唐紅濤，張偉，張雁翔

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢 430070; 2.韶關(guān)液壓件廠有限公司,廣東韶關(guān) 512029)

0 前言

液壓缸是各類重型機(jī)械、大型產(chǎn)線的核心動力裝備之一，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶、冶金、水泥、化工等制造領(lǐng)域的生產(chǎn)線或成套裝備中[1-2]。雖然我國液壓件行業(yè)發(fā)展迅速，但是大多數(shù)液壓件生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、自主創(chuàng)新能力不足，大部分液壓產(chǎn)品處于價值鏈中低端[3]。且由于技術(shù)、工藝、設(shè)備及管理等多方面的限制，高端液壓件產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)水平不足，無法形成有效的供給，導(dǎo)致高端產(chǎn)品大量依賴進(jìn)口。大部分市場份額被一些跨國巨頭如德國博士力士樂、韓國東洋機(jī)電、小松液壓等企業(yè)占據(jù)[4]。國產(chǎn)高端液壓件的發(fā)展仍然處于相對滯后的階段，它已經(jīng)成為制約我國裝備制造業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，整個行業(yè)有著較大的提升空間[5]。因此，提升我國高端液壓制造企業(yè)的綜合競爭力具有十分重要的意義。近年來，繼云制造、智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造之后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如火如荼[6]。作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)設(shè)施，是我國液壓缸制造系統(tǒng)走向柔性、產(chǎn)品質(zhì)量走向高端的必然選擇。并且在當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的背景下，高端液壓缸制造系統(tǒng)提質(zhì)增效和智能化總體需求更加強(qiáng)烈。

高端液壓缸制造是典型的多品種、小批量或單件離散制造模式，它呈現(xiàn)多品種、變批量、個性化定制特點，其車間生產(chǎn)設(shè)備密集且離散、生產(chǎn)設(shè)備及其信息多型異構(gòu)。專門針對液壓缸制造而定制的管理系統(tǒng)及信息化平臺并不多，并且由于車間的設(shè)備虛實信息描述不一致、數(shù)據(jù)交互融合困難，導(dǎo)致制造系統(tǒng)全過程重構(gòu)與優(yōu)化難，流暢性、穩(wěn)定性差，造成實際使用效果很不理想。

針對高端液壓缸制造系統(tǒng)提質(zhì)以及實現(xiàn)制造全生命周期管控的需求，本文作者整合了PLM、ERP、MES、SCADA四種信息化技術(shù)各自優(yōu)點，構(gòu)建了高端液壓缸離散制造的全流程信息化管控平臺，闡述了產(chǎn)品設(shè)計圖紙庫、生產(chǎn)工藝庫、產(chǎn)品全生命周期管理、車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集管控和柔性質(zhì)檢等平臺核心模塊功能及應(yīng)用案例。

1 應(yīng)用背景

1.1 高端液壓缸生產(chǎn)流程分析

圖1所示為某高端液壓缸企業(yè)設(shè)計制造的業(yè)務(wù)流程，該流程將企業(yè)運營劃分為銷售訂單、研發(fā)設(shè)計、工藝BOM以及生產(chǎn)過程和發(fā)貨5個階段。整個流程以產(chǎn)品報價為起點，通過合同的簽訂及排產(chǎn)將技術(shù)信息進(jìn)行傳遞后實施測繪、繪圖等設(shè)計工作。完成圖紙BOM信息的收集，完成工藝的規(guī)劃和編制，最后在生產(chǎn)過程中穿插質(zhì)檢作業(yè)，完成工序級別的管控。通過全面采集關(guān)鍵過程記錄，以推動市場、技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)量、采購等多部門業(yè)務(wù)高效協(xié)同。

分析該流程可以總結(jié)出液壓缸制造全流程管控的幾個特點：

(1)各部門間的工作協(xié)同一致，信息均為多向傳遞，需要極高的反應(yīng)處理速度，管理難度和柔性都較大。如合同簽訂后，銷售部門先整理客戶需求和技術(shù)協(xié)議信息作為信息的輸入點，技術(shù)部門根據(jù)技術(shù)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計方案的評審和計劃，進(jìn)行設(shè)計、研發(fā)、測繪、繪圖，最終產(chǎn)出設(shè)計圖紙；工藝部進(jìn)行工藝的編制，采購部門根據(jù)工藝BOM補(bǔ)充物料；生產(chǎn)部根據(jù)合同制定生產(chǎn)計劃，并向各車間下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)；各車間按照生產(chǎn)計劃到倉庫領(lǐng)料并組織生產(chǎn)，按計劃完成并流轉(zhuǎn)到下一道工序的車間，直至成品按時完成；質(zhì)檢部門檢驗合格后入庫，倉庫接收發(fā)貨通知單進(jìn)行發(fā)貨。

