山東常林鑄業(yè)打造高精密鑄造數字化車間

一、企業(yè)簡介

    山東常林鑄業(yè)有限公司占地面積4萬平方米，以生產鑄鐵、球墨鑄鐵為主，產品為汽車、發(fā)動機、工程機械、液壓、氣動元件、及各種泵類、閥類等配件，年生產能力為20萬噸。公司自成立以來一直秉承“持續(xù)改進，力求質量完美；不斷創(chuàng)新，確保顧客滿意”的質量方針。已順利通過ISO9001：2000、TS16949質量體系認證，ISO14001環(huán)境體系認證。公司憑借完善的質量、及時的服務、良好的信譽已成功開發(fā)并為菲亞特、岱摩斯、馬扎克、奇瑞、吉利、廣汽、神龍、廣州冷機、錢江制冷、斯太爾、伊頓、三一等國內外知名廠家進行配套生產，產品先后出口到美國、英國、澳大利亞、日本、韓國、德國、西班牙、意大利等國家，取得了良好的信譽。

圖1 山東常林鑄業(yè)有限公司

二、企業(yè)兩化融合暨智能制造應用總體現狀

    近年來，公司始終堅持“以市場為導向、產品開發(fā)與質量管理并舉；以銷售為中心，生產發(fā)展與經濟效益增長同步”的企業(yè)方針，不斷推進技術進步，利用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，加快新產品開發(fā)，培植新的經濟增長點。在德國提出“工業(yè)4.0”、美國推出“先進制造業(yè)”的國際背景下，山東常林鑄業(yè)有限公司一直注重并積極推進國家倡導的兩化深度融合應用項目，特別是在圍繞如何趕上新一輪產業(yè)革命調整、提高產品附加值、降低企業(yè)運營成本、持續(xù)穩(wěn)健經營等企業(yè)重大技術改造方面進行積極推進。

三、參評兩化融合暨智能制造項目詳細情況介紹

    1、項目背景介紹

    高精密綠色鑄造的數字化車間項目規(guī)劃是以“智能制造”為核心，以信息化推動企業(yè)創(chuàng)新和轉型升級為抓手，突破傳統(tǒng)鑄造行業(yè)“臟、亂、差”的局限性，實現行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。本項目立足信息化應用，規(guī)劃并開發(fā)雙面壓實智能控制系統(tǒng)、智能轉運系統(tǒng)、定量澆注系統(tǒng)、冷卻控制系統(tǒng)、自動清整系統(tǒng)、鑄件缺陷檢測及質量評定系統(tǒng)、能效監(jiān)控系統(tǒng)、物流跟蹤及生產決策管理系統(tǒng)等方面的數字化應用，研制并應用自動投料、鑄件清理、缺陷檢測裝置、立體倉庫、物流小車以及能效實時監(jiān)控、中央集成控制等應用系統(tǒng)，實現從砂箱造型、冶煉、鑄件表面清整、檢測全過程數字化控制和生產。

    2、項目目標與實施原則

    項目目標：

    利用信息技術與工業(yè)技術相結合，改造傳統(tǒng)產業(yè)，在產品設計、工藝管理等方面實現產品設計及工藝數字化，邁向智能設計；利用制造執(zhí)行系統(tǒng)，加強生產過程控制，建設數字化車間，邁向智能生產；利用企業(yè)資源計劃ERP系統(tǒng)、供應鏈管理SCM系統(tǒng)、客戶關系管理CRM系統(tǒng)、產品生命周期管理PLM、電子商務、商業(yè)智能決策BI系統(tǒng)，實現智能化管控，是公司整體信息化解決方案的重要組成部分，也是公司“十二五”及“十三五”信息化系統(tǒng)建設與管理優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)；是支撐集團戰(zhàn)略運營、持續(xù)推進集團“精益生產、人力資源、信息化”三元管理有機結合的重要戰(zhàn)略舉措。

