智能制造助推計量儀器行業高質量發展

王瓊彥，葉 炎

（1.沁水縣綜合檢驗檢測中心，山西 沁水 048200；2.北京康斯特儀表科技股份有限公司，北京 100094）

0 引言

進入21 世紀以來，在經濟全球化和社會信息化的背景下，國際制造業競爭日益激烈，對先進制造技術的需求更加迫切。黨中央、國務院審時度勢提出了制造強國戰略，印發實施《中國制造2025》（國發〔2015〕28 號），以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，明確把智能制造作為主攻方向，實現制造業由大變強的歷史跨越。隨著“工業4.0”和“中國制造2025”等概念深入人心，制造業向智能化方向發展也是大勢所趨，成為制造業在第四次工業革命的必然選擇。作為制造業當中的基礎性支柱產業，計量儀器行業無疑將走在智能化的前列。目前，智能化主要表現在三大方面。第一是生產智能化，引入先進的生產技術，提升儀器生產效率，不斷向智能化過渡，并最終實現生產自動化、信息化、智能化；第二管理智能化，利用管理軟件使企業管理更加高效和科學；第三是儀器儀表產品本身的智能化，主要表現是基于計算機技術、大數據技術和人工智能等新技術的應用，實現儀器智能化。未來，智能儀器將大大解放用戶的雙手，自動完成數據采集、運算、統計、處理，以及數字圖像的處理。

圖1 數字化車間總體設計圖Fig.1 Overall design of the digital workshop

1 我國計量儀器制造企業智能制造情況

我國計量儀器制造企業主要有：北京康斯特儀表科技股份有限公司（以下簡稱北京康斯特）、廣東香山衡器集團股份有限公司、杭州先鋒電子技術股份有限公司和深圳市鼎陽科技股份有限公司等數十家企業，多數企業圍繞“制造”向“智造”轉型升級的需求，先后開展了智能化改造。

以北京康斯特為例，繼2016 年成為工信部國家智能制造試點示范后，持續實施著價值鏈的數字化和網絡化，2018 年又被工信部授予制造業單項冠軍示范企業。圍繞智能制造改造，康斯特結合具體業務制定了相關戰略，并組建了專業的智能智造團隊。先后完成了數字化加工中心、數字化組裝中心和數字化發貨中心的建設，并實現生產過程信息可視化。開發和使用備貨系統、發貨系統、ERP 系統和MES 軟件實現生產和企業管理數字化。精益的管理縮短了計量儀器的生產周期，提高了資金周轉率，加快了高附加值產品的導入速度，也促進了公司產品質量的提升。

2 生產智能化和管理智能化已經實現

圖2 數字化加工中心Fig.2 Digital machining center

在計量儀器制造過程中，產品的生產環節、出廠檢驗環節和生產管理過程環節等方面是實施智能化改造的重點。計量儀器智能化改造則需要以下核心裝備：工業軟件及工業互聯網系統、高檔數控機床和工業機器人、智能化高效率強度及疲勞壽命測試與分析裝備、智能化標定和檢測裝備，以及智能物流倉儲裝備。其中，軟件方面：設計和工藝仿真軟件不僅應用于研發環節，還可以直接使用在機械加工環節；控制軟件則集成于大多數智能制造裝備中，起到安全可靠的控制作用；業務管理軟件常使用制造執行系統（MES）、企業資源管理軟件（ERP）、供應鏈管理軟件（SCM）等；數據管理軟件包括了嵌入式數據庫系統與實時數據智能處理系統、數據挖掘分析平臺等。智能制造裝備和工業軟件近年來迅猛發展，并逐漸實現了國產化。

目前，我國主要計量儀器制造企業已經實現生產智能化和管理智能化。以北京康斯特為例，數字化加工中心采用數碼大方CAXA 工藝解決方案，其適合于制造業中所有需要工藝卡片的場合，重點解決企業工藝編制效率低、信息統計匯總難的問題，通過CAXA 工藝解決方案將企業工藝信息規范化。CAXA 工藝圖表打造了全新的工藝編制軟件平臺，具有多文檔、多環境的特點，使用戶在編制工藝文檔或繪制工裝圖紙時更加流暢、自如，而且依據中國機械設計的國家標準和使用習慣，提供專業化的強大功能，并且提供標準、規范的工藝模板、工藝資源知識，將繁重的工藝工作變得簡單輕松。其與CAD 軟件無縫集成，非常方便智能。加工中心使用MES 軟件管理50 臺數控加工設備，通過加工代碼管理、設備通信、信息采集以及統計分析，為車間排產、調度提供數據支撐，提高設備綜合利用率，最終實現了車間生產無紙化，排產自動化，過程可視化。

圖3 ConST9000壓力自動標定系統Fig.3 ConST9000 Pressure automatic calibration system

壓力計量儀器在傳統生產工藝環節完全依靠人工進行，產品質量只能靠人的技術水平來保證。經過智能制造改造后，在壓力智能檢測環節，壓力自動標定系統取代了人工用于智能壓力儀器的老化測試過程。ConST9000 壓力測試標定系統，可以提供從微壓60 Pa 到高壓280 MPa 的全自動壓力源，配合恒溫箱實現應力老化和高低溫老化同時進行。這是智能壓力儀器生產過程中的核心工藝，實現了智能化疲勞測試。此外，ConST9000 壓力自動標定系統采用壓力標準器作為測試標準，通過系統測試軟件完成數據自動采集，最終可以完成傳感器自動篩選，壓力數據標定，數據自動存儲等工作。

