基于全壽命周期成本理論的炭塊質量追溯標識系統研發設計

文/王 冉 韓 棟 王興濤

引言

“中國制造2025”規劃指出，要實施覆蓋產品全生命周期的質量管理、質量自我聲明和質量追溯制度，保障能源產品質量安全。煤炭作為能源資源之一，建立健全質量追溯體系，實現炭塊產品全生命周期質量可追溯是行業產業升級的必然要求[1]。

陽極炭塊生產工藝流程較長，期間工藝參數調節和質量控制點較多。傳統采用粗放式生產質量管理，給產品質量管理帶來很大難度，對炭塊質量進行精細化管理是當前炭素生產工廠比較迫切的問題。亟需一套系統能實現碳塊的打印及定位跟蹤，實現全壽命周期管理。

1、產品質量追溯概述及研究現狀

國際標準化組織將可追溯性（Traceability）定義為“追溯客體的歷史、應用情況或所處位置的能力，根據產品的特點采用合適的標識方式，以達到對產品標記，從而追溯產品的設計生產過程、使用情況和所處空間的能力”。在質量管理中通常采用對需要追溯的產品進行有效標識，方便追查其設計、加工、存儲和銷售等情況。當產品出現質量問題時，為查找質量原因提供數據。質量追溯（QualityTracking）是以質量管理為目的的產品追溯，是質量追蹤和質量溯源兩個概念的綜合[2]，其中追蹤是指從供應鏈上游向下游進行的質量跟蹤，一旦上游發現質量問題，能夠快速定位質量問題的影響范圍；溯源是指從供應鏈下游向上游進行質量溯源，一旦下游發現質量問題，能夠快速尋找質量問題的根源。

2、基于LCC 理論的炭塊質量追溯概述

炭塊全生命周期管理與質量追溯系統基于鋁用焙燒陽極炭塊從原材料、煅燒、混捏、成型、生塊入庫、編組、焙燒、解組、熟塊入庫、熟塊出庫陽極炭塊全生命周期管理，以及擴展延伸至陽極組裝、陽極導桿、電解換極、電解過程管理、殘極下線等炭塊及陽極導桿電解過程管理。

炭塊振動成型出水后，系統對炭塊進行打標，對每一塊生塊按照編碼規則生成唯一性ID 標識，在炭塊全生命周期內，本ID 標識具有唯一性，在全生命周期內可以對此唯一ID 信息進行相關生產、質量、過程等信息的查詢功能[3]。系統產生的ID 標識可以在后期擴展，與其他智能系統、計質量管理系統、生產管理系統，進行對接。

3、炭塊質量追溯影響因素信息分析

炭塊的形成過程可分成兩個階段：設計階段和制造階段。目前我國的大部分炭塊制造企業還處于供應鏈的上游。統計數據表明有超過一半的質量問題是由產品制造過程造成的。因此炭塊制造企業制造階段的質量追溯就是對從原材料采購到產品交付的整個過程的追溯。質量追溯對象可以將劃分為3 大塊：采購件質量信息，產品工藝信息，加工制造過程信息。

3.1 碳塊采購質量信息

采購件質量信息采購件包括原材料、標準件等。采購件的質量對產品最終的質量有著決定性的影響，一旦采購件出現質量問題將導致最終成品出現更大的質量問題。因此，企業應對采購件質量嚴格把關。采購件質量信息的追溯對象主要是指對采購件的來源、質量情況等信息。

3.2 碳塊工藝信息

碳塊工藝信息是指產品工藝設計過程中產生的信息。工藝設計是產品設計與產品制造的紐帶。工藝設計過程包含了產品制造所必須的物料、工藝路線、工序參數等信息的確定。工藝文件是工人生產的最重要的質量文件，是按照圖紙上的要求把原材料加工成滿足客戶需求的產品的保障。好的工藝文件可以將制造成本降到很低，仍然可以生產出滿足客戶要求的合格產品。然而一旦工藝設計出現問題，將造成成批的產品出現質量問題，給企業造成巨大的損失。

