文／鄧盛彪，凌云漢，黃達(dá)力，彭宇升·北京機電研究所有限公司

鍛造行業(yè)智能制造的發(fā)展

智能制造的概念

智能制造作為“中國制造2025”的主攻方向，是促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。各行業(yè)專家針對智能制造從不同角度分別進(jìn)行了闡釋。其中，工業(yè)和信息化部、財政部聯(lián)合印發(fā)的《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》指出，智能制造是基于新一代信息通訊技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式；ISO/IEC JWG21 智能制造參考模型聯(lián)合工作組研究報告指出，智能制造是以賽博、人員和物理領(lǐng)域中新興的信息技術(shù)為使能工具，通過綜合利用智能決策、智能工業(yè)過程、智能運營和智能資源優(yōu)化等手段，改善其性能和工藝等，進(jìn)而創(chuàng)造并提供可持續(xù)的產(chǎn)品和服務(wù)系統(tǒng)，并與多個企業(yè)價值鏈開展合作的制造方法。由此可見，智能制造是制造業(yè)生產(chǎn)過程自動化發(fā)展的必然趨勢。

鍛造行業(yè)自動化的發(fā)展及局限性

鍛造是我國基礎(chǔ)建設(shè)性行業(yè)，在我國制造業(yè)中占據(jù)主要地位，汽車、航空、海洋工程等多個重大領(lǐng)域的諸多關(guān)鍵零部件都是經(jīng)過鍛造環(huán)節(jié)進(jìn)行加工成形的。常見的鍛造自動化生產(chǎn)線有軸承自動化生產(chǎn)線、氣門自動化生產(chǎn)線、球籠自動化生產(chǎn)線、齒輪自動化生產(chǎn)線、法蘭自動化生產(chǎn)線等。鍛造行業(yè)自動化發(fā)展已有數(shù)十年歷史，現(xiàn)已趨于成熟。以2012 年蒂森克虜伯的曲軸鍛造車間為例，生產(chǎn)線上涵蓋了LINSINGER 的鋸床、ABP 的中頻加熱爐、KUKA 工業(yè)機器人、二重的12500t 壓力機以及AED AUTOMATION的噴淋裝置等國內(nèi)外頂尖裝備，生產(chǎn)線涵蓋了十余種工作模式及動作流程，自動化集成程度已達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平，工序之間轉(zhuǎn)運時間最少，曲軸鍛造節(jié)拍全世界最低。然而自動化僅僅滿足了生產(chǎn)數(shù)量及節(jié)拍上的需求，在自動化日漸成熟的今天已經(jīng)無法成為企業(yè)的核心競爭力，與智能化工廠相比往往會出現(xiàn)如下三點弊端。

⑴無法搭起信息物理系統(tǒng)(CPS)環(huán)境。

傳統(tǒng)的鍛造自動化生產(chǎn)線僅僅滿足了生產(chǎn)動作邏輯的控制，然而生產(chǎn)過程中卻無法把每一次生產(chǎn)過程信息記錄下來。在生產(chǎn)過程中引入信息化系統(tǒng)，搭建起以鍛造生產(chǎn)過程為主體的CPS 是鍛造行業(yè)面臨的首要瓶頸，做到生產(chǎn)過程信息的透明化。

⑵無法滿足橫向集成，僅僅實現(xiàn)了縱向集成。

企業(yè)往往實現(xiàn)了從設(shè)備層到應(yīng)用層的縱向集成，實現(xiàn)了從ERP、PLM、MES的集成，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)由上層至下層的下達(dá)以及由下層至上層的上傳，形成了穩(wěn)定的信息流流通，如圖1 所示。

僅僅注重了縱向集成的企業(yè)往往會忽略橫向集成，會暴露出以下問題亟需攻克，如圖2 所示。

1)生產(chǎn)線投入金額巨大，然而設(shè)備利用率無法提升，空閑時間無法減少，沒有好的排產(chǎn)計劃，設(shè)備難以發(fā)揮最大能力。

2)生產(chǎn)出來的物料是否及時轉(zhuǎn)運，是否和后續(xù)工序緊密連接，再好的生產(chǎn)線跟后續(xù)沒有連接，整個制造過程是打不通的。