(2)高端液壓缸定制化程度高，產(chǎn)品圖紙種類繁雜且圖紙數(shù)量多。液壓缸的設(shè)計繪圖任務(wù)量大，但是由于部分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相似性高，重復(fù)性設(shè)計工作占了很大一部分。

(3)生產(chǎn)工序和零件工藝種類龐雜，紙質(zhì)工藝過程卡的流轉(zhuǎn)困難且文檔查找困難。工藝流程主要由機(jī)加工工序構(gòu)成：割、車、銑、鉆、鏜、熱處理等共十幾道工序。而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制作工藝通常在收到客戶訂單后才能被確定，這種方式對生產(chǎn)的柔性要求大大增加。

(4)高端液壓缸多應(yīng)用于大型機(jī)械和冶金行業(yè)，對產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境和性能要求苛刻。其定制化程度高，設(shè)計和出貨周期長，加工精度和質(zhì)量要求嚴(yán)格。質(zhì)檢和生產(chǎn)各步驟呈現(xiàn)高耦合的關(guān)系，如零件生產(chǎn)各工序質(zhì)檢、裝配總成檢驗以及整缸性能試驗等。

(5)隨著生產(chǎn)批量的減少、品種的增多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須隨著客戶的需求隨時進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致生產(chǎn)所需的原材料不能準(zhǔn)時按量供應(yīng)，生產(chǎn)計劃的安排越來越困難，生產(chǎn)的波動較大。

圖1 高端液壓缸設(shè)計生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程Fig.1 Flow of design and manufacturing of high-end hydraulic cylinder

高端液壓缸的研發(fā)制造作為高端機(jī)械裝備和制造業(yè)升級的重要基礎(chǔ)，在當(dāng)今智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，也亟需提升產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化，來解決這些管理難點。

1.2 系統(tǒng)平臺技術(shù)和模塊架構(gòu)

如圖2所示，該平臺由典型的C/S三層架構(gòu)演化而來，并以服務(wù)中心層、業(yè)務(wù)組件層、應(yīng)用流程層和展示層構(gòu)成。服務(wù)中心層主要由用戶中心、數(shù)據(jù)中心、看板中心、報表中心等組成，為后續(xù)應(yīng)用層提供基礎(chǔ)服務(wù)和接口；業(yè)務(wù)組件層將銷售、技術(shù)、生產(chǎn)、采購、倉庫、質(zhì)量等業(yè)務(wù)功能打散為相對獨立的組件供應(yīng)用流程層使用；應(yīng)用流程層使用服務(wù)中心層的建模中心，將業(yè)務(wù)組件層中各類微服務(wù)組件進(jìn)行組合和編排，生成相互關(guān)聯(lián)且有約束關(guān)系的業(yè)務(wù)功能模塊，包括MES中的計劃、調(diào)度、加工執(zhí)行等；展示層通過計算機(jī)、移動終端、工控機(jī)、車間顯示大屏等方式，生成交互窗口，對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以及將功能結(jié)果進(jìn)行展示。

圖2 平臺架構(gòu)層次關(guān)系Fig.2 Hierarchical relationship of the platform architecture

2 平臺構(gòu)建和應(yīng)用

2.1 平臺構(gòu)建核心技術(shù)

產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)[7]是一種應(yīng)用于單一地點的企業(yè)內(nèi)部且分散在多個地點的企業(yè)內(nèi)部，以及在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域具有協(xié)作關(guān)系的企業(yè)之間的，支持產(chǎn)品全生命周期信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應(yīng)用的一系列應(yīng)用解決方案，它能夠管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息(如零部件信息、配置信息、圖文文件信息、結(jié)構(gòu)信息、權(quán)限信息等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)流程的技術(shù)。企業(yè)資源計劃 (Enterprise Resource Planning，ERP)[8]是一種主要面向制造行業(yè)，進(jìn)行物質(zhì)資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業(yè)信息管理系統(tǒng)，目的是提高企業(yè)內(nèi)部和制造有關(guān)的所有資源和過程的計劃和控制能力。制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng) (Manufacturing Execution System，MES)[9]是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，能夠在工廠發(fā)生實時事件時及時做出反應(yīng)，有效指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運作過程。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) (Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)，是一套面向車間進(jìn)行加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)自動化監(jiān)控的系統(tǒng)，可以有效完成生產(chǎn)狀況的監(jiān)督，加快問題反饋的速率。

