的物料完全由固態(tài)顆粒向熔融態(tài)轉(zhuǎn)變并實現(xiàn)初步塑化，待從模具擠出的后即形成已塑化好的管坯，進入真空定徑機后，大量冷卻水直接噴淋在管坯上，管坯快速降溫硬化定型為管材，進入冷卻水箱進行冷卻淋浴至30 ℃左右，在牽引機連續(xù)牽引下合格產(chǎn)品即可印字切割下線，進行檢驗。整個生產(chǎn)過程由電腦控制，形成聯(lián)動生產(chǎn)線，開機正常后人工主要負責(zé)加料、檢查和運送成品。典型工藝流程如圖1所示。

圖1 聚乙烯燃氣管材工藝流程

2.2 傳統(tǒng)聚乙烯燃氣管材生產(chǎn)車間存在的問題

隨著國家和燃氣行業(yè)對燃氣管材產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和北方城市煤改氣工作逐步推進，燃氣管材產(chǎn)品的需求增加，傳統(tǒng)燃氣管材車間的兩化融合水平和質(zhì)量管理能力愈發(fā)難以滿足市場需求，具體包括以下幾個方面：

1）生產(chǎn)過程控制和預(yù)警能力欠缺。傳統(tǒng)管材生產(chǎn)車間一般采用自動化擠出生產(chǎn)設(shè)備，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，只能由工人在現(xiàn)場操作和調(diào)整參數(shù)，無法實現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、存儲和生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析，不能對設(shè)備參數(shù)設(shè)置的正確性及時驗證，也不能對設(shè)備和生產(chǎn)異常情況進行預(yù)警。

2）質(zhì)量追溯能力不能支持客戶需求。由于不能采集設(shè)備運行和工藝記錄，只能通過人工進行定時抄報，準確性、及時性都難以保證。同時，由于采用紙質(zhì)報表，抄報的數(shù)據(jù)存放分散、口徑難以統(tǒng)一、抄報效率低、數(shù)據(jù)量小、查詢檢索困難，因此所采集的數(shù)據(jù)不能滿足本公司和下游客戶對產(chǎn)品質(zhì)量追溯的需求。

3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總效率較低。由于無法實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲，只能通過人工錄入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)量匯報、用料匯報均需專人負責(zé)在每班結(jié)束后錄入ERP系統(tǒng)，不但時效性差而且耗費人工，準確性也難以保證。

為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和人力成本、加強生產(chǎn)管理、建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯平臺，滿足市場的需要，建設(shè)燃氣管材生產(chǎn)數(shù)字化車間成為必然的選擇。

3 數(shù)字化車間建設(shè)內(nèi)容

3.1 數(shù)字化車間建設(shè)方案

（1）生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集改造方案

鑒于原有生產(chǎn)線各類采集模塊普遍老化甚至故障的情況，需要對管材生產(chǎn)線各采集點進行全面改造： 對巴頓或瑪菲主機的數(shù)據(jù)通過相應(yīng) OPC Server 進行采集；測厚儀設(shè)備通過OPC協(xié)議直接從測厚儀獲?。粚τ谏a(chǎn)線尚未集成的采集點，安裝相應(yīng)的傳感器件，每個設(shè)備的采集信號線集中接入一個接線盒內(nèi)（當(dāng)需要調(diào)換設(shè)備的時候，直接插拔接線盒上的接頭即可，從而實現(xiàn)設(shè)備的即插即用，最大限度地簡化了生產(chǎn)一線的操作難度），再由接線盒轉(zhuǎn)接到采集箱中的PLC上，PLC將采集到的數(shù)據(jù)以Modbus TCP協(xié)議方式上傳到采集系統(tǒng)；對生產(chǎn)電量的采集，采用帶 RS485 接口的電表，再接轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為 Modbus TCP 協(xié)議方式上傳到采集系統(tǒng)。生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺硬件架構(gòu)圖

（2）生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES）方案

MES利用PowerBuilder開發(fā)，利用Satrda中間件實現(xiàn)基于三層分布式架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)前端、中間層和后端均采取全面的安全防護技術(shù)，保證系統(tǒng)的安全運行。

MES使用socket接口與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）交互產(chǎn)量信息和質(zhì)量信息，SCADA系統(tǒng)中每采集到一根管材下線即在MES中自動生成一條產(chǎn)品產(chǎn)量信息，由檢驗人員錄入自檢信息，自檢結(jié)果回傳到SCADA系統(tǒng)中，及時在現(xiàn)場顯示屏上顯示合格的產(chǎn)量信息。

