信息化管理系统在AP1000核燃料制造中的应用

纪雪舟 王文涛

（中核包头核燃料元件股份有限公司，内蒙古包头 014035）

信息化管理系统在AP1000核燃料制造中的应用

纪雪舟 王文涛

（中核包头核燃料元件股份有限公司，内蒙古包头 014035）

AP1000燃料元件生产线信息化管理系统是中核包头的重大建设项目，目的是通过构建生产线信息化管理模型，利用先进计算机控制技术、通讯技术和管理模式，实现对生产线各类资源的深度集成和智能化管控，使AP1000燃料元件的制造过程更加标准化、精益化和透明化。整个系统平台包括企业资源管理系统（ERP）、生产线制造管理系统（MES）、实验室信息管理系统（LIMS）、仓库管理系统（WMS）以及配套的若干辅助模块。本文将围绕生产线制造管理系统（MES），重点介绍该系统的功能设计、生产线应用效果以及与其他部分系统的业务集成内容。通过信息化管理系统的设计开发，中核包头将先进的信息化管理模型应用于AP1000燃料元件生产线的制造管理中，实现了公司精益化制造管理思想的全面落地，为AP1000燃料元件制造技术的消化吸收和再创新打下了坚实基础。

AP1000燃料元件制造信息化管理系统精益化管理设备数据采集

1 引言

随着核电燃料元件制造技术的不断发展，其制造过程趋于复杂，工艺和检验环节、原材料种类、质量管控深度等都在增加，生产过程因此面临诸多管理风险。在现代信息技术与工业制造深度融合的大背景下，通过信息系统在燃料元件制造过程中的深入应用，能够在确保生产效率的同时，最大程度上保障燃料元件制造的产品质量和安全管理要求，信息化系统也因此成为生产线制造的标准化管理工作，得到了广泛和深入的应用。

2011年间，中核包头作为美国西屋公司AP1000燃料元件制造技术的受让方，派遣技术人员到西屋哥伦比亚燃料厂进行了实地学习。其中，在生产线运行管理方面，西屋公司开设了工厂信息化管理系统课程。通过课堂学习和现场参观，技术员们切身体会到了生产线信息化管理系统作为核心管理手段为燃料元件制造全过程提供的强大技术支持，使有着40多年历史的西屋公司哥伦比亚燃料厂在生产管理上处于世界领先水平。

根据西屋培训的成果，结合未来AP1000燃料元件生产线的实际管理需要，中核包头开展了“AP1000燃料元件生产线信息化管理平台”的设计开发工作，整套系统已于2014年8月全面投入使用，服务于生产线的各项工艺鉴定和模拟元件制造。

2 AP1000燃料元件生产线简介

AP1000核电技术是我国从美国西屋公司引进的第三代核电技术，国家核电作为AP1000核电技术的受让方负责整体接收AP1000核电技术，而中核包头作为国家核电燃料元件制造技术的指定用户，负责AP1000核燃料元件制造技术转让任务包的引进、消化、吸收和再创新等工作，同时建设一条AP1000燃料元件生产线，为核电站提供换料。

生产线工艺主要包括IFBA芯块涂覆、常规燃料棒和IFBA燃料棒制造、骨架制造、燃料元件组装、零部件制造以及配套的产品在线检测系统和实验室检验分析系统。工艺流程如下图所示：

图1 AP1000燃料元件制造工艺流程图

生产线工艺管理具有以下一些难点：

①流水线制造与离散制造共存且相互交织，产品在生产过程中既存在单个序列号管理情况，也存在批次号管理情况

②物料流转和追溯难度较大。

③生产线工艺环节和检验环节相互穿插，质量管控要求较为复杂，多种放行条件相互作用，增加了管理难度。

④部分关键岗位的人工操作风险很大，操作过程需记录的信息量较大，人工方式费时费力，且对产品数据的准确性要求极高。

⑤大量自动化生产设备和检测设备的使用，导致产品数据的采集和汇总难度增加；而多种类设备控制系统和多品牌可编程控制器的混合使用，也给生产线自动化制造带来诸多困难。

⑥除了工艺管理要求外，产品制造过程中还包括核物料衡算、工装卡具管理、运输容器管理、人员岗位操作权限管理、废料管理和产品成本统计等方面的内容，形成了非常复杂的管理体系。

因此，中核包头在AP1000燃料元件生产线建设之初，就确定了信息化系统设计工作与生产线建设同步开展，围绕信息化系统的蓝图设计、业务流程设计和功能开发工作，将生产线管理的各项内容融入其中，进而实现精益制造管理思想的全面落地。