3)當(dāng)產(chǎn)品品種切換的時候，工藝參數(shù)能否準(zhǔn)確下達(dá)，迅速換產(chǎn)。

4)產(chǎn)品沒有有效的管控，沒有完整的追溯。

⑶剛性越來越強，柔性越來越弱。

目前的鍛造企業(yè)設(shè)備往往僅能實現(xiàn)單一或極少品種的切換，生產(chǎn)剛性越來越強，柔性越來越弱，已滿足不了日益多樣化的市場需求，切換產(chǎn)品往往需要切換設(shè)備，且浪費巨大人力及時間。

因此，鍛造企業(yè)只有通過發(fā)展貫穿整個企業(yè)的信息化、智能化技術(shù)，才能使企業(yè)取得行業(yè)領(lǐng)先地位。

圖1 鍛造企業(yè)的縱向集成

圖2 鍛造企業(yè)面臨橫向集成的瓶頸

智能制造三大范式

智能制造是不斷演化發(fā)展的大概念，如圖3 所示，可歸納為三個基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。新一代智能制造是新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源消耗，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。

圖3 智能制造三大范式

⑴數(shù)字化制造。

數(shù)字化制造重點要解決的問題是提升企業(yè)內(nèi)部競爭力，也就是解決企業(yè)“圍墻”內(nèi)的問題。數(shù)字化制造的主要特征為：1)實現(xiàn)制造過程的對象用數(shù)據(jù)來表述。2)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。3)信息集成和應(yīng)用。

⑵數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的實質(zhì)為“數(shù)字化制造+互聯(lián)網(wǎng)”，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造追求產(chǎn)業(yè)鏈整體的優(yōu)化，也就是解決企業(yè)“圍墻”之外的問題。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的主要特征為：1)實現(xiàn)與用戶的充分溝通，制造企業(yè)從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心轉(zhuǎn)型。2)實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)與企業(yè)之間的協(xié)同。3)實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈從產(chǎn)品向服務(wù)延伸。

⑶新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造的本質(zhì)是“人工智能+數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造”主要特征表現(xiàn)在制造系統(tǒng)具備了“認(rèn)知學(xué)習(xí)”能力。通過深度學(xué)習(xí)、增強學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用，使知識產(chǎn)生、獲取、應(yīng)用和傳承效率發(fā)生革命性變化。智能制造在西方發(fā)達(dá)國家是一個“串聯(lián)式”的發(fā)展過程，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，是西方發(fā)達(dá)國家順序發(fā)展智能制造的三個階段。我國應(yīng)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個基本范式“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線，走一條數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化并行推進(jìn)的智能制造創(chuàng)新之路。

鍛造行業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，鍛造行業(yè)智能化發(fā)展一般是在原有自動化控制的基礎(chǔ)上，布設(shè)車間網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)涵蓋能源、質(zhì)量、設(shè)備所有數(shù)據(jù)的集成，同時與ERP、PLM等信息化系統(tǒng)進(jìn)行高度集成，實現(xiàn)虛擬追溯、用能分析、計劃報工、報警等功能，信息化系統(tǒng)貫穿了企業(yè)的各個部門。較成熟的鍛造企業(yè)已經(jīng)開始利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)分析鍛造生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，尋找出工藝參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間，指導(dǎo)并優(yōu)化整個生產(chǎn)過程，形成新的專家知識。

未來鍛造企業(yè)將把5G 等尖端技術(shù)運用到生產(chǎn)線中，建立鍛造企業(yè)的遠(yuǎn)程運維系統(tǒng)，搭建鍛造行業(yè)龍頭企業(yè)的工業(yè)云平臺，與企業(yè)形成長期合作模式，為各個企業(yè)遠(yuǎn)程服務(wù)提供便利的同時，參考企業(yè)長期運行參數(shù)，提供智能化改進(jìn)方案。