    實施原則與方法：

    按照“整體規(guī)劃、分步實施”原則，基于高精密綠色鑄造的數字化車間項目按業(yè)務邏輯劃分產品設計工藝管理（PDM）、企業(yè)資源計劃（ERP）、生產過程數據采集與分析（DCS）及車間制造執(zhí)行（MES）四個環(huán)節(jié)，具體規(guī)劃為產品設計、工藝系統(tǒng)、ERP管控系統(tǒng)、生產過程數據采集與分析系統(tǒng)及車間MES執(zhí)行系統(tǒng)。

    3、項目實施與應用情況詳細介紹

    規(guī)劃高精密綠色鑄造數字化車間項目是在整合產品設計及工藝數字化的基礎上，特別是在實施Solid Edge和Pro/E（現CREO）等三維設計軟件及PLM產品生命周期管理、企業(yè)ERP系統(tǒng)及車間MES制造執(zhí)行系統(tǒng)基礎上的信息化綜合項目，是企業(yè)不斷推進技術進步，利用信息技術及數字的設備，改造傳統(tǒng)方式，打造數字化車間，實現智能制造的有效途徑，其整體業(yè)務流程規(guī)劃建設如下：

1）產品數字化設計方面

    產品數字化設計軟件的選擇非常重要，選擇國際知名三維設計軟件對產品設計及系統(tǒng)數據集成至關重要。將產品的三維數字化定義為制造業(yè)信息化的源頭，不僅為新產品和工裝模具的數控加工提供了幾何模型，而且為應用CAE技術創(chuàng)造了條件，應用各種計算機輔助工程分析軟件，對開發(fā)的新產品進行強度分析與優(yōu)化設計、機構運行學分析、機構動力學分析、液壓控制系統(tǒng)仿真、加工過程仿真、可靠性分析等，從而保證新產品的設計質量。而CAM的應用，可以優(yōu)化生產工藝過程，達到提高生產效率和保證加工質量的目的。通過信息技術推廣應用，企業(yè)在提高產品質量、節(jié)約成本、提高生產效率和實現三化水平（標準化、通用化、系列化）等方面將會取得顯著成效。

    2）產品數字化工藝管理

    工藝數字化項目就是充分利用企業(yè)內、外部資源優(yōu)勢、建立企業(yè)在項目計劃控制、產品設計、工藝設計、生產管理、物料、質量控制、客戶服務等業(yè)務過程中的有機統(tǒng)一。建立健全配套的管理規(guī)范、制度和操作控制手冊，實現工藝制造數字化、信息集成化、過程敏捷化，進一步加強企業(yè)核心競爭力，建立快速響應市場需求的業(yè)務管理、控制機制，贏得產品在質量、成本、交貨期、經營效益等各方面的競爭優(yōu)勢，從而進一步實現加強企業(yè)生產成本控制、增加贏利空間和提高市場占有率的目的。通過這一項目的實施應用，使產品工藝過程管理發(fā)生根本性變化，以信息化手段實現工藝管理的智能化、網絡化和可視化，具體表現在以下幾個方面：

    ①自動集成產品設計信息，并結合車間相關設備、模具信息，自動形成相關產品工藝數據，實現企業(yè)產品設計與工藝的數據整合。

圖3 設計與工藝的數據整合

    ②借助軟件系統(tǒng)實施，實現對企業(yè)各業(yè)務職能部門在產品研發(fā)、工藝制定過程中產生的電子數據進行統(tǒng)一控制和管理，保證這些數據版本的正確性和權威性。建立存放設計、工藝、工裝、制造等數據的集中產品知識庫，并通過數據之間的關聯(lián)對產品知識庫中的數據進行合理的組織和管理，確保對產品在結構設計、工藝制定等業(yè)務過程中的文檔及時進行歸檔，改善部門之間并行的工作效率，縮短產品研發(fā)周期，提高工藝技術人員的工作效率。

