何兆榮，何曉娥,吳 洋

(1.重慶水輪機廠有限責(zé)任公司，重慶 402283； 2.哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引 言

依托“一帶一路”、“中國制造2025”、《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等國家戰(zhàn)略，針對水輪發(fā)電機組核心零部件離散型單件多品種定制化的生產(chǎn)組織特點，以及水輪發(fā)電機核心零部件[1]在強度、疲勞壽命、精度和安全性等方面的特殊性能要求，突破各類大型數(shù)控設(shè)備必須要一人或者多人值守操作的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。實施工藝三維數(shù)字化設(shè)計與虛擬加工系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集與可視化監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)，完成水輪發(fā)電機組關(guān)鍵零部件制造的智能化建設(shè)工作。該文研究設(shè)備加工制造的一人多機、無人值守，形成一種大型零部件智能制造新模式，為新形勢下水輪發(fā)電機組制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供支撐。

1 發(fā)電機組零部件傳統(tǒng)生產(chǎn)模式

水輪發(fā)電機組的設(shè)計、制造，基于新建水電站的水頭、落差、流量、地質(zhì)條件等因素，通過初步選型設(shè)計，確定機組型號尺寸。設(shè)計開發(fā)水力機械模型，機組布置的各部套、組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，進入生產(chǎn)制造階段。

從生產(chǎn)模式的管理變革、數(shù)字化設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)等方面入手，改變生產(chǎn)組織模式、利用數(shù)字化管理工具進行生產(chǎn)策劃和過程控制并回歸統(tǒng)計，達到持續(xù)改進的目的。

2 構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)作業(yè)模式

通過對車間進行數(shù)字化改造，人機結(jié)合模式將變得更為高效，通過信息化、可視化、在線監(jiān)控等技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)加工信息實時反饋，集中監(jiān)視，實時操控，從而使得一人可具備同時監(jiān)控、操作數(shù)臺設(shè)備的能力，原來一人一機甚至數(shù)人一機的操作模式將呈現(xiàn)出明顯的勞動力空閑和剩余現(xiàn)象。故此車間原有圍繞專人專機操作設(shè)立的生產(chǎn)組織模式將不再適應(yīng)，必須向一人多機、巡檢操作模式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)機器換人，形成可觀的人力資源降本。表1為構(gòu)建數(shù)字化車間生產(chǎn)組織模式人力資源結(jié)構(gòu)對比。

表1 作業(yè)模式對比表Table 1 Operation mode comparison table

從表1可看出，通過數(shù)字化車間改造，組建新的生產(chǎn)組織模式，能達到機器換人目的，減少設(shè)備操作人員10人，按目前平均人力資源成本10萬元/年計算，人力資源降本可實現(xiàn)100萬元/年。確定實施方案，并在試點班組(立車組、鏜銑一組)開展。

立車組：采取就近原則，在4月中旬第一周選擇新8 m立車、新6.3 m立車、老8 m立車組成一個巡檢單元，作為第一個試點開始推行1人巡檢作業(yè)，裝夾服務(wù)小組人員由立車組其他成員承擔，車間管理人員全程跟蹤記錄試推行情況，工藝部門派人負責(zé)數(shù)控編程，設(shè)置合適加工參數(shù)等服務(wù)；裝備車間派人對設(shè)備運行情況進行跟蹤維護。

該試點推行可行后，對立車組明確巡檢單元數(shù)量及對應(yīng)的人員配備，明確裝夾服務(wù)組成員和巡檢作業(yè)人員，全面推行一人多機巡檢作業(yè)模式。

鏜銑一組：同樣采取就近原則，與立車組同時開展試推行，選取動龍門、多棱、小龍門組成一個巡檢單位，試推行1人巡檢作業(yè)。相關(guān)部門人員的配合和試點情況跟蹤記錄與立車組并行。

