周國輝

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，目前在很多領(lǐng)域成為主機(jī)產(chǎn)品和高端技術(shù)裝備發(fā)展的瓶頸?！吨袊圃?025》提出要加強(qiáng)“四基”（關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心基礎(chǔ)零部件、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)）創(chuàng)新能力建設(shè)，強(qiáng)化前瞻性基礎(chǔ)研究，著力解決影響核心零部件產(chǎn)品性能和質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵共性技術(shù)。作為基礎(chǔ)工藝的鑄造行業(yè)更應(yīng)該按照《中國制造2025》提出的“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，著力破解制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵鑄件自主化制造瓶頸，建立健全基礎(chǔ)工藝創(chuàng)新體系，提升鑄造工藝技術(shù)水平和關(guān)鍵鑄件自主制造能力[1]。

1 基于五層架構(gòu)的信息化模式

本文圍繞離散型鑄造企業(yè)的運(yùn)營，結(jié)合LEAN、TOC、6σ、TRIZ、海因里希、阿米巴等創(chuàng)新方法理論，全面梳理企業(yè)運(yùn)營過程中各個主營業(yè)務(wù)，打造包括設(shè)備層、單元層、車間層、企業(yè)層以及協(xié)同層的五層業(yè)務(wù)架構(gòu)，實現(xiàn)“7+1”（市場、生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量、HR、EHS、設(shè)備+運(yùn)營）全方位數(shù)字化管理系統(tǒng)，使得公司市場、生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量、HR、EHS、設(shè)備、運(yùn)營數(shù)據(jù)全部集中到數(shù)據(jù)倉庫中，通過大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，最終挖掘公司運(yùn)營數(shù)據(jù)的相關(guān)性，為公司打造風(fēng)險管理為主導(dǎo)的管理模式，形成數(shù)字化、可視化的管理方式。

（1）設(shè)備層

基于優(yōu)化后的鑄造工藝流程，將諸如澆注機(jī)、熱處理爐、拋丸設(shè)備等工藝運(yùn)行單元，通過OPC技術(shù)和以太網(wǎng)接口聯(lián)網(wǎng)，為各生產(chǎn)設(shè)備平臺的數(shù)據(jù)采集提供了技術(shù)支持。設(shè)備層安裝的智能傳感器可以實時感知產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)、質(zhì)量、設(shè)備動作、設(shè)備安全和生產(chǎn)成本等關(guān)鍵信息，如溫度、壓力傳感器和熱分析儀等，此信息可通過設(shè)備層PLC 或控制器模塊進(jìn)行實時采集并進(jìn)行邏輯分析與計算。

（2）單元層

圖1 五層業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

圖2 拋丸單元為例的單元

離散型制造企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中涉及的流程和設(shè)備復(fù)雜，本文將離散型鑄造企業(yè)的生產(chǎn)過程劃分為不同的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)（工作中心），以設(shè)備為主的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)建立智能單元，以人為主的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)通過移動端進(jìn)行控制，在單元層綜合生產(chǎn)計劃、過程控制、設(shè)備管控、質(zhì)量監(jiān)控、文檔管理、經(jīng)營量化、綠色制造、統(tǒng)計分析等功能，對單元涉及的業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，從而實現(xiàn)控制局部的智能制造。

（3）車間層

車間層是以MES 系統(tǒng)為主，對本車間所有資源的集成管理。MES 系統(tǒng)主要有制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、計劃排程管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、庫存管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、工具工裝管理系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、項目看板管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)等模塊，向上通過以太網(wǎng)與ERP、PLM、LIMS等系統(tǒng)集成，向下通過接口與各智能單元集成，形成一個可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

（4）企業(yè)層

企業(yè)層由企業(yè)的生產(chǎn)計劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財務(wù)管理等信息化系統(tǒng)所構(gòu)成，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化集成管理，主要包括企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理（SCM）系統(tǒng)和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)、LIMS 等系統(tǒng)，各系統(tǒng)與MES 系統(tǒng)和鑄造工藝全流程虛擬制造集成設(shè)計系統(tǒng)集成，將企業(yè)各種信息通過分類、匯總后形成中間數(shù)據(jù)庫，然后按照不同管理主體要求，進(jìn)行對應(yīng)KPI 信息展示，指導(dǎo)、輔助企業(yè)管理人員作出客觀決策。

（5）協(xié)同層

協(xié)同層實現(xiàn)與供應(yīng)商通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)共享信息實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)物流和智能服務(wù)等。

