光纖預(yù)制棒智能制造技術(shù)研究與實(shí)踐

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一、背景

對于光纖光纜行業(yè)來說，光纖預(yù)制棒是制造光纖光纜的核心原材料，被譽(yù)為光纖產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”，占據(jù)了光纖產(chǎn)業(yè)70%的價值。近年來，隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃、“一帶一路”和“中國制造2025”等為代表的國家政策層面因素的推動與保障，超大數(shù)據(jù)中心、超級云計(jì)算中心、視頻消費(fèi)飛速增長和移動互聯(lián)網(wǎng)（5G）升級換代等，我國光纖預(yù)制棒行業(yè)保持了較高景氣度，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，供需持續(xù)緊張，這已經(jīng)成為當(dāng)下中國光纖光纜行業(yè)的真實(shí)寫照。

當(dāng)前，我國光纖預(yù)制棒核心技術(shù)工藝及裝備水平已接近美國和日本等國際巨頭，但傳統(tǒng)制造模式無法滿足移動互聯(lián)技術(shù)的爆發(fā)式革新需求，嚴(yán)重制約我國光纖預(yù)制棒行業(yè)的發(fā)展，急需擺脫僵硬的機(jī)械化桎梏。光纖預(yù)制棒行業(yè)傳統(tǒng)制造模式面臨的共性難點(diǎn)在于：

◎ 全合成工藝參數(shù)優(yōu)化與控制難；

◎ 物流運(yùn)轉(zhuǎn)自動化程度低；

◎ 多類型設(shè)備和系統(tǒng)間互聯(lián)互通程度低；

◎ 生產(chǎn)管控智能化程度低。隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，光纖預(yù)制棒行業(yè)普遍認(rèn)識到智能制造是解決上述共性難點(diǎn)的重要手段。

二、基本思路

圍繞光纖預(yù)制棒精益生產(chǎn)制造，運(yùn)用自主研發(fā)的智能化短板預(yù)制棒生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝仿真系統(tǒng)、高精度七軸數(shù)控機(jī)器人系統(tǒng)、智能小車（EMS、AGV和OMV）系統(tǒng)、智能預(yù)制棒參數(shù)檢測系統(tǒng)、原料自動輸送系統(tǒng)、能源智能供應(yīng)系統(tǒng)、廢水廢氣處理系統(tǒng)和環(huán)境管理系統(tǒng)等制造裝備，利用SCADA現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，經(jīng)全光環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，通過無縫集成ERP、MES、PLM和WMS等軟件，在中央集控中心中對光纖預(yù)制棒全生命制造周期集中管理和展示，并對過程工藝研發(fā)和生產(chǎn)過程管控進(jìn)行指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)自動化、管理信息化和管控智能化的預(yù)制棒智能制造。

三、總體框架

光纖預(yù)制棒智能制造主要圍繞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)化、生產(chǎn)自動化、生產(chǎn)信息化和管控智能化進(jìn)行實(shí)施，總體框架如圖1所示。

四、建設(shè)內(nèi)容

以精益生產(chǎn)為指導(dǎo)思想，以互聯(lián)互通為技術(shù)基礎(chǔ)，以數(shù)字化為技術(shù)手段，采用新一代信息通信技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和自動化技術(shù)等技術(shù)，重點(diǎn)提升光纖預(yù)制棒設(shè)計(jì)階段建模仿真、生產(chǎn)階段信息化管控、物流倉儲自動化和質(zhì)量管控智能化等能力，完善光纖預(yù)制棒制造過程管理，實(shí)施系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)管理高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)制造全過程可視化管理，產(chǎn)品信息全流程可采集和可追溯，建設(shè)以高度自動化自主短板裝備為核心的光纖預(yù)制棒智能制造車間。具體建設(shè)內(nèi)容可以概括為以下四個方面。

圖1 光纖預(yù)制棒智能制造總體框架

圖2 工廠總體三維仿真設(shè)計(jì)