3.3 碳塊制造過程信息

在產品制造過程中影響產品質量的因素有很多，具體來說主要有:人、機、料、法、環、測,簡稱為“5M1E”[4]。企業只有在生產加工過程中如實地記錄下這些信息，當產品發生質量問題時，才能如實還原出問題產品加工時的實際車間生產情況，分析產品實際加工情況，找出問題原因，實現產品質量追溯。因此產品制造過程信息是質量追溯信息的重要組成部分。產品加工過程中會有大量的質量信息產生，這些信息將會被記錄在不同的質量文件上。如采購件的質量信息就記錄在來料檢驗記錄表、來料檢驗報告、外協申請入庫單等記錄上，企業通過對這些記錄的查詢可以追溯到采購件的供應商（外協加工商）信息、采購件質檢信息、采購件屬性信息等；產品工藝信息主要記錄在工藝過程卡等文件上，企業通過對這些文件的查詢可以追溯到產品的每步工序的具體內容、工藝的制定人和審核人等信息。產品的制造過程信息主要記錄在施工記錄卡和首檢、自檢、巡檢、終檢記錄上，企業通過對這些記錄的查詢可以追溯到產品加工過程中的具體工人、車間、加工設備和夾具量具等信息[5]。及時完整地填寫質量文件是實現產品質量追溯的第一步，要實現產品質量追溯還需要利用批號將全部質量信息串聯起來，形成完整的質量信息鏈條，企業獲得質量信息鏈條的任意一點批次信息，就可以通過向后溯源找到該批次產品制造階段所有的質量信息，還原出該批次產品的實際加工過程，找出引發質量問題的零部件或原材料批次。然后按照批次清單向前追蹤使用了問題原材料或零部件的產品批次，劃定質量問題范圍，提前采取措施解決質量問題。因此，為了保證質量數據的精確性，企業需要合理設計質量文件，利用批次信息將質量文件上的質量信息串聯起來，組成完整的信息鏈條。質檢工人需要按照要求及時、有效地填寫全部質量文件。

4、炭塊質量追溯系統設計

4.1 系統實現目標

考慮到質量管理信息系統的建設既要對原有的質量管理流程進行信息化，也要對存在的問題質量管理流程進行優化，針對碳塊制造企業在質量管理中存在的問題和對質量管理信息系統的設計要求，質量管理信息系統需實現如下目標：

1）質量管理過程制度化、規范化。識別質量管理工作過程與各個過程之間的關系與相互作用，優化問題過程，做到管理過程的制度化和規范化。

2）實現質量信息在部門之間共享。

3）減輕質量工人工作量。質量工作人員通過質量管理信息系統對質量數據進行高效、實時的采集，然后利用系統對質量數據進行統計分析，減輕質量工作人員的統計和整理工作。

4）為企業決策者提供決策依據。分析質量數據，為企業質量改進和質量預防工作指明方向，查找質量問題產生原因，實現產品質量追溯。

4.2 炭塊質量追溯系統結構

系統核心是設計一套系統，能實現炭塊的激光打碼和炭塊定位。炭塊自動定位系統

用于在打標環節的產品精準定位，提高作業精度。炭塊自動標示系統即從生塊成型后即進行唯一性編碼。電氣控制系統及采用PLC 集中控制，實現炭塊的激光打印。系統對應硬件打印設計模型如圖1 所示，三個部分分別為激光打碼模塊、炭塊定位模塊及電氣控制模塊。

圖1 炭塊質量追溯系設計模塊

4.3 炭塊質量追溯系統界面設計

該系統通過控制模塊實現打碼速度、打碼深度，字體線條寬、炭塊對焦、伺服模組運動方向、激光測距等調控，并考慮特殊使用環境，例如冬季現場出現水霧時，可輔助激光測距實現自動對焦等功能。本系統采用數字雙胞胎技術，實現虛擬生產與實際生產的完美展現，使數據流完全反映實際生產狀況。虛擬生產與實際生產數據相互嚙合。根據生產數據，配合其它相關生產管理系統，可實現精益化生產，并可根據虛擬生產數據指導生產過程工藝參數持續優化。下圖是本設計系統對應的軟件應用界面，詳見圖2。

圖2 炭塊激光蝕刻操作界面設計

4.4 系統質量管理與生產過程數據交互

本設計采用激光蝕刻技術對炭塊進行ID 號碼標識，表面光潔漂亮，標識規整統一。通過本系統，可以對產品質量進行全生命周期及全流程的管理，可以管理到每一塊炭塊的生產工號、生產日期、生產工藝參數、生產責任人、生產設備號等，從而可以更加優化生產要素，使產品質量進一步提高。通過本系統，可以對產品的原材料進行追溯，嚴把質量源頭，使產品質量得到保障。通過本系統后期使用效果的反饋，可以對本系統的整個生產流程進行追溯，找出問題根源，包括對物料、工藝參數、設備、人員等生產要素的分析與考核，配合管理流程，達到精益化生產和持續改進的目的。