其中協(xié)同層與企業(yè)層位于公有云，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與協(xié)同方實時共享信息，公司內(nèi)部人員多數(shù)業(yè)務(wù)流程也可通過互聯(lián)網(wǎng)連接到公有云進(jìn)行業(yè)務(wù)操作；車間層與單元層位于私有云內(nèi)，內(nèi)部工作人員通過私有云網(wǎng)絡(luò)，可以實時掌握現(xiàn)場生產(chǎn)、設(shè)備、人力資源、綠色制造等關(guān)鍵信息，進(jìn)而對生產(chǎn)狀態(tài)做出清晰明確的判斷。

2 五層架構(gòu)系統(tǒng)實施方案

2.1 設(shè)備層與單元層建設(shè)

智能單元利用OPC 接口，通過現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)通訊與設(shè)備PLC 和控制器進(jìn)行通訊,向上與MES、LIMS 等系統(tǒng)集成，采集各設(shè)備六維數(shù)據(jù)，與專家知識庫設(shè)定值實時比對，優(yōu)化決策后閉環(huán)調(diào)整控制，智能單元通過接受拉式計劃系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)計劃，同時根據(jù)現(xiàn)場實際的生產(chǎn)情況自動調(diào)配生產(chǎn)資源。

2.1.1 砂處理智能單元

針對鑄造產(chǎn)業(yè)的砂處理工序，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備礦砂使用情況進(jìn)行監(jiān)控分析；對落砂過程的各項關(guān)鍵工藝指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控分析；實現(xiàn)設(shè)備、工藝執(zhí)行過程的報警功能，有效提高落砂質(zhì)量符合率，降低生產(chǎn)成本。具體功能包括:

（1）礦砂使用及回收全流程自動監(jiān)控。

（2）實時監(jiān)控各環(huán)節(jié)礦砂儲量，物料平衡。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行過程異常自動報警。

2.1.2 熔煉智能控制系統(tǒng)

熔煉設(shè)備具有高能耗、高危險等特性，針對這些特性，本文中的熔煉智能控制系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行了智能化改造，實現(xiàn)的功能有：

（1）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳輸及實時監(jiān)控，有效降低現(xiàn)場實施人員的危險系數(shù)，增加設(shè)備可操控性。

（2）通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)和程序的聯(lián)鎖，在不影響生產(chǎn)的前提下，有效地保證人員及設(shè)備安全。

圖3 智能單元系統(tǒng)架構(gòu)

（4）工藝信息由工藝人員制定后，通過網(wǎng)絡(luò)直接傳遞到熔煉控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)操控設(shè)備進(jìn)行送電、加料、關(guān)機(jī)等操作，避免人為干擾，規(guī)范工藝執(zhí)行。

（5）通過對設(shè)備、物料、能源等采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，有效地對生產(chǎn)過程進(jìn)行改進(jìn)，從而形成熔煉生產(chǎn)單元閉環(huán)工作。

2.1.3 熱處理智能控制系統(tǒng)

集工藝設(shè)計、下達(dá)，設(shè)備檢查、維護(hù)，生產(chǎn)計劃、量化，質(zhì)量控制于一體的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)集成協(xié)議及系統(tǒng)集成技術(shù)將TC 系統(tǒng)、SAP 系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)中的相關(guān)信息集成。系統(tǒng)功能包括：

（1）生產(chǎn)前，工藝人員在TC 系統(tǒng)中編制熱處理一件一工藝，存儲在熱處理智能單元的工藝專家?guī)熘?，操作工使用時自動調(diào)運(yùn)即可。

（2）生產(chǎn)時，通過生產(chǎn)拉式計劃，直接將計劃傳遞至熱處理工序，熱處理操作工進(jìn)行排序后下達(dá)到熱處理智能單元中，系統(tǒng)自動判斷鑄件是否可以同爐然后調(diào)用工藝，開始熱處理。熱處理過程中，熱處理爐的實時數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)顯示在智能單元中實時監(jiān)控，確保正常、安全生產(chǎn)。

（3）熱處理結(jié)束后，操作工進(jìn)行自檢，確保該產(chǎn)品嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，然后進(jìn)行交檢，即保證熱處理質(zhì)量，又量化班組成員。

（4）統(tǒng)計分析每爐天然氣耗量及同爐率、焊后進(jìn)爐次數(shù)等成本質(zhì)量信息，得出使用或改進(jìn)結(jié)論。

1980年，美國著名管理學(xué)大師邁克爾·波特提出的“鉆石模型”與旅游產(chǎn)業(yè)競爭力分析的要素基本相符。該模型認(rèn)為，某一產(chǎn)業(yè)在應(yīng)范圍內(nèi)的競爭力取決于生產(chǎn)要素，國內(nèi)需求，相關(guān)和支持產(chǎn)業(yè)，以及產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略、結(jié)構(gòu)和競爭狀態(tài)這四大核心條件的表現(xiàn)。除此之外，該競爭力還受到政府和機(jī)會兩個外部輔助因素的影響，但是由于政策條件和外部機(jī)會兩個因素不可控太強(qiáng)。目前，在“冬奧會”和“兩山理論”的契機(jī)下，吉林省開展冰雪旅游的政策紅利和市場機(jī)會都非常好。因此本文主要運(yùn)用該模型的四個條件對吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競爭力進(jìn)行分析，進(jìn)而提出促進(jìn)吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競爭力的對策。