圖3 運(yùn)輸過程棒體受力分析

大數(shù)據(jù)分析決策管理平臺

1、設(shè)計(jì)數(shù)字化

應(yīng)用數(shù)字化建模和仿真軟件，對工廠總體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝流程及布局建模和仿真，以及應(yīng)用自主研發(fā)的工藝仿真軟件，對關(guān)鍵生產(chǎn)過程進(jìn)行可視化與工藝預(yù)測優(yōu)化。

（1）工廠布局整體建模仿真

結(jié)合光纖預(yù)制棒生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際要求，運(yùn)用SOLIDWORKS軟件系統(tǒng)對工廠總體三維仿真設(shè)計(jì)，如圖2所示，對相關(guān)設(shè)備和相關(guān)生產(chǎn)場景進(jìn)行仿真建模，分析沉積工藝設(shè)備布局方案對沉積車間物流運(yùn)輸暢通程度、人員工作效率和沉積半成品合格率等方面的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化的布局方案，使芯層和外包層的沉積車間設(shè)計(jì)布局更合理有效。

（2）物流設(shè)備布局及過程受力建模仿真

對光纖預(yù)制棒的芯層和外包層的粉末沉積及燒結(jié)的生產(chǎn)過程，及各個工序的物流對接過程進(jìn)行建模和仿真，評價芯層物流流轉(zhuǎn)順序、步驟、時間以及消耗資源的合理性等。對外包半成品棒在物流運(yùn)輸過程中的速率和受力狀態(tài)等指標(biāo)進(jìn)行建模和仿真，如圖3所示，優(yōu)化整個外包半成品棒流轉(zhuǎn)過程效率和穩(wěn)定性。

（3）生產(chǎn)流程可視化和生產(chǎn)工藝可預(yù)測優(yōu)化

針對光纖預(yù)制棒生產(chǎn)工藝過程中的關(guān)鍵工藝（如芯棒沉積、燒結(jié)和延伸等），借助科學(xué)理論、專家知識和歷史數(shù)據(jù)等，通過自主開發(fā)算法的仿真軟件實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化和可視化，預(yù)測生產(chǎn)效果和優(yōu)化工藝參數(shù)，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

3、管理信息化

2、生產(chǎn)自動化

經(jīng)過多年的技術(shù)積累和攻關(guān)，成功自主研發(fā)光纖預(yù)制棒制造過程中所有關(guān)鍵短板設(shè)備，包括：芯棒自動高速沉積（VAD）設(shè)備、外包粉末棒高速沉積（OVD）設(shè)備、自動化芯棒精密延伸裝備群、自動一體化無氯燒結(jié)脫羥系統(tǒng)，以及一批半成品和成品檢測設(shè)備和系統(tǒng)，包括偏心率測試設(shè)備和高精度玻璃外徑檢測設(shè)備，高精度玻璃折射率檢測系統(tǒng)。此外，通過這兩年的跨行業(yè)探索交流和技術(shù)積累，已完成適用于光纖預(yù)制棒生產(chǎn)的智能物流系統(tǒng)的研發(fā)和試驗(yàn)，主要包括：原料氣體（Sicl4、Gecl4、H2、O2、N2和He等）自動輸送和精密蒸發(fā)系統(tǒng)、六軸機(jī)器人自動裝卸棒系統(tǒng)、沉積-燒結(jié)車間EMS物流銜接系統(tǒng)、芯棒車間EMS物流銜接系統(tǒng)和基于機(jī)器視覺的七軸機(jī)器人智能運(yùn)輸&棒料立體升降系統(tǒng)。通過上述智能物流系統(tǒng)的批量化應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)制造過程中物料和半成品配送過程高度自動化和智能化?？傊?，預(yù)制棒生產(chǎn)、檢測、流轉(zhuǎn)裝備和裝置的高度自主化為建設(shè)高度一體化和集成化的智能制造車間奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，更為車間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和大數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺建設(shè)提供了必備條件。

圖4 互聯(lián)互通基礎(chǔ)架構(gòu)

