王亞飛，王煥成，閆 彩，李 強，王 超，王 皓

(西安慶華民用爆破器材股份有限公司，陜西 西安 710025)

1 人機協(xié)同作業(yè)場景的搭建的必要性

《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》[1]提出要深入開展人機協(xié)作、人工智能等關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)，推動制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化變革。加快信息技術(shù)與制造全過程、全要素深度融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通、人機協(xié)作等，建設(shè)智能場景、智能車間和智能工廠。

《民用爆炸物品行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[2]提出安全準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)提升目標(biāo)：“新建(改建、擴建)單條工業(yè)雷管裝配生產(chǎn)線接觸基礎(chǔ)雷管和成品雷管的現(xiàn)場操作人員不大于3人，且單個工業(yè)雷管裝配工房接觸基礎(chǔ)雷管和成品雷管的現(xiàn)場操作人員總數(shù)不大于6人?！惫I(yè)雷管及索類工藝裝備發(fā)展重點為：“火工藥劑、產(chǎn)品智能化生產(chǎn)工藝和裝備，工業(yè)雷管少(無)人化車間；生產(chǎn)過程質(zhì)量控制點工藝參數(shù)、人機料環(huán)等數(shù)據(jù)自動采集、存儲和溯源分析系統(tǒng)；”數(shù)字化智能化改造目標(biāo)：對生產(chǎn)過程、設(shè)備管理、安全管理[3]、質(zhì)量管理、倉儲物流控制均提出具體實施目標(biāo)。

在民爆產(chǎn)業(yè)政策的帶動下，電子雷管作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要方向，近幾年產(chǎn)量呈現(xiàn)快速增長趨勢[4-6]。在行業(yè)政策指導(dǎo)下，電子雷管將向產(chǎn)品規(guī)格系列化、生產(chǎn)流程自動化、生產(chǎn)經(jīng)營信息化、產(chǎn)品制造智能化方向發(fā)展，開展電子雷管及其智能制造關(guān)鍵核心技術(shù)研究，搭建電子雷管裝配生產(chǎn)線[7]人機協(xié)同作業(yè)場景[8-10]，對推動民爆行業(yè)智能制造技術(shù)[11-12]的發(fā)展和提高企業(yè)發(fā)展競爭能力都具有及其重要的意義。

2 人機協(xié)同作業(yè)場景搭建的總體方案和路徑

2.1 總體方案

電子雷管裝配生產(chǎn)線人機協(xié)同作業(yè)場景的搭建，是以公司智能化電子雷管裝配生產(chǎn)線建設(shè)為硬件基礎(chǔ)，融合二維碼技術(shù)、RFID技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)，將工位、產(chǎn)線設(shè)備、工人、生產(chǎn)任務(wù)等信息有機地聯(lián)結(jié)在一起，完成數(shù)據(jù)的采集和反饋(包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息、設(shè)備信息等)，組成一個多方式的實時信息采集平臺，提高生產(chǎn)過程可控性，減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程，最終實現(xiàn)高效、節(jié)能、綠色、舒適的人機協(xié)同作業(yè)場景。人機協(xié)同作業(yè)場景框架圖如圖1所示。

a) 智能化電子雷管裝配生產(chǎn)線

2.2 建設(shè)路徑

通過流程梳理優(yōu)化及信息技術(shù)應(yīng)用，搭建數(shù)字化人機協(xié)同作業(yè)場景，包括訂單、計劃、排產(chǎn)、物流、質(zhì)量、設(shè)備、數(shù)據(jù)集成等MES系統(tǒng)管理模塊，實現(xiàn)車間級從訂單到產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量、安全、人員等信息的全面智能化管控，提升車間制造過程的透明化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。人機協(xié)同作業(yè)場景建設(shè)路徑如圖2所示。

a) 人機協(xié)同作業(yè)場景體系

3 人機協(xié)同作業(yè)場景搭建

3.1 控制系統(tǒng)

3.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

由于電子雷管裝配生產(chǎn)線是直線式排布，現(xiàn)場信號較為分散，如果用集中控制系統(tǒng)，不僅會造成線纜的浪費，同時會造成信號衰減，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故需要采取現(xiàn)場總線控制方式。現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)PLC點對點的控制方式相比，具有如下優(yōu)點：1)更高的性價比，減少了現(xiàn)場線路安裝、調(diào)試和維護的成本；2)系統(tǒng)性能大幅度提高，現(xiàn)場總線具備可靠地數(shù)據(jù)傳輸能力與抗干擾能力；3)系統(tǒng)具備強大的自診斷能力，對系統(tǒng)故障能很快顯示；4)系統(tǒng)采用數(shù)字信號通信，有效提高了控制精度。

