精沖行業中小企業自動化與信息化

文/陳濤·武漢紡織大學機械工程與自動化學院

胡繼文·武漢思凱精沖模具有限責任公司

精沖行業中小企業自動化與信息化

文/陳濤·武漢紡織大學機械工程與自動化學院

胡繼文·武漢思凱精沖模具有限責任公司

隨著精沖工藝技術的日漸成熟和普及應用，精沖件在航空航天、汽車、鐘表、家電等行業得到了越來越廣泛的應用。這種形勢一方面提高了終端產品的性能和質量、降低了生產成本，另一方面也給精沖技術和精沖行業的發展提出了更高的要求。

中國精沖企業分布十分廣泛，除了少數專業精沖企業外，精沖行業大部分都屬于中小企業，這些中小精沖企業生產的精沖件約4000余種，直接從事精沖生產的人數已超過2萬人，其市場占有份額逐年上升，無論從生產規模還是技術發展上來看，中小精沖企業已經成為中國精沖行業的重要組成部分。

隨著中國新一輪社會、經濟轉型和產業結構調整的進一步深入，中小精沖企業由于資金、市場和技術等諸多因素的限制導致其面臨諸多困境和難題：人力成本增長、生產效率低下、企業間惡性競爭導致的利潤嚴重下滑等生存問題；生產管理與企業運營管理之間信息溝通不暢導致的管理與生產脫節問題；技術力量相對薄弱、人才流失嚴重等問題。在新的社會大環境下如何解決中小型精沖企業面臨的困境和難題，實現中小型精沖企業的“二次發展”是一個亟待解決的問題。

中小型精沖企業發展的客觀需求

實現精沖的基本條件之一是精沖機，而進口精沖機一方面價格昂貴，中小型精沖企業無力投資，另一方面精沖機專業性強，不適應多品種、小批量生產。因此，我國中小型精沖企業采用的精沖設備相當一部分是國內企業生產的經濟型精沖機和結合液壓模架的普通四柱液壓沖床。在這種生產條件下和社會環境下，中小型企業開始逐漸顯現出諸多發展的瓶頸問題：

⑴自動化程度低、生產效率低，經濟效益逐漸下滑。大部分中小型精沖企業，在國產經濟型精沖機或液壓模架上只能對薄板實現卷料自動送料控制，通過控制設備和檢測裝置實現從開卷、校平、工藝潤滑、上料、精沖、工件與廢料分離、廢料剪切和清除全工藝過程的自動化。但經調研發現，國產經濟型精沖機雖然在機械結構方面不存在重大缺陷，但是在模具保護、設備安全保護、精沖工藝參數優化、沖裁頻次等方面與進口精沖設備還存在較大差距，自動化程度相對低下。

對于厚板精沖，大部分中小型精沖企業采用條料人工送料方式進行生產，勞動強度高、生產效率低下。雖然有部分企業采用了條料自動上料裝置，通過條料始端和末端檢測信號控制按精沖步距進行自動送料，但是整個精沖工藝過程中缺乏必要的模具保護，無法辨識疊料、粘件、凸模斷裂等常見異常現象，因此很難實現精沖工藝過程的全自動控制，導致生產效率比用卷料要低許多。一方面，隨著人力成本的日益增加，以勞動密集型為主的中小型精沖企業的人工成本越來越高；另一方面，原材料價格也在逐年上漲，企業生產成本也日益增加；與此同時，企業為了獲取訂單而主動降價形成了企業間的惡性競爭。所有這些因素都直接導致中小型精沖企業的利潤嚴重下滑，企業的生存問題日益凸現。所以，中小型精沖企業只有在嚴把產品質量關的前提下，盡可能提高生產自動化程度和生產效率，才能在同行競爭中把握先機。