    ③在圖文檔的存儲和組織方面，系統(tǒng)引入了“容器”的概念及關聯(lián)檢索功能。將產品專用數據和企業(yè)共用數據分別存放在產品庫容器。產品專用數據主要是指和產品密切相關的三維模型/二維圖樣、設計說明文檔、明細表、工藝及工裝等數據，在系統(tǒng)中，通過建立相應的圖文檔與圖文檔之間的關聯(lián)關系，實現以圖文檔之間的關聯(lián)關系作為導航進行圖文檔數據的快速查找，并且在圖文檔發(fā)生更改時，方便地定位出更改的影響范圍。

    ④圖文檔權限管理。在系統(tǒng)中對公司的圖文檔數據進行嚴格的權限控制，以使得用戶在權限許可范圍內對圖文檔進行相應的操作，確保圖文檔的安全性。

    ⑤系統(tǒng)通過ProductView提供了良好的剖切功能，實現圖文檔的可視化。它不僅能夠提供單一的剖面，還能通過游標拖動的方式進行剖切面的平移，而且能夠進行交叉面的剖切。并在剖切的基礎上提供測量和批注功能，從而簡化用戶的測量和查看，提高對模型的查看能力。

    ⑥在數據發(fā)放及歸檔管理方面。實現數據批準發(fā)布以后，及早傳遞到正確的人員以進行相應的工作，并對數據發(fā)放過程中的信息進行記錄和管理，如發(fā)放的人員和部門、紙質文件的發(fā)放數量。為便于進行數據的電子存檔，以確保電子數據以后的重新利用，并將審簽信息填寫到圖文檔的內容上，系統(tǒng)將數據統(tǒng)一轉成PDF和TIFF的格式進行電子文檔存儲。

圖4 審簽信息自動填充到圖檔內容上

    ⑦產品結構與配置管理。系統(tǒng)通過以產品結構為核心的產品數據模型，將產品的裝配層級關系、裝配件間的采用關系、裝配數量與各級裝配、零部件相關的技術規(guī)格文件、3D/2D工程圖紙等技術文檔進行關聯(lián)，而各類清單則通過系統(tǒng)根據條件自動輸出，形成產品工藝BOM數據來源。具體包括產品零部件定義、使用情況查詢、標準件/通用件管理、產品結構創(chuàng)建、展開、批注、比較、BOM輸出、多視圖管理等功能。

圖5 以產品結構為核心的產品數據模型

⑧工作流程的建立，在系統(tǒng)中建立工作流程實際上是對現有的業(yè)務流程進行梳理、規(guī)范、固化并電子化的過程。其主要內容包括確定業(yè)務流程中各個活動的先后次序、確定完成各個活動中使用的工具、參與的人員、確定流程中各個活動的輸入/輸出信息的過程。

圖6 工作流程的建立

    ⑨工程變更管理。通過預先規(guī)定的工作程序，完成對設計、工藝數據的更改工作，能夠根據數據與數據之間的關聯(lián)關系自動搜索某項更改所涉及的范圍，及時給有關人員發(fā)送通知提醒，使其關注某項更改可能會造成的影響。工程更改將與產品零部件的版本管理與產品的技術狀態(tài)管理結合起來，有助于確定產品零部件之間的借用關系，評估更改影響，提供一個完整的產品信息管理解決方案。系統(tǒng)中工程更改的實現通過和更改管理器、生命周期和工作流管理器等相互結合起來共同完成。同時，使用強大的版本控制和工作流管理功能，根據企業(yè)或行業(yè)標準（如CMII）對更改問題的描述、更改單成立、執(zhí)行更改、更改發(fā)布有續(xù)控制，保證更改的正確性、及時性和完成性。

