控制阀数字化车间建设初探

张伟光，朱贤斌

ZHANG Wei-guang, ZHU Xian-bin

（中国联合工程公司，杭州 310052）

0 引言

控制阀是工业过程控制中的主要执行单元仪表，在现代化工厂的自动控制中起着十分重要的作用。其生产模式具有“多品种、中小批量、高技术、以销定产、定制开发”的典型特征，产品结构和零件加工复杂，加工精度要求高，产品系谱庞大，品种各异，配置规则多变。为了适应这种生产模式，提升企业的生产能力、制造水平和竞争实力，某控制阀生产公司以其生产新基地建设为契机，开展了数字化车间建设：打造车间级的柔性制造系统，实施生产过程及设备的数据采集、质量动态监测与控制、柔性物流、自动化装配和生产过程的仿真。

本文初步探讨了“两化深度融合”、“中国制造2025”背景下，控制阀数字化制造车间的建设内容，为国内同行、同类型或同生产模式企业的技术改造升级与数字化建设提供一定的借鉴意义[1～4]。

1 控制阀数字化车间的建设内容

本项目控制阀数字化车间的建设内容主要包括以下四大板块：

1）制造系统建设——构建企业柔性制造系统下的生产组织体系，制定基于数字化环境的精益生产管理体系与执行规范，建立车间级制造资源信息模型，开发针对数字化车间主干产品的零部件信息模型。

2）车间工艺规划——按照数字化柔性制造系统的生产组织体系要求，确定数字化加工设备、数字化测量设备、生产物流智能装备和柔性装配线等工艺设备，通过合理的工艺规划，优化资源配置，提高生产效率。

3）智能测控系统的开发——通过工业机器人、PLC子系统、RFID等硬件的定制和引进，开发车间级的智能测控系统，并与制造执行系统互联，实现产品的在线监测和管控，保证生产物流的智能化、自动化管理，提高缺陷产品的溯源、设备的在线监控诊断等技术。

4）IT基础建设——组建制造资源信息的数据库，构建车间级工业通信网络，实现制造管理数据的在线共享、交换、存储、传送、访问和存档，提高车间管理的快速化、智能化。

2 数字化车间的制造系统建设

数字化车间存在两大平行运行的系统：一是按工艺流程的物料、工件组成的实体制造系统（简称物理系统），二是与其平行运行的制造数据、表单、指令、规约和代码等信息和数据流动的信息制造系统（简称控制系统）。二者形成一个一体化的平行制造系统，如图1所示。制造系统必须与企业供应链管理业务相集成，联合产品设计部门，获取产品开发计划引发的供应商选择决策和生产计划等信息，确保产品设计过程决策与企业供应链决策之间的匹配性。

图1 制造过程的流程分析图

车间级基础信息模型是两大平行制造系统正常运行的基础之一，主要包括持续时间基准、设备信息、制造批次、制造指令信息、在制品、材料消耗、产品缺陷、状态、库存等等。

零部件信息的标准化是数字化车间制造系统运行管理的核心技术和重要基础，其设计内容主要是加工对象的标准件、标准材料和标准流程，包括：

1）零部件（阀体、阀盖、阀芯，以及阀门附件等）标准信息模型；

2）材料（金属合金、复合材料、密封材料、绝缘材料等）标准；

3）制造工艺（机械加工、密封、涂装、热处理、紧固件安装等）标准；

4）各类工模夹具标准；

5）试验方法、控制阀行业专用测试设备及测试工艺、测试数据等标准。

3 数字化车间的工艺规划

控制阀的生产工艺流程：原材料——机加工——入中间库——配货——装配测试——入成品库——发货，根据工艺流程进行工艺布局和物流规划，并设置统一的数据接口，联入智能测控系统和制造执行系统。

3.1 机加工的“加工岛”

本项目机加工设备布置为出口、入口在同一方向上的U型制造单元，构成模块化、智能化的“加工岛”生产模式，如图2所示：根据控制阀工艺工序，由若干机床设备组成半围合的“加工岛”，完成若干道工序，并辅以桁架机器人自动上下料系统，构成基于刚性设备的柔性制造单元，沿各个加工岛布局的“主通道”和“副通道”组成矩形网状物流道路，并采用“拉动式”的准时化生产模式。

图2 机加工的“加工岛”示意图

在“加工岛”内，作业人员工作在U型的两边之间，可以同时操作两边相邻的设备，提高了作业人员的工作效率，而且便于随时调整生产线上或生产单元内的作业人员数，以适应产品产量需求的变化。

控制阀机加工的“加工岛”生产模式减少了企业的设备和人力投资，缩短了车间生产物流，降低了运营成本。

3.2 智能化装配测试系统

本项目装配生产线根据产品的型号和生产节拍，采取树形结构、串联结构和并联结构相结合的生产工艺布局。

产品的装配分为分装模块和产品总装：分装模块可以根据对市场的预测及销售历史进行预测性装配，各模块在不同的装配线上实现并行装配：产品总装则必须考虑产品的结构特征、装配的工艺性、模块接口的特性等因素，根据组成产品的模块数量和类型最少，装配方向、夹具变换次数最少，装配的层次化、并行化等模块装配序列规划原理，确定模块化生产方式下的装配序列。