⑵企業生產運營管理不暢。現代企業生產運營管理應該涉及到市場訂單、原材料組織、生產計劃、生產備件管理、質量管理、設備維護、成品倉庫管理、供貨物流管理、人力資源管理、財務管理等多個層面的內容，其中前七個環節與企業生產直接相關。一般情況下中小型精沖企業的管理層相對薄弱，企業的大部分重點放在生產組織等直接現場環節上，而且企業信息化管理不足，很少或基本沒有現代企業運營的ERP系統。同時，管理層人員配備不齊，一人身兼多職、多人共管一事的現象極其普遍，這樣就使得企業運營管理跟不上市場的步伐，嚴重制約著中小型企業的發展。針對目前中小型精沖企業生產管理和產品供求脫節、模具故障事后維修、企業信息人工傳遞等問題，應該建立一種以精沖成品倉庫管理為核心的企業管理信息系統，達到按訂單組織生產，實現產品“零庫存”或少量庫存，按精沖件訂單數量組織模具制造和模具維修，按訂單數量組織原材料采購等一體化信息管理，從而在最大程度上為企業節約生產成本和運營成本。

⑶技術力量薄弱、人才流失嚴重。自主知識產權是企業的立足之本，人才是企業生存之根。現代企業的發展和壯大必須依賴于強大的技術研發和技術創新。中小型企業普遍存在著技術力量薄弱、技術研發投入較少的現象。這種現象一方面與企業決策者的發展眼光相關，另一方面也受到企業資金和人力資源的限制。在當今開放式社會環境下，企業人才的流動非常普遍，而中小型企業的人才儲備十分有限，所以經常會出現某個關鍵技術崗位人才流失后存在技術不足甚至斷檔的現象，這些現象都嚴重地影響著企業的生產和發展。中小型精沖企業面臨最大的問題是模具設計技術力量薄弱，有限的技術人員既要應付生產中出現的突發性問題，又要設計和開發新的模具。與此同時，我們注意到在高校、研究院所中存在著大量的“剩余”智力人才，如果能夠構建一個模具設計研究領域專家與精沖生產企業緊密聯系的虛擬設計平臺，實現領域專家“智力”與生產企業“實踐”緊密結合，達到共贏的目的，將能快速提高中小型企業的技術水平和生產能力，最終為我國在精沖領域整體技術水平的提高奠定基礎。

中小型精沖企業綜合自動化與信息化

精沖綜合自動化實現

圖1 單機精沖自動化系統結構圖

為了實現提高生產效率、降低勞動強度、節約人力成本的目的，以勞動密集型為主的中小型精沖企業一直嘗試著通過各種途徑的自動化改造或技術革新來提高精沖工藝過程的自動化程度。但大部分自動化系統僅集中簡單的生產過程自動化，對模具保護、設備安全、模具壽命統計與監測方面還存在一定的不足。我們認為精沖工藝過程自動化系統應該是保證產品質量和盡量延長模具壽命條件下的全生產過程自動化。一個單機精沖綜合自動化系統的基本實現方案如圖1所示。

如圖1所示，單機精沖自動化系統由機械部分和電氣控制兩部分組成。

⑴自動精沖機械系統。自動精沖系統機械部分主要應該包括：原料儲料裝置(條料儲料或卷料開卷)、精密自動送料裝置、精沖設備(精沖機或帶輔助液壓裝置的液壓沖床)、廢料回收裝置。該機械裝置在自動控制系統的協調下能實現精沖工藝過程。

⑵自動精沖控制系統。自動精沖控制系統的核心組成部分是一臺帶有現場總線通信模塊的PLC或工控機及相關信號檢測傳感器，協調控制機械系統運動，完成自動送料、精密沖裁、模具保護等功能。1）料倉信號采集與控制。采用簡單的位置開關量檢測實現有料、無料信號，在控制程序的協調下實現原料狀態監測與送料運動、自動涂油等控制。2）精確步距自動送料控制。在實現模具保護的前提下，在控制器控制下實現原料的精確步距送料和廢料回收動作。3）模具保護與精沖控制。一方面控制系統實時采集精沖主壓力、壓邊力和反頂力以及凸凹模與齒圈壓板之間的間隙，通過控制器內部實時診斷程序自動辨識疊料、粘件、凸模斷裂等常見異常現象，并自動停機報警，實現模具保護；另一方面，在控制器控制下實現精沖加工過程控制。4）液壓系統信號采集與壓力控制。對主液壓系統和輔助液壓系統的油壓、油溫信號實時采集，實現液壓系統的壓力和油溫控制；同時根據設定的優化壓力控制時序調節油壓系統加載壓力的大小和時序，進一步實時優化三向壓力參數，以提高模具使用壽命和精沖件斷面質量。5）生產參數統計。通過計數器自動實時統計產量，為企業信息系統和模具壽命評估及模具維修提供統計數據支持。6）模具壽命評估與修模提示。據大量統計數據研究表明，模具剩余壽命能通過精沖工藝過程中液壓系統三向壓力特征值(如最大動態壓力)的變化表征出來，通過產量統計和液壓系統三向壓力特征值之間的對應關系可以粗略估計模具剩余壽命，并提前報警，提示預測的修模時間，避免因修模不及時而損壞模具。7）通信接口。控制系統提供兩個通信接口：一個是控制器與機旁操作人機交互觸摸屏之間的通信接口，實現精沖機旁控制、查詢和操作；另一個是控制器與車間集控工作站之間的現場總線通信接口，便于集控工作站獲取單臺精沖系統的實時生產信息并實施遠程監控，同時為企業信息系統提供實時生產數據。