3.1.2 控制系統(tǒng)控制層級

控制系統(tǒng)控制層級示意圖如圖3所示。

圖3 智能化電子雷管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)層次圖

1)上位機層級：主要包括上位機系統(tǒng)及與其連接的以太網(wǎng)交換機。這一層級的數(shù)據(jù)交換主要依賴于以太網(wǎng)進行。上位機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與設(shè)備的PLC進行數(shù)據(jù)下發(fā)、上傳，以實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)的系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)傳輸。

2)現(xiàn)場控制層級：主要包括PLC及其附屬設(shè)備。這一層級的數(shù)據(jù)交換主要通過工業(yè)以太網(wǎng)進行。作為現(xiàn)場制的核心，采用基于西門子的PLC控制系統(tǒng)控制整個區(qū)域內(nèi)的設(shè)備協(xié)同作業(yè)，以及對現(xiàn)場IO信號的采集和處理。

3)應(yīng)用/執(zhí)行層級：主要包括交換機和所有連入系統(tǒng)的顯示、操作、驅(qū)動、執(zhí)行、檢測元件，實現(xiàn)設(shè)備各種功能。配合工控機上的集成管理軟件，對設(shè)備進行控制操作、參數(shù)設(shè)置或修改、運行參數(shù)和信息的實時顯示，報警記錄的處理、故障代碼和故障原因的查詢、設(shè)備信號的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的處理等。

3.2 質(zhì)量檢測技術(shù)應(yīng)用

采用電性能檢測、工業(yè)CCD檢測、傳感器等技術(shù)，在電子雷管裝配生產(chǎn)線設(shè)置多道質(zhì)量檢測關(guān)口，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線連續(xù)化自動檢測，質(zhì)量信息數(shù)據(jù)均實時采集、實時傳輸。多點在線質(zhì)量檢測技術(shù)如圖4所示。

a) 多點質(zhì)量檢測

創(chuàng)建檢測數(shù)據(jù)庫，方便追溯產(chǎn)品質(zhì)量。按照批次計劃任務(wù)對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程信息進行全面精準(zhǔn)的追蹤，可以根據(jù)原料實現(xiàn)產(chǎn)品的正向追溯，也可通過產(chǎn)品向原材料和生產(chǎn)過程的反向追溯，獲得產(chǎn)品的原材料、生產(chǎn)批次、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝路線、操作人員、產(chǎn)線設(shè)備及工裝使用情況、質(zhì)量情況等生產(chǎn)過程信息。從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程、質(zhì)量信息及物料信息的全過程追溯，可以在出現(xiàn)問題或者進行生產(chǎn)工藝分析時，獲取準(zhǔn)確、真實、全面的信息。追溯體系如圖5所示。

圖5 追溯體系

3.3 生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)(MES)搭建

搭建由上至下管理和由下至上反饋雙通道構(gòu)架，生產(chǎn)運營管理系統(tǒng)包括計劃排產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、電子看板管理、數(shù)據(jù)集成管理等MES系統(tǒng)管理模塊，實現(xiàn)電子雷管生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)實時精準(zhǔn)采集和生產(chǎn)過程透明化管理。生產(chǎn)運營信息系統(tǒng)的核心功能模塊如圖6所示。

圖6 功能架構(gòu)示意圖

3.3.1 生產(chǎn)管理模塊

生產(chǎn)管理模塊由BOM數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集管理、計劃管理、訂單管理、追溯管理等功能模塊交互實現(xiàn)。工作訂單管理人機交互界面如圖7所示。

圖7 工作訂單管理人機交互界面

3.3.2 質(zhì)量管理模塊

質(zhì)量管理人機交互界面如圖8所示。通過MES質(zhì)量管理系統(tǒng)對產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量進行實時檢測、定期統(tǒng)計分析、按期質(zhì)量評價，不斷改善和提高產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量。

圖8 質(zhì)量管理人機交互界面

3.3.3 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊如圖9所示。能夠通過設(shè)備管理信息系統(tǒng)對設(shè)備整個生命周期進行記錄，可在系統(tǒng)中進行搜索、查看，形成設(shè)備管理知識庫，便于指導(dǎo)類似故障的快速處理。

a) 設(shè)備運行狀態(tài)統(tǒng)計界面

設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測是生產(chǎn)運營信息系統(tǒng)通過接口自動實時采集每臺設(shè)備的狀態(tài)信息，通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面進行狀態(tài)的實時展示，其中狀態(tài)包括正常運行、空閑、異常停機、關(guān)機，設(shè)備異常報警時，可針對相關(guān)負(fù)責(zé)人進行消息提醒，支持查看具體的報警信息描述和指導(dǎo)性的故障處理方法，故障處理方法應(yīng)提前根據(jù)故障信息在系統(tǒng)進行維護。

