數字化工廠建設內容分析與實踐

王紹剛，楊 軍，白晉成

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

數字化工廠是近幾年隨著國家2025 戰略、國際5G 發展戰略等方向指引下整個制造產業轉型升級的發展方向，主要內容就是通過數字和智能制造作為關鍵技術應用到數字化工廠，是現代工業化和信息化融合的信息體現，也是實現智能化制造的必經之路。

在數字化工廠的建設過程中，包含了軟件和硬件兩個方面的內容，互為支撐，互相推動。軟件數字化，主要的建設內容為車間上網，設備物聯，管理軟件平臺等。硬件數字化，設備PLC 控制，具備網絡接口并開發，設備運行中的參數和狀態信號可通過物聯網實現數據采集。現場具備智能化終端，現場人員可通過終端實現信息的接收和反饋，實現現場無紙化。

數字化工廠模式模型如圖1 所示。本文分析了目前數字化工廠建設中存在的現場執行層面信息收集的問題，針對性地開發出智能單元系列軟件，解決了鑄造企業數字化工廠建設中的短板。

圖1 數字化工廠模式模型

1 數字化工廠建設存在的問題

分析國內數字化建設現狀，在公司和車間等層面，近幾年ERP、PLM、MES 等行業內專業制造執行管理系統軟件發展迅速，并得到了大量廣泛的實施和應用，很大程度上提高了我國制造業企業（包括一些先進的鑄造工廠）的現代化管理水平和數字化能力。

數字化工廠建設車間現場的建設尤為重要，但在現場執行層面，目前依然存在很大的問題，也影響了數字化工廠實施不能落地，主要表現在以下幾個方面：

1）設備物聯不具備條件。在中國40 年的改革開放過程中，從一個工業基礎差到世界制造大國的建設過程中，幾乎快速走過了西方國家100 年的發展歷程。這一點從現場的裝備設備就可以看出端倪，大部分傳統車間內即存在幾十年前的普通設備，也存在最新的數字化設備，這是一個發展積累的過程結果。而針對傳統的普通設備要實現數字化工廠的使用要求，就必須進行改造，而大部分是不具備這樣的改造價值的?；蛘哒f拿出一筆錢對傳統設備進行這樣的改造對大多數老板來說是不能接受的。

2）車間人員沒有一個應用或者融入數字化工廠建設的平臺。目前市場上大多數軟件都是針對技術管理人員崗位需要而開發使用的，因此習慣上大家都會把這些軟件統稱為管理軟件。而作為工廠車間占比最大的現場技術工人們，卻缺少這樣的平臺，替代現場為滿足管理需求而進行的部分工作內容。比如生產技術管理要求信息的接收、現場執行完成情況的反饋等。

3）一線信息的真實準確的收集。傳統的管理方式，很多的一線生產信息都是要通過人工整理匯總后二次處理傳遞給更高層的管理人員或需求業務人員。造成這一現狀的原因主要有兩個方面的影響，一是傳統生產管理方式，很多信息都是線下的，是通過人工去記錄統計的；二是過去常說的軟件“孤島效應”，各個功能軟件之間沒有有效打通，數據就不能及時共享。綜合分析，解決現場數據信息收集等問題是鑄造等傳統企業數字化工廠建設中的短板和關鍵。

2 鑄造數字化工廠的建設方案

2.1 鑄造數字化工廠功能架構

結合鑄造行業特點，鑄造數字化工廠功能架構分為公司管理系統、車間制造系統（包括現場工序單元層）和信息基礎設施系統。其中車間制造系統的生產現場，按工藝工序的設計內容，科學的分解為成形、熔煉、精整、加工等多個獨立的生產工藝階段，解決了生產過程中信息傳遞的銜接。在不同的階段應用不同的信息字段設計，既可以使信息唯一統一，又可以把不同的階段的信息，通過軟件程序的邏輯很好的銜接起來。鑄造數字化工廠功能架構如圖2 所示。

圖2 鑄造數字化工廠功能架構圖

2.2 開發智能單元系列軟件，實現工序信息互聯互通

針對生產車間各工序現場信息的準確和快速收集問題，結合鑄造企業各工序的特點，智能鑄造產業創新中心開發出智能單元系列軟件。智能單元軟件上面承接MES 軟件下達的生產計劃，并以生產計劃為主線條串聯起生產所需要的物料、工藝、質量、設備等知識信息。向下通過物聯網連接現場設備或數字化檢測儀器，提取相應需要控制和記錄的過程參數?；蛘咧悄芷脚_開放面對操作者，提供一個操作者可以錄入現場信息的窗口，間接達到記錄現場過程參數結果的目的。