實現精沖綜合自動化，能有效降低直接人工成本，降低工人工傷發生的頻率，進而有效提高企業利潤和企業競爭力。在單機精沖自動化系統改造的前提下可進一步通過集中控制實現精沖生產車間的綜合集成自動化，實現少人值班，促進企業從勞動密集生產型向產研結合型轉化。

中小型精沖企業信息化實現方案

由于管理制度不規范、生產管理與產品供求脫節、各種自動化系統或辦公系統之間缺乏信息共享等因素，導致生產管理成為中小型精沖企業管理的薄弱環節。中小型精沖企業最大的優勢就是管理環節短、市場反應迅速，但同時由于生產管理薄弱又使得生產輔助管理帶有一定的盲目性。雖然市面上有許多面向企業管理的ERP系統，但沒有一款是針對中小型精沖企業的需求開發的。

針對目前中小型精沖企業生產管理和產品供求脫節、自動化系統與管理系統相互獨立、企業信息人工傳遞等問題，我們提出了以訂單管理和精沖成品倉庫管理為核心的企業管理集成信息系統實現方案，達到按訂單組織生產，實現產品“零庫存”或少量庫存，按精沖件數量組織模具制造和模具維修，按訂單數量組織原材料采購等一體化信息管理的目的，從而在最大程度上為企業節約生產成本和運營成本。一個完整的精沖企業集成信息系統的網絡拓撲方案如圖2所示。信息化技術的實施將整體提升公司的管理水平、優化企業運營機制。

精沖企業集成信息系統采用三層網絡架構，能實現以成品精沖件訂單管理和倉庫管理為中心從訂單到精沖產品的全流程信息化管理。

⑴精沖生產現場總線層。現場總線層現地網絡架構實現了信息管理系統與生產自動化系統的集成。一方面信息管理系統通過總線獲取實時生產數據和統計數據，為其他管理提供數據支持；另一方面，生產自動化系統通過現場總線獲取信息管理層的決策數據。1）精沖自動控制系統現場總線控制層主要以多臺帶有現場總線通信模塊的PLC或工控機為控制核心，實現從上料到精沖件產出的精沖生產過程自動化，每臺控制器控制一套精沖設備。同時，控制系統可獲取沖壓產品計數生產數據、液壓系統實時壓力數據等，通過總線模塊上傳至精沖集控工作站。2）精沖集控工作站將生產計數數據進行分類統計，并結合歷史統計數據和實時液壓變化進行模具壽命狀態評估。一方面將實時數據和狀態評估發送至上層網絡為生產決策提供數據支持；另一方面將診斷出的異常結論下發至現地，報警提示操作者同時遠程控制停機，避免異常損失的人為擴大。

圖2 精沖企業集成信息系統網絡拓撲方案圖

⑵模具加工及維修現場總線層。模具加工與維護現場總線層實現了從模具設計到提供合格模具的自動化加工設備、模具加工和維修管理兩個層面的集成化信息管理。1）模具加工與維修管理工作站通過上層網絡信息系統獲取模具設計圖紙，完成模具生產管理，包括數控加工編程、模具加工工藝編制、模具加工過程管理等。2）數控加工中心、線切割機床等自動化機加工設備通過現場總線獲取數控加工程序，完成精沖模具的生產。