鍛造行業(yè)實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵性工作

數(shù)字化車間數(shù)據(jù)模型的建立

構(gòu)建鍛造行業(yè)車間數(shù)據(jù)模型，是改變傳統(tǒng)車間生產(chǎn)模式，達(dá)成從車間作業(yè)計劃下發(fā)到最終產(chǎn)品完工、檢驗入庫等全過程的實時數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)車間制造現(xiàn)場的物流和數(shù)據(jù)流同步，為其他管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、管理提供全面而準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

搭建鍛造車間數(shù)據(jù)模型需依據(jù)企業(yè)特點建立不同的關(guān)系，主要表現(xiàn)為以下兩個方面。

⑴鍛造行業(yè)數(shù)字化車間數(shù)據(jù)建模分析。

考慮產(chǎn)生數(shù)據(jù)的動態(tài)性與實時性，針對各種車間資源在加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合描述，建立具有時間屬性、多映射關(guān)系的數(shù)據(jù)動態(tài)模型，如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化物流網(wǎng)車間數(shù)據(jù)模型

在物聯(lián)網(wǎng)的背景下，鍛造企業(yè)會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)等，企業(yè)需要打通鍛造生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)的采集過程，建立起統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。此外，研發(fā)人員需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)類別進(jìn)一步細(xì)化數(shù)據(jù)，如，針對設(shè)備運行數(shù)據(jù)，需要對設(shè)備的狀態(tài)變化、故障點等類別進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)描述，并進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模。

⑵鍛造行業(yè)數(shù)字化車間數(shù)據(jù)建模映射關(guān)系分析。

從數(shù)字化車間數(shù)據(jù)映射關(guān)系的角度分析，為了滿足不同系統(tǒng)對數(shù)據(jù)訪問的差異性需求，建立了基于六類數(shù)據(jù)模型的映射、轉(zhuǎn)換表達(dá)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，通過多視圖技術(shù)來整理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高對數(shù)據(jù)元的利用質(zhì)量。

圖5 實時數(shù)據(jù)映射關(guān)聯(lián)

通過以上兩方面的車間物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步結(jié)合XML 數(shù)學(xué)表達(dá)，成功構(gòu)建數(shù)字化車間數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)以生產(chǎn)組織為主線管理，統(tǒng)籌數(shù)字化車間數(shù)據(jù)流。

數(shù)字化車間綜合評價體系

圖6 OEE 展示

鍛造行業(yè)數(shù)字化車間綜合評價體系的建立，可客觀地對車間各個環(huán)節(jié)進(jìn)行定性的評價，找出車間存在的薄弱環(huán)節(jié)，使管理者對車間進(jìn)行詳細(xì)地把握，實現(xiàn)企業(yè)精細(xì)化管理。

針對鍛造行業(yè)離散制造車間生產(chǎn)系統(tǒng)運行的特點，從設(shè)備角度來指定評價體系，來說明車間生產(chǎn)系統(tǒng)運行情況。

⑴生產(chǎn)性評價。這是評價該車間管理水平和生產(chǎn)服務(wù)水平的關(guān)鍵，比如，如何提高產(chǎn)品的可靠性、降低返貨率等。

⑵管理性評價。主要針對車間的管理過程，對“人、機、料、法、環(huán)”五大要素進(jìn)行合理有效的管理。

⑶服務(wù)性評價。主要針對車間內(nèi)為生產(chǎn)過程提供各種服務(wù)的評價，如物料保管和供應(yīng)等。

在企業(yè)中，用于度量設(shè)備管理水平的指標(biāo)有很多，設(shè)備運行指標(biāo)一般要從管理型評價角度來說明，主要包括設(shè)備完好率、設(shè)備利用率、設(shè)備平均故障時間、設(shè)備平均修復(fù)時間、設(shè)備綜合效率、設(shè)備故障率，如圖6 所示。

成功構(gòu)建一種適合鍛造車間評價指標(biāo)體系，可為企業(yè)車間管理提供強有力的評判手段。通過對車間綜合評價結(jié)果的分析，進(jìn)一步優(yōu)化存在問題的環(huán)節(jié)，從而提高車間的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率和企業(yè)快速響應(yīng)市場的能力。