圖7 工程變更管理實現過程

    3）關鍵技術裝備及生產過程數據采集

    在關鍵技術裝備及自動化數據采集、檢測設備配置方面，規(guī)劃建設雙面壓實有箱造型機、翻箱機、合箱機、全自動下芯專用機器人等造型設備，中頻電爐、沖天爐等熔煉設備以及砂處理系統(tǒng)、清理機、起重運輸設備等輔助設備，實現從砂箱造型、冶煉、鑄件表面清整、檢測全過程數字化控制和生產，具體表現在以下幾個方面：

    ①雙面壓實精密鑄造線優(yōu)化及虛擬設計。建立雙面壓實精密鑄造生產線整線設備的模型庫，利用虛擬現實技術實現鑄件的虛擬生產，在虛擬現實環(huán)境中采用碰撞檢測技術以及實時運動仿真模擬技術，合理布局生產線在線設備，提升產品生產效率。

    ②鑄造生產線清整機器人等智能設備開發(fā)。自主開發(fā)并規(guī)劃建設鑄件表面清整機器人，具有自動切換工作模式以及控制系統(tǒng)誤差柔性補償功能，支持多種鑄件柔性清理，實現鑄件自動化識別與表面柔性清整。

    ③自動檢測技術開發(fā)。基于機器視覺的零部件表面缺陷檢測分析以及尺寸精度自動檢測技術。

    ④智能化生產線中央集成控制系統(tǒng)優(yōu)化。采用中央集成控制技術對造型線各單元及工序進行集中監(jiān)控，開發(fā)數據庫和專家管理系統(tǒng)，開發(fā)定量落砂壓實、鑄件定量澆注、鑄件冷卻、鑄件自動化識別清整等關鍵單元的智能化控制系統(tǒng)，完成砂箱自動轉運、下芯和清理等智能化造型控制以及零件鑄造、冷卻、清整、檢測的智能化控制。

    ⑤基于物聯(lián)網的設備、能耗、環(huán)境監(jiān)控技術。建立以實時數據庫為核心的管理中心，將分散的自成體系的監(jiān)控系統(tǒng)以分層、分級的方式進行集中管理和監(jiān)控并為上一級的MES、ERP系統(tǒng)提供實時數據及歷史數據。

    ⑥智能化生產線可靠性安全性研究。通過研究生產線關鍵設備控制系統(tǒng)抗干擾、設備運行異常報警、系統(tǒng)安全互鎖、設備冗余控制，工藝數據在線調整等技術，開發(fā)基于中央控制的遠程診斷及故障報警系統(tǒng)，通過研究智能生產線產品質量體系，制定企業(yè)標準，有效保證造型線安全可靠性運行。

    ⑦數字化車間建設。采用與中央集成控制進行實時數據交換的智能化決策管理系統(tǒng)和物聯(lián)網系統(tǒng)，建設雙面壓實造型單元、冶煉與鑄造單元、鑄件表面清整單元、物流配送線、成品庫等，打造高精度綠色鑄造數字化車間。

4）車間制造執(zhí)行（MES）系統(tǒng)

    通過規(guī)劃并建設車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），借助現場數據采集，有效管理企業(yè)的生產制造流程，解決生產過程中的數據瓶頸，做到數據的實時采集與共享，為企業(yè)決策提供支持。同時定制化相關統(tǒng)計報表及業(yè)務單據，減少生產現場業(yè)務人員工作量，提高生產制造執(zhí)行效率，縮短產品加工周期，最終實現降低產品生產成本，提高產品質量及市場競爭力，具體表現為以下幾個方面：

圖8 生產過程數據采集

    ①集成產品工藝、設計數據，實現CAPP、PDM系統(tǒng)產品BOM數據與制造BOM及變更信息的同步,并實現現場電子圖紙、資料預覽。

    ②實現供應鏈協(xié)同管理，縮短采購及供貨周期、降低采購成本，在信息相互協(xié)同的基礎加強采購過程調度一。

圖9 供應鏈協(xié)同管理

    ③與企業(yè)ERP集團管控系統(tǒng)集成，實現生產任務單分解、物料領配料作業(yè)同步，實現物料狀態(tài)的跟蹤與查詢分析控制。

    ④通過電子化數據采集（DCS）系統(tǒng)，及時獲取車間現場加工狀態(tài)、設備信息等數據，實現對加工過程收集、進度更新以及圍繞加工產生的工時、效率的統(tǒng)計；提供PC桌面展示或車間電子看板功能，實施跟蹤并展示車間加工狀態(tài)并反饋相關異常信息。