2.1.4 拋丸智能控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)拋丸設(shè)備生產(chǎn)效率低下，拋丸質(zhì)量無法控制，人工投入成本過高，計劃執(zhí)行問題導(dǎo)致的設(shè)備利用率低下等問題亟待改善。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，通過對拋丸設(shè)備智能化改造，可以解決傳統(tǒng)拋丸設(shè)備效率、質(zhì)量、成本等問題。

系統(tǒng)功能包含：

（1）基于虛擬仿真技術(shù)的拋丸工藝模擬專家?guī)臁?/p>

（2）拋丸生產(chǎn)計劃拉式管理系統(tǒng)。

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備改造以及操作軟件化。

（4）拋丸質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)。

（5）綠色生產(chǎn)系統(tǒng)。

（6）基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)行報警系統(tǒng)。

2.1.5 焊接智能單元

系統(tǒng)實現(xiàn)了全流程焊接物流管理、采購、入庫、領(lǐng)料、過程工藝控制（焊接過程的電流電壓、預(yù)熱溫度等的監(jiān)測、焊材存儲溫度、烘干溫度控制），應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計，引入現(xiàn)代化設(shè)備，對焊接全流程中焊材應(yīng)用物流信息進(jìn)行追蹤，確定生產(chǎn)精準(zhǔn)用材，對焊接過程作業(yè)工藝要求數(shù)字化校對、確保作業(yè)執(zhí)行規(guī)范。系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)集成，設(shè)備智能作業(yè)，降低人工成本與流程信息出錯率，提高生產(chǎn)流程準(zhǔn)確率、脈動率。系統(tǒng)功能包括：

（1）焊材驗收通過掃碼方式自動采集焊材信息，數(shù)據(jù)自動入庫。

（2）系統(tǒng)集成生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，按現(xiàn)場需求，通過智能算法生成焊材烘干需求，測算匯總量，一體化烘干-保溫箱智能區(qū)別焊材材質(zhì)并校對材質(zhì)工藝專家?guī)欤瑢淞虾覆倪M(jìn)行保溫-烘干，反饋焊材烘干質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（3）焊接設(shè)備（焊機(jī)）根據(jù)現(xiàn)場實際焊接作業(yè)模式與生產(chǎn)產(chǎn)品類別校對工藝專家?guī)?，實時對作業(yè)過程進(jìn)行非規(guī)范作業(yè)反饋報警提示與設(shè)備輸出矯正。

（4）焊接設(shè)備壽命管控：設(shè)備裝入壽命管理裝置，技術(shù)對設(shè)備應(yīng)用時間，與設(shè)備工作環(huán)境壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備維保信息反饋，超限設(shè)備自動停機(jī)。

圖4 以MES 為核心的車間層架構(gòu)圖

2.2 車間層建設(shè)

車間層以MES 為核心，構(gòu)建了與外圍資源全流程虛擬制造系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、智能生產(chǎn)單元和數(shù)字化生產(chǎn)單位的數(shù)據(jù)相互傳遞，搭建完善了企業(yè)整個產(chǎn)品數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)體系，如下圖所示：

圖5 MES 主要包括的功能

系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時采集現(xiàn)場設(shè)備、人員等資源信息；通過對完工情況統(tǒng)計得出生產(chǎn)計劃進(jìn)度及工作狀態(tài)；以上信息反饋到計劃排程內(nèi)，動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)排程，使得生產(chǎn)計劃更加合理高效。

2.3 企業(yè)層建設(shè)

2.3.1 全面數(shù)字化管理集成系統(tǒng)建設(shè)

全面數(shù)字化集成管理系統(tǒng)是以MES、PLM、TDM、MES、ERP、SRM、CRM、LIMS、協(xié)同辦公和特色管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對公司所有管理體系軟件化，構(gòu)成了企業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)，全面數(shù)字化集成管理系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6 所示。

2.3.2 全流程虛擬制造系統(tǒng)建設(shè)

本文圍繞虛擬制造技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計的應(yīng)用研究，對傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計流程、組織和崗位進(jìn)行再造，形成包含對標(biāo)、方法策劃、方案策劃、虛擬設(shè)計、虛擬分析、制造方案設(shè)計和現(xiàn)場反饋優(yōu)化7個步驟的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