平臺融合了PLM、ERP、MES、SCADA等多個系統(tǒng)的優(yōu)點，通過ERP保證訂單、客戶、財務(wù)等模塊的信息流、資金流的統(tǒng)一管理，打通各個部門間的信息壁壘，解決了內(nèi)部信息不暢通的問題，為企業(yè)員工和決策層提供了決策手段；借鑒了PLM集中存儲管理產(chǎn)品設(shè)計、工藝及資源信息的方式，設(shè)計了工藝庫和圖紙庫，挖掘了歷史數(shù)據(jù)的使用價值，避免信息重復(fù)輸入，提高了設(shè)計工作的效率；通過設(shè)備的集成，利用SCADA進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)過程的監(jiān)控，為MES對車間層和現(xiàn)場的實時管理控制采集底層數(shù)據(jù)并分析。該平臺為生產(chǎn)、質(zhì)檢、工藝、物流等部門提供全面一體化的車間生產(chǎn)執(zhí)行信息服務(wù)，實現(xiàn)了管理下車間，避免了管理信息“斷層”。

該平臺以高端液壓缸的訂單工藝生產(chǎn)質(zhì)量的全生命周期管控為核心，以實現(xiàn)流程化、可追溯、現(xiàn)場化和體系化管理為目標(biāo)，鏈接現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)、車間層、決策層與企業(yè)數(shù)據(jù)中心。如圖3所示，它集多種管理系統(tǒng)于一體，在為業(yè)務(wù)員提供便捷數(shù)據(jù)查詢處理的同時，協(xié)助各部門負(fù)責(zé)人實時處理報表，為進(jìn)行管理決策提供必要信息和方案。并且通過整合企業(yè)的各種數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)、產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、物料BOM數(shù)據(jù)和生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)，將設(shè)計制造流程與數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，提供一套通用的全業(yè)務(wù)流程的視圖模塊。因此該平臺的構(gòu)建為高端液壓缸生產(chǎn)企業(yè)提供一個可靠、完整、可追溯、可共享的產(chǎn)品信息源以及一個全生命周期管控方案。

圖3 全生命周期管控過程Fig.3 Whole life cycle control process

2.2 核心模塊的應(yīng)用

以某液壓件廠為例，在其液壓缸的設(shè)計制造全流程中產(chǎn)生了海量的信息數(shù)據(jù)，包括訂單信息、客戶資料、設(shè)計數(shù)據(jù)、CAD圖紙、工藝信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，但是往往這些數(shù)據(jù)儲存混亂，管理困難。為了解決這些問題，針對其以研發(fā)為核心、出貨周期長、非標(biāo)定制化程度高以及離散制造的特點，結(jié)合產(chǎn)品信息整合的需求，作者開發(fā)了由圖庫、工藝庫、生產(chǎn)狀態(tài)跟蹤、現(xiàn)場管控和柔性質(zhì)檢等核心模塊組成的C/S系統(tǒng)，將PLM與ERP、MES以及SCADA系統(tǒng)集成實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合管理，在產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)全生命周期內(nèi)自動集成查詢、追溯產(chǎn)品流程作業(yè)過程的區(qū)塊化管理。

2.2.1 圖庫和工藝庫

(1)圖庫

在液壓缸設(shè)計生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)中，圖紙文檔最為關(guān)鍵。BOM信息與工藝流程都來源于此，它是指導(dǎo)液壓缸制造的核心文件。雖然企業(yè)在多年的生產(chǎn)經(jīng)營過程中積累了大量的歷史圖紙，然而管理效率低，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)冗余。在設(shè)計過程中，相似結(jié)構(gòu)的液壓缸圖紙查詢困難，無法有效挖掘數(shù)據(jù)的價值，導(dǎo)致設(shè)計人員做了大量重復(fù)的設(shè)計工作，極大延緩設(shè)計出圖的速度，導(dǎo)致繪圖這個中間核心環(huán)節(jié)效率低下，影響整個生產(chǎn)流程。且紙質(zhì)圖紙查找緩慢，無法有效地協(xié)作共享，不利于保存，在傳遞時難以追蹤，回收困難，同時為文檔的安全保密工作造成了麻煩。