該兩個班組在單獨推行試點成功后，可對裝夾服務(wù)組進行合并，試點跨組裝夾，擴大輪流裝夾范圍。

試推行期間，由專人對出現(xiàn)的問題、結(jié)論、經(jīng)驗等作統(tǒng)計記錄，作為推行信息化技術(shù)改進的依據(jù)。

為切實加強地質(zhì)災(zāi)害防治工作，各縣市區(qū)均建立健全了一系列的制度，如年度地質(zhì)災(zāi)害防治方案編制與發(fā)布、“兩卡一預(yù)案”填制發(fā)放、汛期值班值守、宣傳培訓(xùn)與演練、災(zāi)險情速報月報年報、建設(shè)有用地地質(zhì)災(zāi)害危險性、地質(zhì)災(zāi)害防治項目管理等制度，地質(zhì)災(zāi)害防治管理工作不斷規(guī)范化、制度化和常態(tài)化。

立車組與鏜銑一組作為試點推行完成后，逐步推行臥車組和鏜銑二組，復(fù)制運用推行方法，因鏜床設(shè)備操作需進操作室方可實現(xiàn)的特殊性以及臥車多數(shù)為非數(shù)控設(shè)備，需聯(lián)合工藝、裝備等部門充分討論研究，確定巡檢單元及人員配置。

在推行巡檢作業(yè)模式時，需要進行局部改造、信息顯示、報警停機、在線控制等技術(shù)支持，要由數(shù)字化改造廠家駐點服務(wù)。

確定各級人員職能職責(zé)：車間副主任及主管：負責(zé)組建推行團隊，負責(zé)組織人員編制推行方案及具體細節(jié)，每日試點推行開始、中途及結(jié)束了解情況，負責(zé)總體進度把控，負責(zé)定期召開專題會議，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，形成相關(guān)規(guī)定文件。

計劃管理員:負責(zé)提前安排工件、開具工票，圖紙工藝及所需配合件、質(zhì)量交底[3]的準備工作；負責(zé)監(jiān)督推行試點是否按期推進，負責(zé)記錄推行過程，負責(zé)對試點的加工任務(wù)與生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)調(diào)。

班組長：負責(zé)選擇合適的組員進行試點推行，負責(zé)組內(nèi)人員的分工調(diào)配，負責(zé)確定裝夾服務(wù)順序，負責(zé)保障試點現(xiàn)場安全，對組員反饋的問題負責(zé)處理(技術(shù)聯(lián)絡(luò)、事故上報等)，負責(zé)對現(xiàn)場緊急情況進行處置，指揮人員行動；負責(zé)定期反饋試推行情況。

試點巡檢人員：負責(zé)按照工票準備相應(yīng)工裝工具、量具等，負責(zé)指揮裝夾服務(wù)人員對工件正確裝夾、起重吊裝方案[4]，負責(zé)檢查裝夾工作是否安全合格，負責(zé)根據(jù)圖紙工藝等技術(shù)文件正確設(shè)置加工參數(shù)，對工序加工全過程質(zhì)量負責(zé)，負責(zé)安排裝夾服務(wù)人員配合測量、協(xié)助等工作。

試點裝夾服務(wù)人員：負責(zé)按照巡檢人員的要求進行裝夾，保證裝夾的質(zhì)量，負責(zé)按巡檢人員指令協(xié)調(diào)起吊轉(zhuǎn)運，負責(zé)配合巡檢人員測量、對刀等配合工作；負責(zé)按順序要求進行裝夾服務(wù)。

3 構(gòu)建數(shù)字化智能制造系統(tǒng)

3.1 智能制造整體系統(tǒng)模型

通過打造生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)用5G技術(shù)，構(gòu)建智能制造整體系統(tǒng)模型。結(jié)合設(shè)備機群，形成全閉環(huán)的智能制造工具模型和軟件、硬件資源，如圖1所示。