圖5 大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)互聯(lián)互通

整體采用三網(wǎng)分離中心集中的設(shè)計(jì)原則，建設(shè)三張獨(dú)立的物理承載網(wǎng)絡(luò)，以承載不同的業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)集中到數(shù)據(jù)中心（互聯(lián)互通基礎(chǔ)架構(gòu)如圖4所示），面向整個工廠提供業(yè)務(wù)服務(wù)：①廠區(qū)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)分為安防監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（周界安防與視頻監(jiān)控聯(lián)動和門禁系統(tǒng)）；②辦公網(wǎng)絡(luò)（承載廠區(qū)有線、無線通信數(shù)據(jù)及語音等業(yè)務(wù)，例如，OA、Email、IP電話和會議等業(yè)務(wù)）；③設(shè)備專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（用于自身生產(chǎn)系統(tǒng)使用），整張網(wǎng)絡(luò)均采用成熟的IP技術(shù)組網(wǎng)，采用二層分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過交換機(jī)虛擬化集群技術(shù)及防火墻等設(shè)備邏輯上實(shí)現(xiàn)相互隔離，整張網(wǎng)絡(luò)通過裸光纖鏈路互聯(lián)。

（2）大數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺

大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺提供120Tb存儲空間，各臺服務(wù)器通過萬兆以太網(wǎng)互聯(lián)，形成多機(jī)冗余系統(tǒng)架構(gòu)，保證平臺的可靠穩(wěn)定運(yùn)行（平臺架構(gòu)如圖5所示）。平臺支持高可用、可存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)、視頻和圖片等，可對計(jì)算資源和內(nèi)存資源進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度，支持基于分布式內(nèi)存進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析計(jì)算，支持對大數(shù)據(jù)平臺的綜合管理。數(shù)據(jù)平臺內(nèi)部按照業(yè)務(wù)分類和安全要求劃分分區(qū)（安防監(jiān)控服務(wù)區(qū)、辦公服務(wù)區(qū)和設(shè)備專網(wǎng)服務(wù)區(qū)）。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲等均在各自分區(qū)內(nèi)完成。

（3）異構(gòu)系統(tǒng)集成

MES（系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示）與SCADA系統(tǒng)集成：SCADA監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測各個生產(chǎn)過程中的流程參數(shù)（如環(huán)境溫度、濕度、沉積腔溫度和壓力和報(bào)警信息等）及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)（生產(chǎn)、待機(jī)和故障等），MES獲取這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后可以對生產(chǎn)過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)、分析和管理。

MES與PLM系統(tǒng)集成：MES從PLM系統(tǒng)中獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)圖紙、材料和工藝文件等信息，這些信息可以在MES系統(tǒng)中瀏覽查詢。

MES與ERP、WMS系統(tǒng)集成：在生產(chǎn)、物流、倉儲管理、財(cái)務(wù)和質(zhì)量管理等方面通過ERP/WMS系統(tǒng)進(jìn)行管理，MES系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)過程管理和監(jiān)控。為了使MES信息化系統(tǒng)更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，減少操作人員的手工錄入數(shù)據(jù)的工作，減少人為失誤，需建立完整的生產(chǎn)過程信息互通，在兩個系統(tǒng)之間通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸共享。

圖6 MES 系統(tǒng)架構(gòu)

圖7 中央集控可視化框架

（4）中央集控系統(tǒng)建設(shè)

中央集控系統(tǒng)主要采用先進(jìn)的超高分大屏幕顯示技術(shù)、可視化控制技術(shù)和系統(tǒng)信息集成技術(shù)等，對工廠生產(chǎn)和經(jīng)營的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行全局掌控（中央集控可視化框架如圖7所示），提供一個集展示、監(jiān)控、分析和決策于一體的可視化功能平臺。

4、管控智能化

管控智能化主要涉及設(shè)備、質(zhì)量、物料、能源、生產(chǎn)和績效等十個方面（均有軟件模塊對應(yīng)），各個方面均可在PC客戶端、移動終端和現(xiàn)場看板進(jìn)行視化管理，實(shí)時反應(yīng)生產(chǎn)情況，通過可視化界面可快速找到發(fā)生異常的部位，及時作出響應(yīng)。此外，可視化監(jiān)控設(shè)計(jì)有操作指差確認(rèn)功能，可有效避免人員誤動作。