⑶訂單管理和成品倉庫管理層。訂單管理工作站和成品倉庫管理是整個集成信息系統的核心和紐帶，它們決定了精沖生產的整個過程。訂單管理是企業生產活動的發起段，而倉庫管理是企業生產活動的最終端。1）訂單管理工作站是企業市場部的入口，也是整個企業生產活動的發起段。根據精沖產品需求和客戶要求交貨周期下發初始生產任務，啟動生產管理程序，同時監控倉庫成品數量，完成產品發貨。2）用戶訂單和倉庫庫存和出庫數量共同決定了模具生產加工的周期和數量、修模的周期、原材料的庫存量及采購周期等。

⑷數據庫服務器。數據庫服務器是整個企業生產經營活動的數據中心，它儲存了企業所有運行數據，包括生產數據、訂單數據、財務數據、客戶數據等重要數據資料，是企業信息系統的核心數據倉庫。為了保證數據安全，數據庫服務器一方面采用了RAID 5熱備份技術，防止突發性硬盤損壞導致數據資料丟失，另一方面采用光盤塔定期自動備份數據，進一步保證數據安全。

⑸文件服務器。文件服務器包含了文件存儲管理服務和應用程序管理服務兩個方面的功能。它一方面管理著整個企業的圖紙、文檔等核心技術資料，采用二級用戶權限管理保障企業知識產權不被惡意拷貝和傳播；另一方面，它提供了所有工作站進行內部網絡訪問和數據處理的交互式應用程序。同樣為了保證資料數據安全，服務器硬件采用了RAID 5熱備份和光盤塔定期備份的雙冗余保護機制。

精沖行業的“云設計”與“云生產”模式

在互聯網飛速發展和物聯網技術逐步成熟的時代背景下，中小精沖企業只有充分依賴精沖領域專家的技術優勢、依托精沖產業圈的整體生產能力、實現精沖行業聯盟，構建精沖“云設計”與“云生產”虛擬技術平臺，突出資源共享，謀求共同發展，才能使得廣大中小型精沖企業在殘酷的市場競爭中立于不敗之地。

基于領域專家的精沖“云設計”虛擬技術平臺

中小型企業存在著技術力量薄弱的天然缺陷，其中模具研發和模具設計人才缺乏是中小型企業面臨的最大難題。在不投入大量資金進行模具研發和模具設計人才儲備的前提下，我們可以借鑒大型跨國公司的“世界工廠”理念，充分吸收社會上“剩余”智力人才，構建“世界設計”的模具“云設計”虛擬技術平臺，在精沖領域專家的智力支持下，將模具設計和研發“剩余”智力人才與中小型精沖企業聯系起來，這樣一方面能快速提高中小型企業的技術水平和研發能力，另一方面也能充分發揮“剩余”智力人才的能力，為我國在精沖領域整體技術水平的提高奠定基礎。基于精沖領域專家的“云設計”虛擬技術平臺的構建方案如圖3所示。

⑴“云設計”虛擬技術平臺運行流程。基于精沖領域專家的“云設計”虛擬技術平臺運行流程如下：1）精沖企業發布招標信息，向平臺管理方繳納保證金；2）精沖模具設計方在平臺注冊，提交資格審查申請；3）領域專家在線進行設計方資格審查；4）設計方在線購買設計標書，上傳設計圖紙；5）精沖領域專家在線進行技術評標、開標；6）精沖企業在線支付設計費用，獲取設計圖紙；7）平臺向設計方支付設計開發費用，并督促設計方提供后續技術支持。

⑵“云設計”管理平臺。“云設計”虛擬設計平臺依賴于廣域網的建立，是精沖企業（技術需求方）、精沖技術設計開發方（技術提供方）和精沖領域專家（技術評判方）的中間紐帶。管理信息平臺是整個虛擬設計平臺的關鍵，必須成立專門的運營管理公司進行平臺的維護和業務流程的監督和管理。同時，精沖領域專家是整個“云設計”平臺實現技術招投標的關鍵評判方，因此還需要精沖技術協會等組織的支持和推薦。“云設計”平臺的構建能使中小型精沖企業實現技術方案的“優中選優”，廣泛集中全體社會智力，從而實現精沖行業整體技術水平提升。

依托精沖產業鏈的精沖“云生產”虛擬技術平臺

企業生產自動化系統與管理信息化系統的建立可以提高企業生產效率、規范企業管理行為，從而整體提升精沖企業的核心競爭力。但是中小型精沖企業面臨著更為險惡的外部競爭環境：為了獲取市場訂單采取的同行價格競爭導致行業利潤整體下降的惡性循環；不可控的原材料價格上漲和下游企業產品壓價進一步壓縮了利潤空間；大型精沖企業的市場擴張以及外資同行企業的強勢介入搶占了更多的市場份額。