圖1 項目整體情況Fig.1 Overall situation of the project

3.2 數(shù)字化車間基礎(chǔ)設(shè)施的運行模型

數(shù)字化車間基礎(chǔ)設(shè)施的運行模型的建設(shè)圍繞生產(chǎn)物流、車間的生產(chǎn)組織方式、零件工藝流程、零件設(shè)計等方面的因素展開分析，借助主流三維軟件(SolidWorks、Pro/E、UG)以及Flexsim軟件得到運行仿真模型。

利用Flexsim軟件構(gòu)建機床設(shè)備的三維模型，建立車間機床的物理模型，為車間的后面建模仿真奠定基礎(chǔ)。圖2～5為一些車床的三維模型圖。

圖2 8 m臥車圖Fig.2 The 8 m sleeper diagram

圖3 15 m臥車圖Fig.3 The 15 m sleeper diagram

圖4 6.3 m立車圖Fig.4 The 6.3 m vertical train diagram

圖5 25 m立車圖Fig.5 The 25 m vertical train diagram

結(jié)合相關(guān)資料的收集分析與車間設(shè)施的建模，最終建立的車間設(shè)施布局仿真模型，如圖6所示。

圖6 車間設(shè)施布局仿真運行模型Fig.6 Simulation operation model of workshop facility layout

3.3 5G網(wǎng)絡(luò)

通過5G網(wǎng)絡(luò)，無需改變機床原有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方式，即可讓機床設(shè)備擺脫有線連接束縛，實現(xiàn)機床設(shè)備互聯(lián)互通，實時采集加工過程的工業(yè)數(shù)據(jù)以及設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)線多種設(shè)備互聯(lián)互通、實時通信，解決了車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)和上層信息系統(tǒng)的“斷層”問題，提高生產(chǎn)過程的可視化、可控性，降低生產(chǎn)過程的不確定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本。

視頻傳輸：鑒于視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬及實時性要求，在車間兩側(cè)架設(shè)了2臺5G一體化基站(見圖7)，實現(xiàn)現(xiàn)場33臺高清攝像頭的視頻實時上傳及攝像頭的遠程控制，然后通過光纖傳輸與業(yè)務(wù)中心進行交互；車間現(xiàn)場只需要對攝像頭供電進行布線作業(yè)，減少了整體施工難度；整體視頻傳輸效果如下，基本滿足工業(yè)互聯(lián)領(lǐng)域?qū)Υ髱拏鬏數(shù)募夹g(shù)要求。

圖7 5G基站Fig.7 The 5G base station

實施5G終端的安裝運行和5G終端與監(jiān)控設(shè)施的連接(見圖8 、圖9)，實現(xiàn)監(jiān)控軟件和硬件的協(xié)同。

圖8 5G終端Fig.8 The 5G terminal

圖9 終端連接Fig.9 The terminal connection

3.4 面向車間物聯(lián)的編碼系統(tǒng)

針對車間加工設(shè)備、檢測設(shè)備、物流設(shè)備、工裝輔具等方面的管理要求，在原有PDM和ERP系統(tǒng)編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，在人員、工序、工裝夾具、物流設(shè)備、工件等方面進一步完善編碼系統(tǒng)，制定人員、產(chǎn)品物料、設(shè)備資源的編碼規(guī)則(見圖10～12)，對車間內(nèi)的加工設(shè)備、檢測設(shè)備、物流設(shè)備、工裝輔具進行統(tǒng)一編碼，為實現(xiàn)關(guān)鍵部件在關(guān)鍵工序上的全程跟蹤提供技術(shù)支撐。

圖10 員工編碼規(guī)則圖Fig.10 Employee coding rule diagram

圖11 產(chǎn)品物料編碼規(guī)則圖Fig.11 Product material code rule diagram

圖12 資源編碼規(guī)則Fig.12 Resource coding rules

3.5 改造和升級傳統(tǒng)制造裝備

項目范圍有一批服役數(shù)十年的關(guān)鍵、重點裝備，如斯柯達10 m、12 m普通重型臥式車床、W250G鏜銑床等。機床經(jīng)數(shù)十年使用，機械部分磨損嚴重，幾何精度超差，機床電氣控制系統(tǒng)和線纜嚴重老化，難以滿足數(shù)字化車間的建設(shè)需要，但這些設(shè)備基礎(chǔ)還是很好的，特別是機床剛性和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性是很多現(xiàn)在新的機床設(shè)備無法達到的。鑒于此，針對這些傳統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進行再制造和數(shù)控化改造，解決設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊功能，結(jié)合DNC/MDC及遠程控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)實時傳輸采集。