（1）設(shè)備管理：記錄設(shè)備臺賬、監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)、建立設(shè)備維修計(jì)劃和維修記錄、對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時和歷史分析并通過數(shù)據(jù)進(jìn)行故障智能診斷；

（2）質(zhì)量管理：建立質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、判定質(zhì)量狀況、對庫存進(jìn)行復(fù)檢、分析質(zhì)量事故、追溯質(zhì)量問題、將質(zhì)量信息記錄檔案、通過質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)和分析以及在質(zhì)量問題異常時進(jìn)行超限預(yù)警；

（3）能源管理：在線監(jiān)視能源使用狀況、通過能耗分析合理配置能源實(shí)現(xiàn)能源平衡、對能源使用進(jìn)行有效預(yù)測、定制能源計(jì)劃、計(jì)算能源成本和管理生產(chǎn)排放；

（4）車間實(shí)績：查詢作業(yè)指令、跟蹤生產(chǎn)狀況、記錄交接班信息、記錄生產(chǎn)績效和統(tǒng)計(jì)車間績效；

（5）物料管理：管理庫存、管理倉儲收發(fā)、動態(tài)盤點(diǎn)庫存、物料跟蹤管理、裝置投入產(chǎn)出管理和產(chǎn)品收發(fā)存；

（6）工藝管理：管理生產(chǎn)工藝指標(biāo)、分析指標(biāo)執(zhí)行狀況、操作規(guī)程分析和管理圖紙文檔；

（7）生產(chǎn)計(jì)劃管理：編制生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃、跟蹤生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況和優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃；

（8）生產(chǎn)調(diào)度：監(jiān)視生產(chǎn)狀態(tài)、分析生產(chǎn)狀態(tài)、管理調(diào)度指令、優(yōu)化調(diào)度管理和管理作業(yè)指令；

（9）生產(chǎn)平衡：平衡預(yù)制棒收發(fā)、平衡裝置投入產(chǎn)出、平衡倉儲收發(fā)存和平衡測線組收發(fā)存；

（10）分析模塊：①通過將生產(chǎn)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)納入到系統(tǒng)里，改變源數(shù)據(jù)分散并且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀；②對實(shí)時生產(chǎn)中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合利用，為生產(chǎn)管理層提供所需信息；③加強(qiáng)生產(chǎn)過程監(jiān)控，使生產(chǎn)管理工作做到可追溯和可考核；④對生產(chǎn)過程中裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)控與分析，及時發(fā)現(xiàn)并處理問題；⑤對比生產(chǎn)歷史產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性能指標(biāo)的變化趨勢，利用智能算法找出生產(chǎn)瓶頸，提出解決方案，優(yōu)化生產(chǎn)，提高效益；⑥通過對大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)等智能制造技術(shù)在生產(chǎn)物流環(huán)節(jié)的集成應(yīng)用實(shí)時調(diào)整生產(chǎn)，達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)控制狀態(tài)。

五、建設(shè)成效

通過光纖預(yù)制棒智能制造車間技術(shù)的實(shí)施，可顯著提升企業(yè)的數(shù)字化、自動化、信息化和智能化水平，提高光纖預(yù)制棒生產(chǎn)制造過程質(zhì)量控制能力，可使光纖預(yù)制棒生產(chǎn)制造全過程端到端得以打通，降低溝通成本，減少重復(fù)勞動，提升業(yè)務(wù)運(yùn)作效率，可使生產(chǎn)制造全過程進(jìn)度信息流和實(shí)物流一致，進(jìn)度可控，可有效提升生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率和產(chǎn)品良率穩(wěn)定性水平。

通過光纖預(yù)制棒智能制造技術(shù)應(yīng)用，我公司已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提高25.7%，運(yùn)營成本降低24.5%，產(chǎn)品升級周期縮短40%，產(chǎn)品不良品率降低24.6%，單位產(chǎn)值能耗降低12.1%，項(xiàng)目實(shí)施前后的成效指標(biāo)對比如表1所列。

表1 項(xiàng)目實(shí)施前后成效指標(biāo)對比