工作人員通過對產(chǎn)線生產(chǎn)功效定期(班/日/周/月/季/年)理論產(chǎn)能的比率分析、生產(chǎn)功效評價，發(fā)現(xiàn)和減少生產(chǎn)中存在的六大損失(故障損失、換模具與調(diào)整損失、空運轉(zhuǎn)與暫停損失、減速損失、質(zhì)量缺陷和返工、開工損失等)，不斷提高企業(yè)精益生產(chǎn)管理水平。

3.3.4 安全管理模塊

安全管理人機交互界面如圖10a所示。安全管理模塊主要將產(chǎn)線的安全問題由之前的被動的人工檢查改為主動的狀態(tài)采集，保證車間的安全問題能夠及時暴露并及時解決。實現(xiàn)了門機連鎖(見圖10b)、裝備安全信息的智能化信息管控，預(yù)留定員定量安全管理接口，后續(xù)將增加智能圖像視頻分析系統(tǒng)。

a) 安全管理人機交互界面

3.4 可視化設(shè)計

可視化設(shè)計如圖11所示。電子雷管裝配生產(chǎn)線采用各工站信息采集，終端主控室顯示屏輸出顯示，通過LED屏將各工站的生產(chǎn)動態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行情況等生產(chǎn)信息進行實時顯示，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)透明化管理。

a) MES界面

4 效果體現(xiàn)

電子雷管裝配生產(chǎn)線人機協(xié)同作業(yè)場景的搭建，實現(xiàn)生產(chǎn)線根據(jù)訂單進行生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析、安全管控等功能。電子看板上生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實時采集更新，管理人員可及時了解生產(chǎn)動態(tài)，及時處理異常，不斷提升工廠車間管理，實現(xiàn)智能化、無人化、溯源化、自動化管理，大大減少了生產(chǎn)線操作人員數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，在降低人工成本與效率提升方面效果較為顯著。

4.1 人工成本降低

改善前，公司電子雷管手工生產(chǎn)線生產(chǎn)效率為107人班產(chǎn)1.4萬發(fā)；改善后，電子雷管裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)效率為23人班產(chǎn)2萬發(fā)。同產(chǎn)量下，人機協(xié)同電子雷管裝配生產(chǎn)線可減少人員130人，以5萬元/人/年人工成本計算，單班年節(jié)約人工成本650萬元。

4.2 生產(chǎn)效率提升

產(chǎn)能大，生產(chǎn)節(jié)拍13 s，班產(chǎn)效率2萬發(fā)，人均產(chǎn)出率1 000發(fā)/人/班，比手工生產(chǎn)線生產(chǎn)效率(人均產(chǎn)出率130發(fā)/人/班)提升7倍以上。

5 結(jié)語

目前，我國取得電子雷管生產(chǎn)許可的企業(yè)中，有近十家企業(yè)正在積極推進電子雷管自動化裝配技術(shù)建設(shè)和試生產(chǎn)。但是，由于技術(shù)積累時間短，產(chǎn)品市場需求的緊迫性，造成我國電子雷管自動化技術(shù)水平差異較大，生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制水平、智能制造和本質(zhì)安全化水平參差不齊。而且由于企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)能力建設(shè)的緊迫性，我國電子雷管自動化裝配生產(chǎn)技術(shù)已呈現(xiàn)出生產(chǎn)工藝?yán)淄?、生產(chǎn)效率低、智能化技術(shù)融合不足等低水平重復(fù)建設(shè)的產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)。通過搭建人機交互作業(yè)場景，本公司研制建設(shè)的智能化電子雷管裝配生產(chǎn)線能夠按照訂單進行智能排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析、安全管控，對人員、生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、安全等數(shù)據(jù)智能采集和分析，實現(xiàn)了車間級從訂單到產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量、安全、人員等信息的全面智能化管控。電子雷管裝配生產(chǎn)線自動化智能化生產(chǎn)，降低了人員工作強度，減少了操作人員與危險品直接接觸的危險，提升了生產(chǎn)線的本質(zhì)安全性；多點位在線質(zhì)量檢測提升產(chǎn)品下線質(zhì)量。搭建電子雷管裝配生產(chǎn)線人機協(xié)同作業(yè)場景，產(chǎn)線運行可靠，安全防護人性化，本質(zhì)安全性好，智能化水平高，研究成果具有新穎性和創(chuàng)新性，對推動民爆行業(yè)智能制造技術(shù)的發(fā)展和提高企業(yè)發(fā)展競爭能力都具有極其重要的意義。