在智能單元中，根據現場一線員工的需求，通過系統大數據的篩選，將當前計劃的傳達到一線，供其所用。

隨著智能化數字化設備的大量應用，為現場生產指令和生產結果都可以通過網絡的方式實現自動信息傳遞變為了可能。但現場化的生產，為了滿足市場的多樣性需求，大量存在著這種小批量、多品種的生產企業。這些企業由于產品工藝多樣性的影響，如要實現這種數字化工廠的需求，則其投入和要求都要比傳統的流水線生產復雜和投入更多。

結合現場實際情況和數據采集的需要，針對性的對每一個數據類別進行單獨的分析處理，在現場設備層功能支撐的前提下，盡可能實現自動或半自動采集，通過軟件邏輯層的處理，使這些基礎數據和上層軟件需求數據能夠一一對應起來，實現數據信息的互聯互通、共享和應用。

通過制造系統層面中設立一個單元級的軟件層，可以通過軟件層的邏輯辦法對底層的數據進行梳理篩選，保留有用的數據提供上層應用，又可以解決數據采集的及時性和準確性，促進了鑄造企業數字化工廠的建立及有效。

2.3 數字化鑄造工廠的應用實例

以熔煉工廠的數字化建設內容，進行實施實例說明。

數字化工廠的建設一定是建立在整個公司統一框架下的統一籌劃和統一建設，而不是獨立的、脫離于公司上層管控的一個信息孤島。通過接口技術，實時傳遞軟件間信息數據。

單元層主要包含了兩方面的內容，一是自動化設備，主要由單元自動加料設備、加料車、電爐、球化孕育站、自動澆注機等設備構成。二是熔煉單元管理與控制系統，控制單元設備運行、接收生產計劃、管控過程質量、實現成本、設備、環境安全、材料、各類統計報表等的管理。具體內容和雙下層信息相關流轉見圖三（熔煉數字化功能架構圖）所示。

梳理整個過程，主要有以下幾個節點：計劃下達、熔煉開始、加配料、取樣對比、過熱出鐵、變質澆注、成本管理等內容。

計劃下達通過系統匯總的計劃信息和前序報工結果，可以實現現場實時的計劃內容調整，更加符合現場實際的需要。

熔煉開始，系統自動及時，控制各個階段的運行時間，結合現場設備的自動化運行，有效控制整個澆注過程的時間效率，保證時間控制參數符合工藝設計要求。

加配料結合工藝設計的配料料方和現場自動化運行，有效控制每種配料占比符合工藝設計要求，這樣即保證了材質的控制質量，也提高的生產效率。

取樣對比，聯網金相室和現場檢測設備，使檢測數據通過系統進行傳遞，保證檢測數據第一時間反饋現場，這也為現場根據質量結果控制過程提供了執行基礎。

過熱出鐵，對溫度的控制通過現場測溫槍數據的采集，自動關聯控制設備進行下一步的動作。

變質澆注也是通過自動化和參數系統控制，來實現工序內容的標準化，以提高這一內容的質量水平。

圖3 熔煉數字化功能架構圖

成本管理，過程中各種消耗、各種原材料都通過系統采集了一線的實際準確數據，這樣就可以準確及時反映現場現場的成本費用，統計分析更準確，也更及時。

通過這樣的建設，減少了現場操作工的記錄和調整工作，強化了按工藝設計執行和記錄的系統管控，對整個熔煉過程的效率和質量都發揮了很大的推進意義！

3 結束語

針對鑄造企業的特點和數字化建設中存在的問題，構建了數字化工廠建設的功能架構，開發出智能單元系列軟件，促進了數字化鑄造工廠的建設。通過多個項目的實踐證明，此方案能很好的解決當前數字化智能化建設當中遇到的系統與底層數據脫離，真正大部分產生數據的群體卻沒有輸入數據信息平臺的現實問題，也提高了現場的工藝執行率和信息傳遞及時率，也就提高了現場的工作效率和質量。