采用精沖產品替代普沖產品和部分機加工產品是提升產品質量、降低加工成本的可靠途徑，因此，可以預測未來的汽車、鐘表、軍工等產業的精沖市場會越來越大，而目前我國精沖企業的產能還遠遠不能滿足市場的需求。但是精沖行業的準入技術門檻和員工素質要求相對較高。因此，如何進行整個精沖產業鏈的資源整合，整體提升我國精沖產業的產能和技術水平以應對國際競爭是一個亟待解決的問題。我們認為，在“云設計”虛擬技術平臺的支持下，構建依托于整個精沖產業鏈的“云生產”模式，進一步地細分產業市場，才能在現有條件下提升我國精沖產品產能，從根本上優化精沖產業鏈，提高精沖行業的整體技術水平和生產能力。依托精沖產業鏈的“云生產”虛擬技術平臺構建方案如圖4所示。

圖4 依托精沖產業鏈的“云生產”虛擬技術平臺

“云生產”虛擬技術平臺的核心是“云生產”服務平臺，它是產品需求方、產品供應鏈和技術支持方的中間紐帶和協調中心。“云生產”服務平臺在“云設計”管理平臺的技術支持下，根據產品需求方的具體需求組織模具的生產和研發、原材料的組織和供給、產品的云端生產和物流配送的優化等，從而以最優、最快和最經濟的方式完成產品的生產和供給，從而實現精沖生產單元最小化、運營管理集中化、準入門檻低端化、行業利潤最大化的目標。

“云設計”和“云生產”是一項戰略性系統工程，它的發展將是一個漸進式長期過程，需要“政、產、學、研”緊密結合，共同努力。從實際國情出發，面向未來，采用需求牽引導向，技術融合升級，自主創新研發，應用示范開路的總體指導思想。我們認為在現有條件下“云設計”和“云生產”的實現分成三個主要的模式：1)企業內部的 “云設計”。依賴于廣域網建立，整合企業內外部資源，將“層層上報”的垂直管理模式，變更為“平行管理”，即每一個節點既是任務的執行者，也是任務的發布者，使任務能在多個節點同時展開，提升效率與反應速度。2)企業間的 “云設計”與“云生產”。基于資產互換，實現企業聯合，通過訂單/管理/技術/資源的共享，盤活閑置設備，挖掘企業潛力，實現共贏。3)行業內部的“云設計”與“云生產”。基于利益互換，實現行業聯盟，通過行業的政策指引開拓精沖產品的應用領域，形成新的增長點；分級協作避免惡性競爭，高低組合，應對國際競爭。

結束語

本文全面分析了中小型精沖企業在新形勢下面臨的主要問題和生存發展的瓶頸。針對目前中小型精沖企業生產中勞動強度高、人力成本日益增高的情形，提出以模具保護和精沖件質量為前提的生產工藝過程自動化改造方案，達到提高生產效率、降低勞動強度、節約人力成本的目的，實現企業從勞動密集生產型向產研結合轉化；針對目前中小型精沖企業生產管理和產品供求脫節、模具故障事后維修、企業信息人工傳遞等問題，提出以訂單管理和精沖成品倉庫管理為核心的企業管理信息系統實現方案，達到按訂單組織生產，實現產品“零庫存”或少量庫存，按精沖件數量組織模具制造和模具維修，按訂單數量組織原材料采購等一體化信息管理的目的，從而在最大程度上為企業節約生產成本和運營成本；針對中小型精沖企業模具設計技術力量薄弱的現象，提出了依賴行業專家的“云設計”網絡化虛擬設計管理平臺的思想，期望構建一個模具設計領域專家與精沖生產企業緊密聯系的虛擬設計平臺，實現領域專家“智力”與生產企業“實踐”緊密結合，達到快速提高中小型企業的技術水平和生產能力的目的。

實現生產企業自動化和信息化是企業發展的必由之路，通過自動化和信息化的實施，在技術層面和管理層面上給中小型精沖企業的發展提供了一種新的契機，最終為我國在精沖領域技術水平的提高奠定基礎。