    ⑤實現裝調任務的分類下發(fā)、執(zhí)行跟蹤，實現工時、進度及成本的統(tǒng)計。

    ⑥實現常用統(tǒng)計報表的生成與導出，如進度、工時、質量、異常報表等。

    ⑦通過基礎管理模塊，實現系統(tǒng)數據維護、權限控制及參數設置等維護管理工作。

    5）現場設備通訊及網絡部署

    首先，在服務器及網絡規(guī)劃方面，可以將數據、應用程序及文件服務統(tǒng)一安裝在一臺服務器上。內部網絡通過交換機訪問服務器；外部網絡需通過VPN專線或光纖專線（帶寬不低于10兆，訪問服務器延遲時間不低于30ms）連接到服務器。

    MES與企業(yè)ERP系統(tǒng)的信息交互，通過中間數據庫完成。浪潮ERP系統(tǒng)將MES系統(tǒng)所需數據發(fā)送到中間庫，MES系統(tǒng)在中間庫中讀取數據并進行處理。

圖10 MES與企業(yè)ERP系統(tǒng)的信息交互

    其次，在車間采集終端通訊設備部署及設備數據集成、傳輸規(guī)劃建設方面，在車間及庫房現場配置相關無線AP設備，與企業(yè)核心設備互聯(lián)。

    最后，在車間加工現場層面，部署相關自動采集設備或與現有設備通訊端口集成。實現對現場數據的適時采集，確保系統(tǒng)數據的時效性和準確性。

4、效益分析

    通過實施推進基于數字化應用高精密綠色鑄造項目，特別是通過整合現有信息化平臺、集成相關信息化應用系統(tǒng)，借助現有資源和優(yōu)勢，規(guī)劃并建立企業(yè)智能化生產的信息網絡體系，開展產品數字化設計、公司精細化管控、供應鏈高效協(xié)同、物流智能化應用等關鍵技術、關鍵項目的開發(fā)與使用，建立企業(yè)對內精細化管理、智能化制造和對外整合并協(xié)同產業(yè)鏈上下游資源、形成緊密協(xié)作的雙重管控體系并不斷提升企業(yè)信息化管理水平來說非常重要，具體表現在以下幾個方面。

    ①在產品數字化設計方面

    通過項目的實施推進，可使產品開發(fā)周期縮短1/5-1/2，平均1/3；制造周期縮短了25%，關鍵零件的廢品率降低90%，大大降低了新產品性能試驗和可靠性試驗費用。在縮短新產品開發(fā)周期、提高市場反應速度的同時，對提高企業(yè)產品市場占有率及提高產品三化（標準化、通用化、系列化）方面都發(fā)揮了重要作用。通過對員工進行軟件操作技能培訓活動，提高了職工的業(yè)務素質，造就了一批掌握先進設計、制造技術的職工隊伍。

    ②在產品數字化工藝管理方面

    首先，通過實施數字化工藝過程管理項目，在公司范圍內建立了統(tǒng)一的產品電子化數據共享知識庫，實現對產品所有相關的設計、工藝、工裝、模具、生產制造、質量、計劃等數據的存放和管理，建立了相關信息共享策略和應用，提高了信息的可用度并方便用戶統(tǒng)一查詢、快速檢索。建立異構文檔可視化機制，改善信息獲取、共享、查看、批注與反饋效率，利用統(tǒng)一工具實現各種文件的在線圈閱和批準，消除前期產品研發(fā)過程中的協(xié)作障礙。