5、炭塊質量追溯系統的實現

5.1 系統參數設計指標

考慮應用環境多處于復雜環境，系統工作環境溫度設計范圍：-30～70 攝氏度。系統工作電壓為220V，打標線速不大于8000m/s，雕刻深度：1.2mm

5.2 電氣控制系統的實現

電氣控制系統采用西門子S7 系列PLC 對整個系統的檢測、測量、控制、IO、通訊等進行管理，系統設計預留擴展接口3-4 個，可與其他生產管理系統對接；

電氣元器件均需采用國標產品。防護級別為IP56，國標2mm 厚度，雙層柜門設計。多套系統可在多個炭素生產車間使用，電氣系統防護等級及安全可靠性得到驗證。

5.3 定位系統設計的實現

采用機械定位方式，對生產線上的炭塊進行定位。炭塊到位后，通過機械結構頂升，對炭塊進行定位。軟定位通過控制打標機構振鏡運動使加工對象與加工內容（圖形或文字）保持和相對靜止狀態下所能達到的加工效果。人眼看到的效果就是產線上連續移動的產品被固定不動的雕刻機構打上標識，形成不等待打標。

流水線連續模式：在飛行標刻中一般我們使用光電開關作為傳感器檢測打標對象，有時會出現光電開關一直處于檢測到物體的狀態（打標機標刻完全部內容后，物體還沒有移出光電開關監測點），即光電開關一直返回一個高電平信號，這時就需要我們通過程序控制激光器的出光條件。未在程序中設置此項時，軟件接收到持續的高電平信號時控制激光器只出光標刻一次，即只標刻打標對象一次，需要在中間間隔一個低電平信號才會第二次出光。當在程序中設置此項時，對于持續的高電平信號，激光器會反復標刻打標對象，直到高電平信號消失。

圖3 炭塊定位系統設計

5.4 追溯系統軟件模塊的設計實現

本系統編碼形式采用ID 編碼形式。

雕刻設備的組成：控制系統、計算機控制系統、光學系統等

控制器：

控制系統控制整臺設備的運行，包括對光學系統部件、冷卻系統的供電及控制，報警系統的控制及指示。

計算機控制系統：計算機控制系統包括計算機、D/A轉換接口電路和打標控制軟件。D/A 轉換接口電路將計算機發出的數字信號轉換為模擬信號，驅動光學系統部件按照打標控制軟件所設定的參數動作，發出脈沖激光，從而將所要標記的內容精確地刻蝕在加工對象表面。打標控制軟件以 WINDOWS 系統為操作平臺，全中文接口，可兼容AUTOCAD、CORELDRAW、PHOTOSHOP、CAXA 等多種軟件輸出的文件，可進行條形碼、二維碼、圖形文字等打標，支持 PLT、PCX、DXF、BMP 等檔格式，直接使用 SHX、TTF 字庫，能夠自動編碼，打印序列號、批號、日期等。軟件界面模塊設計如下：

（1）文檔菜單：對該打印文檔進行了新建、打開、另存為、保存等設計；

（2）編輯菜單：進行了復制、多重復制、重做、群組/分離群組、組合/分離組合、陣列、填充、對齊、分布/排序等設計；

（3）設置菜單：對激光校正、振鏡、紅光預覽、激光測試、激光參數、光纖激光器、YAG 激光器、IO 配置、告警配置、默認協議、權限等設計；

（4）對象列表：對資源管理、工具欄、時間、日期、文本、序列號、條形碼/二維碼、直線.、矩形、橢圓、矢量圖、組合文本、靜態文本、日期、掃描槍、序列號、數據庫、換行符、掛接文本、隨機碼、圖片、延時器、數據庫、VIN 碼、刪除、撤銷、登錄等設計；

6、碳塊追溯系統應用案列

本系統自動化程度高，全程不增加人工操作工位。在河南S 廠進行了現場可行性應用。炭塊全生命周期管理與質量追溯系統設計采用全程無人化設計，即整個流程無需增加人力崗位，也無需增加相關人員工作勞動量，全程采用自動控制。通過實驗，驗證了本系統的可行性，能滿足行業針對碳塊管理需要。

圖4 炭塊激光蝕刻應用效果圖

7、結束語

目前國內碳素廠普遍采用機械打碼或人工更換碼頭進行標識，安全隱患大、信息記錄不全及故障率高等特點，采用激光自動打碼技術可徹底解決以上難點，同時為企業實施MES（生產執行系統）提供了工具，企業能實現車間生產計劃和調度、生產任務查詢、生產過程監控、智能數據采集、質量檢測與控制、物料跟蹤、原輔料消耗控制、車間考核和管理、統計分析、人力資源和設備管理等功能，徹底幫助企業改善生產現場管理的暗箱操作，提升企業質量管控水平，創造經濟效益。