MES與現(xiàn)有ERP系統(tǒng)通過Web Service集成，共用一套基礎(chǔ)資料、單據(jù)和流程數(shù)據(jù)；ERP系統(tǒng)中的訂單信息，可由MES調(diào)用，根據(jù)產(chǎn)品與設(shè)備匹配情況、設(shè)備排產(chǎn)和運行情況共同輔助生成排產(chǎn)計劃；排產(chǎn)計劃由機臺在生產(chǎn)前調(diào)取，可在系統(tǒng)中查看產(chǎn)品工藝檔案，并將產(chǎn)品工藝信息推送至SCADA系統(tǒng)中，使SCADA系統(tǒng)能在實際工藝運行參數(shù)與設(shè)定參數(shù)不符時及時報警提示；自檢員在MES中錄入產(chǎn)品檢驗記錄后，在每班后結(jié)產(chǎn)會自動生成ERP系統(tǒng)生產(chǎn)匯報/報檢單，供ERP系統(tǒng)中產(chǎn)品檢驗、入庫調(diào)用。

MES使用 HTTP 接口實現(xiàn)通過企業(yè)微信將報警、通知消息發(fā)送給相關(guān)人員，使現(xiàn)場人員和管理人員及時掌握設(shè)備、工藝問題報警，及時處理現(xiàn)場問題；使排產(chǎn)和生產(chǎn)調(diào)度人員能夠?qū)崟r掌握生產(chǎn)完成情況，及時指導(dǎo)現(xiàn)場人員切換生產(chǎn)任務(wù)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）方案

以分布式實時數(shù)據(jù)庫為核心，保證采集數(shù)據(jù)的高效性和可靠性；通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可靠的工業(yè)通信設(shè)計，支持 OPC、OPC UA、ModbusTCP、Profinet 等多種工業(yè)驅(qū)動協(xié)議；以 kafka 作為消息隊列，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速推送和共享；后臺系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，降低業(yè)務(wù)耦合度，方便后續(xù)升級維護。

系統(tǒng)采用容器化（docker）運行，可快速實現(xiàn)分布式部署和集群擴展；用戶界面采用 Web 頁面技術(shù)，前后端分離模式；采用SSL加密傳輸和token機制，保證Web端訪問的安全；實現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行集群擴展，實現(xiàn)負載均衡和核心業(yè)務(wù)模塊和數(shù)據(jù)庫容災(zāi)備份。

開發(fā)界面化的后臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對服務(wù)器的各個業(yè)務(wù)進程進行監(jiān)控，能觀察每個模塊的運行狀態(tài)、資源占用、運行日志。進程意外終止時能自動拉起、支持手動停止和開啟。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 數(shù)字化車間建設(shè)結(jié)果和實現(xiàn)的功能

完成了生產(chǎn)線集中監(jiān)控數(shù)據(jù)采集改造。通過對擠出機及輔助設(shè)備進行物聯(lián)網(wǎng)改造，實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控與集中存儲。

完成了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控平臺建設(shè)。實現(xiàn)了設(shè)備運行信息實時在集中監(jiān)控平臺上展示，對生產(chǎn)異常信息、設(shè)備故障信息實時監(jiān)控，通過生產(chǎn)現(xiàn)場安燈系統(tǒng)、企業(yè)微信、平臺消息等方式實現(xiàn)及時報警，并實現(xiàn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、設(shè)備運行記錄、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等向關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)運行效果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控平臺運行效果圖

完成了MES開發(fā)。將產(chǎn)品設(shè)計圖紙、產(chǎn)品工藝文件等納入MES管理；產(chǎn)品設(shè)計圖樣、產(chǎn)品工藝文件等技術(shù)資料隨生產(chǎn)任務(wù)發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)在現(xiàn)場及時查看；與金蝶ERP系統(tǒng)對接實現(xiàn)了將金蝶生產(chǎn)任務(wù)單排產(chǎn)到機臺的功能；實現(xiàn)了產(chǎn)量自動采集與金蝶ERP系統(tǒng)對接生成產(chǎn)量匯報單據(jù)；實現(xiàn)了產(chǎn)品檢驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場錄入、分析和檢驗報告輸出功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化。MES運行效果如圖6所示。

圖6 MES運行效果圖

完成了產(chǎn)品質(zhì)量一碼追溯平臺建設(shè)。實現(xiàn)了通過掃描粘貼在燃氣管材產(chǎn)品上的二維碼，即可顯示包括原料材質(zhì)單、原料入庫檢驗結(jié)果、生產(chǎn)領(lǐng)料記錄、生產(chǎn)記錄、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、生產(chǎn)過程實時壁厚、產(chǎn)品檢驗結(jié)果、產(chǎn)品銷售記錄等質(zhì)量追溯記錄。