工藝三維數(shù)字化設(shè)計及虛擬加工系統(tǒng)的建設(shè)主要針對超高水頭沖擊式水輪機關(guān)鍵零部件，例如，轉(zhuǎn)輪、主軸、噴管等進行，基于數(shù)字化三維設(shè)計系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪水力模型設(shè)計及多相流數(shù)值仿真分析系統(tǒng)[5]等，搭建工藝三維數(shù)字化設(shè)計與虛擬加工系統(tǒng)，形成水輪機關(guān)鍵零部件正向設(shè)計能力，如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)輪三維設(shè)計Fig.13 Three-dimensional design of Wheel

應(yīng)用CAD/CAM軟件對沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗[6]、混流式轉(zhuǎn)輪葉片、槳葉和導(dǎo)葉等復(fù)雜零件的型線進行高級曲面建模，形成三維實體模型；通過該軟件對轉(zhuǎn)輪水斗、轉(zhuǎn)輪葉片(槳葉)、噴管、主軸和導(dǎo)葉等零件毛坯點云數(shù)據(jù)進行分析，構(gòu)造三維毛坯實體，然后應(yīng)用UG NX加工模塊對零件復(fù)曲面進行數(shù)控程序編制(見圖14)；針對不同機床，構(gòu)造不同的后處理器，根據(jù)工藝要求，對數(shù)控編程軌跡選用對應(yīng)機床后處理器，處理成數(shù)控機床能識別的NC代碼。

圖14 轉(zhuǎn)輪數(shù)控編程Fig.14 Wheel NC programming

運用NX-Nastran CAE分析軟件，開展了核心零部件建模和靜力學(xué)、動力學(xué)、疲勞分析工作。對產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、開發(fā)、制造提供了強大的支持。采用該軟件在設(shè)計階段分析核心零部件在各種工況下的應(yīng)力、變形分布，評估其動力學(xué)特性和疲勞應(yīng)力，為優(yōu)化和改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性方面提供了技術(shù)保障(見圖15、圖16)。

圖15 強度計算機優(yōu)化Fig.15 Strength computer optimization

圖16 剛度計算機優(yōu)化Fig.16 Stiffness computer optimization

將機床加工信息通過決策支持系統(tǒng)展示給客戶使用人員，DSS采用B/S架構(gòu)，支持ORACLE/SQL Server數(shù)據(jù)庫，方便用戶瀏覽。具有權(quán)限的管理人員通過網(wǎng)絡(luò)上的任意計算機登錄本系統(tǒng)即可監(jiān)視、查看所有設(shè)備的實時狀態(tài)和過去歷史狀態(tài)，并可對某一時間段內(nèi)設(shè)備的運行狀況進行快速統(tǒng)計和分析。裝備可視化監(jiān)控系統(tǒng)分為三個部分：視頻監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、遠程控制[7]。

4 結(jié) 語

水輪發(fā)電機組的智能制造應(yīng)用，通過生產(chǎn)組織模式的優(yōu)化，采用數(shù)字化智能制造終端設(shè)備，建設(shè)并試點MES和DNC系統(tǒng)，以“機器換人”，明顯提高生產(chǎn)效率，減少單位用工數(shù)量，打破水電裝備制造用工難的瓶頸，并解決生產(chǎn)制造對人員的經(jīng)驗依賴。部分加工設(shè)備實現(xiàn)無人值守，為推廣大型裝備制造業(yè)的智能化新模式，降本增效，提供應(yīng)用參考。