為了更加高效地管理圖紙，該系統(tǒng)集成了PLM收集儲存產(chǎn)品全生命周期信息的特點，開發(fā)了圖庫管理系統(tǒng)。如圖4所示，通過對CAD和SoildWorks的二次開發(fā)，將圖紙中的標(biāo)題欄和明細(xì)兩塊區(qū)域進(jìn)行特征識別和數(shù)據(jù)提取，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維表，存入數(shù)據(jù)庫，生成BOM信息表，供系統(tǒng)讀取和使用。并且在整套圖紙內(nèi)對每張圖紙循環(huán)地提取信息生成產(chǎn)品-組件-零件的BOM結(jié)構(gòu)樹，配合圖庫的使用。

圖4 BOM信息的提取Fig.4 Extraction of BOM information

如圖5和圖6所示，將技術(shù)中心的歷史圖紙整理分類導(dǎo)入由三部分構(gòu)成的圖庫管理系統(tǒng)：研發(fā)圖庫收集存儲研發(fā)圖紙，標(biāo)準(zhǔn)圖庫存儲已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的系列產(chǎn)品圖紙，默認(rèn)圖庫存儲一般非標(biāo)產(chǎn)品的歷史圖紙。通過圖庫對圖紙進(jìn)行數(shù)據(jù)化、精確化的定量定性管理，實現(xiàn)圖紙快速查詢對比，方便設(shè)計人員進(jìn)行圖紙引用和改進(jìn)，同時配合系統(tǒng)在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)使用電子圖紙加快圖紙傳遞效率，提高保密性。

圖5 CAD圖庫Fig.5 CAD drawing library

圖6 SolidWorks圖庫Fig.6 SolidWorks drawing library

(2)工藝庫

在使用圖庫對圖紙進(jìn)行管理的同時，建立工藝庫，對圖紙中提取的BOM表進(jìn)行零件層的工藝管理。如圖7所示將歷史工藝進(jìn)行收集整理，通過將建立的工藝編號作為標(biāo)識，與零件型號進(jìn)行深度綁定，將工藝編制過程變得可記錄、可重復(fù)、可追溯、可優(yōu)化，實現(xiàn)了快速響應(yīng)生產(chǎn)需求進(jìn)行工藝規(guī)劃，根據(jù)零件的具體型號在工藝庫中檢索并導(dǎo)出對應(yīng)的工藝過程卡，配合圖庫的使用推動了企業(yè)內(nèi)外部產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成、共享。

圖7 工藝庫導(dǎo)出工藝過程卡Fig.7 Process card exported from process library

2.2.2 訂單狀態(tài)跟蹤和生產(chǎn)現(xiàn)場管控

(1)訂單狀態(tài)跟蹤

如圖8所示，平臺集成ERP對訂單數(shù)據(jù)的記錄和流程管控的特點，通過抓取系統(tǒng)中關(guān)鍵業(yè)務(wù)階段的各個時間節(jié)點來劃分狀態(tài)，包括訂單處理狀態(tài)、技術(shù)繪圖狀態(tài)、生產(chǎn)計劃狀態(tài)、工藝編制狀態(tài)以及加工狀態(tài)和入庫狀態(tài)。通過查詢各階段的訂單實時流轉(zhuǎn)情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計來實現(xiàn)訂單的精細(xì)化管理以及產(chǎn)品的全生命周期的跟蹤管控。拒絕將問題淹沒在龐大的數(shù)據(jù)海中，實時且清晰明了地將瓶頸階段和積壓嚴(yán)重的業(yè)務(wù)塊暴露出來，助力管理者進(jìn)行針對性的及時調(diào)整和戰(zhàn)略管控。