    其次，借助協(xié)同信息化門戶建設，建立基于PLM系統(tǒng)的企業(yè)數據集成平臺，各信息化系統(tǒng)得到有效整合、各種應用工具之間進行有效集成。并在此基礎上引入了產品多視圖管理機制，在產品功能分解結構的基礎上，增加按照工藝進行分解的制造結構，確保設計、工藝制造數據的有效銜接，減少產品制造過程中的質量問題，降低產品開發(fā)和試制成本。實現電子化的工作流程管理，確保設計、校對、審核、批準、發(fā)放等工作都能夠基于網絡進行，充分發(fā)揮網絡效應，實現并行操作，保證產品電子數據的快速流轉、有效發(fā)放，提高數據歸檔質量及時效性。

    ③在渠道整合、供應鏈協(xié)同應用方面

    建立基于互聯(lián)網應用的供應鏈協(xié)同平臺，有效整合基于供應鏈的協(xié)同應用是企業(yè)增加競爭力最為有效的手段。因此打破企業(yè)間地域及企業(yè)內部IT技術壁壘的限制，規(guī)劃并建設相關信息化核心應用，通過協(xié)同創(chuàng)新平臺，實現產業(yè)鏈上、下游企業(yè)的業(yè)務協(xié)同，顯得更為重要。通過供應鏈及網上營銷平臺建設、規(guī)范并理順采購銷售三包服務業(yè)務關系、創(chuàng)新業(yè)務實現方式、建立財務業(yè)務的一體化管控模式，有利于提高業(yè)務處理速度、降低采購成本、提高客戶滿意度。

    ④在車間制造執(zhí)行（MES）系統(tǒng)方面

    通過MES系統(tǒng)的實施，為企業(yè)建立生產制造執(zhí)行管理方面的信息化平臺，使相關生產制造人員適時、適地進行生產現場監(jiān)控，實時發(fā)現問題，及時處理問題，實現生產管理信息化、可視化、透明化，保證生產的穩(wěn)定和效率。

    基于數字化應用高精密綠色鑄造項目，特別是其系統(tǒng)集成的先進性及內部業(yè)務流程優(yōu)化的科學性，必將在本行業(yè)起到率先示范作用，促進整個行業(yè)的管理創(chuàng)新與技術起步，實現信息化與工業(yè)化的有效融合，促進企業(yè)和社會共同進步。

    項目的成功推廣及實施，必將促進企業(yè)從梳理內部管控策略、精簡業(yè)務流程，降低整體供應鏈庫存水平，減少存貨資金占用，加快資金流動，提升和供應商的戰(zhàn)略性合作關系等方面進行優(yōu)化改善，有助于創(chuàng)新企業(yè)合作模式、拓寬合作領域，建立新型的企業(yè)關系，最大限度的實現企業(yè)雙贏。

四、企業(yè)智能制造的未來發(fā)展規(guī)劃

    ①結合公司特點，借鑒產品生命周期(PLM)協(xié)同管理理念及規(guī)范，構建適合公司產品設計、滿足產品全過程管理的工程管控平臺及管理體系。

    ②利用公司和山東浪潮集團的戰(zhàn)略合作關系，充分借鑒浪潮在行業(yè)的管理經驗和在ERP系統(tǒng)的最佳實踐，繼續(xù)做好公司ERP管控系統(tǒng)的應用集成工作。

    ③在產品制造裝備數字化方面，繼續(xù)做好生產制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的推廣和應用。

    ④在企業(yè)物流智能化系統(tǒng)應用建設方面，配合項目合作單位，借助物聯(lián)網技術及供應鏈管理理念，通過條碼、射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、3D打印等信息傳感設備，實現企業(yè)物資生產制造、供應、配送、裝配、驗貨、三包服務等業(yè)務過程管理，實現相關環(huán)節(jié)物品身份認證及信息交換和通信的有效集成。