根据规格、重量及设备加工范围，本项目装配包括小规格产品半自动组装模块、大规格产品半自动组装模块、执行机构自动组装模块及控制元件安装调试模块。模块化的装配系统，可以针对顾客需求的多样化、个性化特征，模块化生产方式可采用多品种装配流水线，做到产量、品种、工时及生产负荷的均衡以实现生产平稳，并快速响应顾客的多样化需求。

本项目打压区测试设备的功能如下：

1）压力测试范围内可设置分段试验程序，加压时系统将自动升压、停机、保压。

2）自动卸荷功能，容器自动卸荷、急停和超压自动卸荷功能。

3）试压过程中预设的保压时间可自由设定。

4）实时压力显示、曲线显示、时间显示、工作状态显示等。

5）压力设定、标定、软件零位修正功能。

6）系统超压、故障状态反馈等状态的报警功能。

7）对被测容器在保压阶段保压状态作出自动判别功能。

测试台的控制系统是由触摸屏平板电脑、PLC逻辑控制器、电气控制元件等组成，主要功能是根据压力测试要求能够实现自动升压、保压、卸压，并能实时显示、自动记录、自动计算、数据上传、报告输出等。

控制阀的装配和测试构成闭环系统，如图3所示，打压测试区一律采用在线检测、实时传送、自动溯源，从而优化生产制造工艺，保证产品质量。

3.3 自动化仓储

本项目的生产制造是以订单信息为主要依据，按照车间生产节奏，由供货商及时将所需生产物料配送至指定位置。用于平衡与缓冲企业外协件物流管理的中间库和成品库则采用PLC控制的自动化立体库，主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、电控系统和计算机管理系统组成，配以称重计量系统、信息通信系统和安全死锁装置等。储存系统的每一个货位都有固定的地址和物料其他储存信息，通过自动导引车和二维码智能引导子系统实现物料的有序流动。

图3 控制阀装配测试闭环系统

4.4 数字化生产物流

物流是整个车间生产过程的核心问题，一个好的物流规划可以实现企业精益生产管理，降低物流成本，减轻员工的工作强度，而且便于把企业的生产、销售、研发、采购等各环节进行有机结合，实现物流的数字化管理。

本项目建立了按订单生产的拉式生产物流输送系统：客户确定订单后，研发设计部门确认产品参数需求和工艺路线，车间排程并下发至相应工位的电子看板；车间工位根据电子看板的生产计划和人员、设备的当前状态，向上游生产线发布生产需求，并适时向仓库发出工模夹具的缺料预警；AGV小车接到指令后，自动将对应零件和所需工模夹具等运送至指定工位，保证生产的有序进行。

工艺布局和物流规划遵循以下原则：

1）物流方向满足工艺流程需要，物料运输路线短捷，减少物流工作量和在制品库存量或库存时间；

2）针对小批量、多品种的生产性质，应该能够适当灵活地改变路径，以加快生产流程；

3）合理配置装卸运输设备，提高物流质量，减少自制零件和外购件的损坏；

4）便于厂房土建和公用设施的设计建设，节约土建投资。

4 智能测控系统的开发

车间的生产运营采用二维码和RFID技术，实时采集生产基本资料的当前状态，包括产品零部件的位置、状态和完成情况，制造设备的工艺参数、安全运行和自动化控制，人员的在岗状态、工作效率，物料的库存和配送状态，设备的安全预警、维修保养的提醒等。智能测控系统大大提高生产运营和管理的及时性、准确性，提高设备的使用寿命，保证生产的有序进行和产品质量。

5 数字化车间IT 网络基础

实时工业网络是制造企业开展网络化制造及供应链协同的关键IT基础设施。数字化车间是全企业实时工业网络的一个车间级（或现场级）子网。车间无线网络采用无线传感网络，实现制造物联网络信息的传输，并与工业现场Wi-Fi无线网络相连接，实现车间之间调度管理计算机的传输与数据融合，以支持制造物联环境下的生产现场相关业务间的协同工作。

6 结论

本文以某控制阀生产公司为例，初步探讨了数字化车间的建设内容，其实施过程是一个系统工程，必须统筹规划：基于车间无线/有线传感系统及无线传输网络系统、计算机系统、实时数据库系统等IT基础设施，通过上层应用系统对生产过程及过程设备的访问，将企业制造系统及生产过程的数据、信息的知识化等过程集成在一起，通过关键智能装备的应用，实现车间级智能制造、智能物流、智能调度、自动检测与控制，将企业高端技能型人才智能融入到产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制、设备检测、质量监测、自动化装配等环节，显著提高控制阀制造系统主要关键环节的智能化水平。

数字化车间技术适合于“多品种、中小批量、定制化”的生产模式，对于提升离散型制造企业的制造能力具有重要意义，可以大大促进中小型制造企业的转型升级，提升企业的综合实力和市场竞争力。

该控制阀公司的数字化车间实施建设是我国在控制阀生产制造领域的一次重要尝试，对其他同行、同类型或同生产模式企业和工厂的技术升级和数字化建设具有一定的借鉴意义，对我国由制造大国向制造强国迈进具有推动作用。

[1] 工信部联信[2011] 160号文件.关于加快推进信息化与工业化深度融合的若干意见[Z].

[2] 周济.制造业数字化智能化[J].中国机械工程,2012,23(20):2395-2400.

[3] 国务院.中国制造2025[Z],2015.

[4] 张建超,王峰年,杨少霞,等.关于制造业数字化车间的建设思路[J].制造业自动化,2012,34(8):4-7.