壓力計量儀器作為計量標準器使用，其長期穩定性和可靠性一直是考核質量的重點。以往產品的穩定性和可靠性無法在生產環節進行測試和衡量，只能依據JJG875 數字壓力計檢定規程的要求定期送檢，才能進行判斷，而此時產品已交付給用戶使用一段時間，這樣一旦有問題必然帶來大量的服務工作量，產品質量也無法保障。ConST9001智能化壓力等級分選測試系統，通過自動采集壓力計量儀器的數據，并進行科學系統的分析，從而完成了在企業生產環節對壓力計量儀器的等級分選工藝，最終將穩定性和可靠性無法達到要求的產品篩選出來，進行降級處理。這也是首次實現穩定性的自動評價，大幅提升了產品質量，贏得了客戶的口碑。

在出廠計量環節，ConST800 壓力全自動檢定校準系統取代了活塞壓力計、數字壓力計、精密壓力表等組成的標準設備，計量人員只需要將壓力計量儀器安裝在連接臺上，利用系統軟件實現快速檢測，并自動出具檢測記錄和證書，其效率是傳統檢測方法的5 倍以上。計量數據可直接出具出廠檢測證書以提供給用戶，是產品出廠質量評價的重要文件。所有此環節的數據將永久保留在生產企業，為企業進一步分析和提升產品質量提供了數據基礎。

圖4 ConST9001智能化壓力等級分選測試系統Fig.4 ConST9001 Intelligent pressure grade sorting test system

圖5 ConST800壓力全自動檢定校準系統Fig.5 ConST800 Pressure automatic calibration system

多數壓力計量儀器帶有電測功能，其電測精確度指標直接影響到產品的多項關鍵性能。ConST929 電信號智能標定系統取代了電測計量工程師，自動依據規范執行標準化的校準工作。該系統采用EMC 綜合優化的電測系統，結合最高等級直流源表裝置，利用電信號計量數據，實現了壓力計量儀器電壓、電流、頻率等多項參數的自動校準。該系統可以一次性校準20 臺智能壓力儀器，極大地提高了工作效率，提升了產品質量。

發貨中心采用H 型工作臺，用于放置常用的包裝和配件，提高發貨中心效率。發貨過程通過ERP 軟件實現數字化管理，并匯總顯示：發貨訂單狀態顯示圖表、未完成訂單追蹤信息、異常訂單原因。物流發貨中心使用備貨系統、發貨系統等生產管理系統軟件，實現了物流數字化，極大地提高了管理效率。

圖6 ConST929電信號智能標定系統Fig.6 ConST929 Electrical signal intelligent calibration system

圖8 集成AI技術的智能壓力檢測系統Fig.8 Intelligent pressure detection system integrated with AI technology

3 計量儀器智能化時代已經到來

國內計量儀器制造企業圍繞“制造”向“智造”轉型的另一方面則是產品的智能化，主要表現是基于計算機技術、新一代信息技術和人工智能等新技術的應用，實現儀器智能化。

圖7 發貨系統軟件Fig.7 Delivery system software

圖9 智能全自動壓力校驗儀Fig.9 Intelligent automatic pressure calibrator

以壓力計量儀器為例，智能化時代已經到來。目前，指針式和數顯式壓力儀表在工業生產、電力傳輸等傳統行業得到了廣泛的應用，但一般缺少數字接口，檢測時必須由人工讀數，并需要專業的計量人員對儀表進行信息錄入、數據檢測，結果運算等工作。為了解決這一問題，新產品采用YOLOv5 深度學習模型開發識別模塊，通過構建和模擬神經網絡以進行分析學習，獲取儀表顯示類別和定位儀表圖像坐標，結合OpenCV 圖像處理，進行表盤、數字、指針、刻度圖像的數字轉化。新型壓力儀表智能檢測系統基于AI 智能識別的壓力信號采集技術，實現高效率、高準確度的自動圖像信號數字轉化，并可實現信息自動錄入，數據自動檢測，自動運算結果，極大地提升相關工作效率。

現代制造業的發展趨勢是將產品越做越小，比如早期電腦像房子一樣大，后來逐漸演變成為現在的臺式電腦、筆記本電腦甚至平板電腦的大小。出于用戶對現場使用的需求，設計制造者也開始考慮將儀器做得更小、更便攜，壓力計量儀器制造也不例外。傳統的電動氣泵存在體積大、重量大、功耗大、產生氣體壓力低、帶壓啟動性能差等缺點，不能滿足小流量、高壓力的要求。新產品重新根據高壓力、小流量的特點，設計了集成度高、體積小、重量輕、功耗小，能夠同時實現抽真空和造壓的氣泵。新型現場計量儀器具有機電一體化功能，任務自動運行，誤差自動分析，測試報告自動生成，能帶來高效的現場全自動檢定與校準體驗。

4 展望未來

進入21 世紀，互聯網、新能源、新材料和新一代信息技術正在以極快的速度形成巨大的產能和市場，將使整個工業生產體系提升到一個新的水平，推動一場新的工業革命。德國技術科學院（ACDTECH）等機構聯合提出了“第四代工業——Industry 4.0”戰略規劃，旨在確保德國制造業的未來競爭力和引領世界工業發展潮流。作為制造業世界第一的大國，我國制造業在智能制造和綠色制造領域將出現發展的戰略機遇期。計量儀器行業也可利用此機會，面向傳統產業改造提升和戰略性新興產業發展的需求，針對制造過程中的感知、分析、決策、控制和執行等環節，融合集成先進制造技術、信息技術和人工智能等新技術，實現高端計量儀器國產化。最終，實現制造業生產測試環節和計量環節的自動化、智能化、精益化和綠色化。