4 項目建設(shè)成效

1）通過建設(shè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備異常和工藝數(shù)據(jù)異常的及時報警，生產(chǎn)現(xiàn)場控制能力和產(chǎn)品質(zhì)量控制能力明顯增強，原料收率從98.2%提高到99.4%；實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量全程可追溯，公司質(zhì)量管理更規(guī)范，也滿足了客戶對質(zhì)量追溯的要求。

2）通過自動采集生產(chǎn)過程信息及產(chǎn)量信息，減少人工錄入內(nèi)容，減少生產(chǎn)及數(shù)據(jù)錄入人工投入12人，降低人工成本約126萬元。

3）通過生產(chǎn)資源及排產(chǎn)的可視化，輔助優(yōu)化排產(chǎn)，生產(chǎn)運行效率得到了較大提升，設(shè)備有效工時利用率從94.5%提高到98.2%；較上年噸電耗降低2%、噸水耗降低13%；設(shè)備換模全年累計時間減少1 570小時，廢料減少7%，每年降低相關(guān)生產(chǎn)成本350萬元。

5 經(jīng)驗與做法

5.1 注重信息系統(tǒng)間的深度融合，避免信息孤島的產(chǎn)生

項目實施過程中應(yīng)始終注重新的信息系統(tǒng)與已有信息系統(tǒng)的深度融合，堅持各項基礎(chǔ)資料的統(tǒng)一管理，保障基礎(chǔ)資料的唯一和一致性，在各系統(tǒng)間通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交換，所有需要審批的工作都通過OA系統(tǒng)工作流統(tǒng)一審批，從而在提高工作效率的同時避免系統(tǒng)不斷增加后各系統(tǒng)之間產(chǎn)生信息孤島。

5.2 鼓勵主動創(chuàng)新，容忍善意錯誤

在項目實施過程中應(yīng)充分激發(fā)項目組人員和員工的積極性和創(chuàng)造性，在項目前期調(diào)研工作中充分收集各崗位意見，鼓勵員工提出合理化建議和技改技措方案，一經(jīng)采納均給予物質(zhì)獎勵，充分調(diào)動了員工的積極性，使項目在落地過程中更接地氣，系統(tǒng)使用更加高效便捷；對于員工在系統(tǒng)、設(shè)備初上過程中為了更加有效地提高工作效率而進行測試或?qū)で蠼輳皆斐傻臄?shù)據(jù)錯誤或產(chǎn)品瑕疵，應(yīng)予以充分理解，對見到成效并形成經(jīng)驗的予以獎勵。

5.3 充分利用內(nèi)部知識資源與能力，打造適合企業(yè)需求的個性化系統(tǒng)

在項目實施過程中，除了充分進行調(diào)研外，也充分利用自有的開發(fā)、研發(fā)能力。對于硬件設(shè)備，先組織工藝、設(shè)備、市場各部門人員組織研討會、論證會明確下游客戶和內(nèi)部實際需求，形成內(nèi)部方案，然后再與設(shè)備廠商進行溝通，將項目需求附加于廠商提供的解決方案上，以力求設(shè)備滿足項目預(yù)期；軟件系統(tǒng)方面，由于公司管理體系和工作流程的個性化都較強，除了需要非常規(guī)范的財務(wù)系統(tǒng)采用金蝶標(biāo)準ERP模塊外，對金蝶的物流、生產(chǎn)、成本模塊都進行了深度的二次開發(fā)，本項目中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，沒有采購成型的商業(yè)軟件，而是采取了自主開發(fā)的方式，既保證了系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果完全符合公司個性化需求，也保證了項目完成后修改和維護的便利性。

6 愿景與展望

聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)，既是提高燃氣管網(wǎng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的必由之路，又為提高燃氣管材產(chǎn)品生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本提供了有力支撐。通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化改造，使車間各項數(shù)據(jù)變得更透明和可追溯，為生產(chǎn)管理人員、質(zhì)量管理人員和經(jīng)營決策人員，提供了更為詳盡的管理數(shù)據(jù)，方便其做出及時而準確的決策。

同時，聚乙烯燃氣管材行業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)也是新一代信息技術(shù)與質(zhì)量管理相融合的典型應(yīng)用，符合國家開展質(zhì)量提升行動實現(xiàn)質(zhì)量強國戰(zhàn)略的總體方向，滄州明珠的數(shù)字化車間建設(shè)經(jīng)驗也必將帶動整個燃氣管道行業(yè)以數(shù)字化賦能質(zhì)量管理，更充分地保障人民生命財產(chǎn)安全。