圖8 訂單狀態(tài)跟蹤Fig.8 Order status tracking

(2)生產(chǎn)現(xiàn)場管控

車間的生產(chǎn)難以直接反饋到管理層,零件加工出現(xiàn)問題時難以追溯到上游過程，因此如圖9所示通過SCADA系統(tǒng)和對設(shè)備的集成，進(jìn)行現(xiàn)場加工數(shù)據(jù)的采集和加工執(zhí)行的監(jiān)控。并通過MES進(jìn)行車間現(xiàn)場的維護(hù)，結(jié)合企業(yè)對車間生產(chǎn)信息可視化管控的需求，系統(tǒng)生成零件的單件標(biāo)識號，采用車間現(xiàn)場的工序報工等方式，進(jìn)行工序級別的管理。如圖10所示，通過將單件標(biāo)識號、產(chǎn)品圖號以及工藝編號的綁定，向加工人員展示其所需的產(chǎn)品和零件圖紙以及工藝信息。加工人員通過此模塊快速完成向上層的任務(wù)反饋和異常狀況，并且及時地向下層的質(zhì)量管理部門傳遞檢驗需求，極大地提升了信息的傳遞速度。

圖9 設(shè)備數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控Fig.9 Acquisition and monitoring of device data

圖10 現(xiàn)場加工執(zhí)行Fig.10 Site processing

加工人員在現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)與設(shè)備的聯(lián)動操作，所有的數(shù)據(jù)更新都會影響上一層管理信息的變化，并且通過平臺展現(xiàn)出來，實現(xiàn)了生產(chǎn)情況真實的實時反饋以及對其進(jìn)行現(xiàn)場管控。如圖11和圖12所示，管理人員可以對每一個零件的生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)度監(jiān)控和跟蹤所有加工工序狀態(tài)的變化。不論零件處在哪一個工序環(huán)節(jié)，都可以從系統(tǒng)直接看到其調(diào)度和加工狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題或者其他異常狀況時，也能及時查看報警信息。通過這一追溯過程，企業(yè)可以很大程度改善由于單件多而導(dǎo)致的管控混亂的局面。

圖11 生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控Fig.11 Production scheduling monitoring

2.2.3 柔性質(zhì)檢

由于在高端液壓缸的生產(chǎn)過程中，加工精度要求極其嚴(yán)格，并且質(zhì)檢作業(yè)的執(zhí)行步驟和標(biāo)準(zhǔn)會根據(jù)產(chǎn)品定制的具體需求展現(xiàn)出隨機(jī)性的變化，其展現(xiàn)出的巨大柔性使整個過程變得難以高效管控。然而質(zhì)檢作為生產(chǎn)流程中的核心步驟，它的反應(yīng)處理速度極大地影響著生產(chǎn)的穩(wěn)定性。因此為該平臺開發(fā)了移動端在線質(zhì)檢模塊，如圖13所示，通過加工人員在加工執(zhí)行模塊的實時報檢，質(zhì)檢員接收到報檢信息后，可以快速下到車間使用移動端設(shè)備進(jìn)行在線質(zhì)檢。此模塊展示當(dāng)前工序質(zhì)檢要求的工藝信息、設(shè)計數(shù)據(jù)和圖紙，質(zhì)檢員通過快速比對及時上傳質(zhì)檢信息和處理質(zhì)量異常狀況。這打破了報檢到檢驗這個過程中所存在的地點、時間和設(shè)備的限制，實現(xiàn)了質(zhì)檢作業(yè)的柔性處理，加速了物料在加工過程中的運轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)零件質(zhì)量過程跟蹤可追溯，質(zhì)量過程原始記錄實時可查，產(chǎn)品合格證也能一鍵打印，簡化了質(zhì)保書辦理流程。

圖13 移動端在線質(zhì)檢Fig.13 Online quality inspection through mobile terminal

3 結(jié)語

構(gòu)建一種面向高端液壓缸設(shè)計制造的全生命周期管控平臺，它充分考慮了每個業(yè)務(wù)流程的特點，在平臺的開發(fā)中融合管理思維，對核心流程和瓶頸模塊著重進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計；將PLM、ERP、MES和SCADA等多個子系統(tǒng)集成為一個整體，對全流程數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理；融合了銷售訂單等多個模塊資金流、物流、信息流的統(tǒng)一管理，圖紙工藝等數(shù)據(jù)的集中存儲，以及車間層生產(chǎn)現(xiàn)場的制造流程數(shù)字化管理和柔性質(zhì)量監(jiān)控等。實際企業(yè)應(yīng)用案例證明：該平臺能夠很好地集成整合各部門的應(yīng)用需求，挖掘歷史數(shù)據(jù)的價值，為新的業(yè)務(wù)帶來增速增值；加快業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)的同時，減少了人力物料的浪費，實現(xiàn)了管理水平、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，為高端液壓缸制造企業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型和融入大行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了參考。