2.3.3 “7+1”可視化管理駕駛艙搭建

通過串口通訊、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等方式與設(shè)備PLC 或控制器進(jìn)行通訊，實時傳輸各類設(shè)備、質(zhì)量、環(huán)境、能耗等信息，設(shè)備PLC 或控制器利用OPC 技術(shù)和以太網(wǎng)接口實現(xiàn)最終聯(lián)網(wǎng)。全面數(shù)字化管理集成系統(tǒng)通過將數(shù)據(jù)總線集中到數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)一的輸入輸出端口進(jìn)行控制。最終實現(xiàn)包括市場、生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量、HR、EHS、設(shè)備和運(yùn)營在內(nèi)的企業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)集中管理，達(dá)到駕駛艙般的管理體驗，從而實現(xiàn)可視化管理的最終目標(biāo)。

2.4 共享工業(yè)云平臺

本文涉及項目依托于共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司所打造的共享工業(yè)云平臺，打造包括協(xié)同鑄造、共享學(xué)院、供應(yīng)鏈管理、遠(yuǎn)程運(yùn)維等云端服務(wù)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)鏈條上下游資源，共享資源信息。

供應(yīng)鏈管理：提供從詢報價管理到訂單管理，從庫存管理到賬務(wù)管理，從供應(yīng)商檔案管理到供應(yīng)商考評管理，形成物流、信息流、單證流、商流和資金流五流合一的全面解決方案，實現(xiàn)企業(yè)與供應(yīng)商實現(xiàn)互聯(lián)互通、合作共贏。

圖6 全面數(shù)字化管理集成系統(tǒng)架構(gòu)

圖8 “7+1”可視化管理駕駛艙

圖9 共享學(xué)院

圖10 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

共享學(xué)院：通過云端服務(wù)，將員工信息及培訓(xùn)師信息在線上進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，學(xué)院在網(wǎng)頁端或者移動端實時進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，同時配備完整的試題庫進(jìn)行測驗，有效地解決了鑄造企業(yè)員工培訓(xùn)難，培訓(xùn)不到位的問題。

遠(yuǎn)程運(yùn)維：包括設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、設(shè)備360°信息、基礎(chǔ)信息管理模塊，通過對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、維保情況等生命周期數(shù)據(jù)管理，通過智能預(yù)警模型、智能診斷模型、智能自學(xué)習(xí)知識庫等應(yīng)用，實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析等功能。

3 五層架構(gòu)數(shù)字化模式應(yīng)用效果

（1）業(yè)務(wù)架構(gòu)清晰：通過梳理企業(yè)運(yùn)營過程中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，結(jié)合五層架構(gòu)的數(shù)字化管理模式，能夠清晰地梳理完成數(shù)字化的梳理，避免了關(guān)鍵業(yè)務(wù)點(diǎn)的遺漏，同時能夠清楚各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，優(yōu)化了業(yè)務(wù)架構(gòu)，提高了業(yè)務(wù)管理效率。

（2）數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，打破信息孤島：通過對業(yè)務(wù)架構(gòu)中關(guān)鍵業(yè)務(wù)建立數(shù)字化的管理模式，收集整理各業(yè)務(wù)的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，將這些關(guān)鍵運(yùn)營數(shù)據(jù)集中到數(shù)據(jù)倉庫中，完全打破了離散型鑄造企業(yè)信息孤島的問題，同時可以利用大數(shù)據(jù)分析等計算機(jī)技術(shù)對公司運(yùn)營進(jìn)行科學(xué)診斷。

4 結(jié)束語

鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，一直以來中國都面對著制造業(yè)大而不強(qiáng)的窘境，鑄造業(yè)特別是從事離散型的鑄造企業(yè)也同樣存在此類問題：信息收集不及時，管理混亂隨意，核心競爭力難以提升。解決此類問題的唯一途徑就是要進(jìn)行數(shù)字化改造。本文介紹的五層架構(gòu)數(shù)字化模式通過對離散型鑄造企業(yè)各個信息孤島進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過先進(jìn)的理論體系從設(shè)備層、單元層、車間層、企業(yè)層、協(xié)同層五個層次出發(fā)，涵蓋了企業(yè)經(jīng)營過程中的生產(chǎn)、市場、技術(shù)、質(zhì)量、設(shè)備、HR、EHS、運(yùn)營等關(guān)鍵業(yè)務(wù)，逐個解決離散型鑄造企業(yè)信息化管理難題，突破信息孤島，為企業(yè)經(jīng)營提供數(shù)據(jù)支撐，為企業(yè)管理保駕護(hù)航。