3 系统构架与功能设计

3.1 西屋公司信息化管理系统简介

美国西屋公司运用生产管理系统的历史比较悠久，可以追溯到上世纪80年代。当时西屋还没有一个具体的IT部门负责整个公司的信息化系统设计开发，只是在局部开展了一些计算机与日常管理业务的应用尝试。

随着信息技术应用的不断成熟和业务发展需要，从ERP系统到MES系统，西屋开始了较大规模的信息系统建设。首先组装工艺开始应用工艺管理系统，收到良好效果后，化工工艺、燃料棒制造工艺也先后推广了系统应用。通过这些系统的应用，西屋技术人员将所有的产品工艺流程固化在了信息系统中，使得工艺操作更加标准化、流程化；信息系统提供了更加完备、翔实的工艺数据，极大提高了生产线管理效率和产品品质。

目前，通过多年的信息化建设，西屋已经拥有了一套较为完备生产线管理系统，所有产品的工艺信息、检测信息、物料信息、设备运行信息及人员操作信息等全部存储在系统中。如图2所示为西屋生产线信息管理系统整体功能设计。

图2 西屋信息化管理系统构架图

由于各功能系统在开发和使用上存在一定的时间间隔，故部分功能系统采用了不同的系统构架和程序语言，有的则直接采购了成品软件程序，之后通过开发各种类型的接口程序以实现各功能系统间的业务衔接和数据集成。

3.2 中核包头信息化系统构架设计

相比较西屋公司以工艺体系为划分标准的系统设计方式，中核包头则设计了统一的、集成的生产工艺管理平台，涵盖了所有的生产制造和检验环节，系统内采用了统一的数据格式和接口设计，再通过将产品标识条码化，实现了产品零部件或原材料在生产线各工艺岗位上的自由流转和全面管控。同时，配套设计了ERP企业资源管理（生产计划、财务成本、采购销售等）、仓库管理、实验室数据管理等系统，最终形成了燃料元件制造全过程的信息化管理体系。

图3 中核包头信息化管理系统构架图

3.3 系统功能设计与应用

3.3.1 生产物料的条码化及信息追溯管理

①物料标识的条码化

在燃料元件的生产过程中，物料信息的准确传递是关系到生产线能否按照产品图纸和BOM要求开展工艺制造的关键。所有的物料信息都在事前进行了精确的定义（例如：类型、规格、用途、BOM结构、存储仓库和价格等）和统一编码，当带有条码标识的物料进入到生产线后，可以被各工艺岗位自动识别并显示其工艺加工状态。

图4 燃料元件包壳管物料条码标签及手持式条码识别器

图5 条码化的物料领料单

例如：从常规芯块的采购入库开始，信息系统中就建立了完整的芯块库存台帐，所有批次芯块的重量信息、富集度信息、粉末批信息、氢含量有效期和检验信息等都作为芯块原料的产品特性被记录在系统中，之后通过芯块唯一的标识条码，上述信息可以被后续不同的岗位所共享和使用，帮助岗位人员快速的完成物料识别和状态判定。下图所示为芯块信息在各工艺间的传递：

图6 芯块物料信息的传递和追溯

通过对燃料元件所有生产原材料的条码化追溯管理，实现了产品物料信息的全面追溯、精确定位和单体管理，为后续整个生产线信息化系统的运转提供了基础。

3.4 生产管控功能

3.4.1 生产计划和制造执行的无缝集成

从生产计划的下达开始，通过ERP模块的产品BOM设计功能，系统会自动根据订单数量计算出燃料元件制造所需零部件的种类和数量，订单编号生成后直接传送给车间MES系统，确保了每个生产订单的准确和及时。

对于一些带有特殊工艺要求或客户要求的订单，MES系统会根据订单中产品物料号自动加载设定的详细制造参数。操作人员只需要按照系统的提示，选择正确的生产订单就可以开始生产；如果操作人员选择错误，系统也会自动阻止根据订单领用的原材料投入到生产线上，极大降低了人为管理失误的概率。

图7 生产计划下达和执行流程示意图

3.4.2 生产工艺流程的标准化、精益化管理

流程化：所有类型的成品或半成品在MES系统中都有自己特定的工艺路线，每一步工艺操作也都有自己准确的定义，当某种产品被赋予一条特定的工艺路线后，必须按照工艺路线的要求完成所有加工和检验后（结果合格）才可以下线。

图8 燃料元件管准备工艺流程示意图

精益化：在整个制造过程中，MES系统通过与生产线扫描枪集成的方式，记录产品的每一步工艺动作。而产品在每一个岗位上的信息（如工艺信息、检测信息、人员操作信息、设备信息、物料信息等）都被记录在系统中。

图9 管准备工艺称重岗位信息记录界面

图10 燃料棒制造工艺芯块装管岗位信息记录界面

图11 格架组装过程中的PEER CHECK功能界面

图12 骨架胀接岗位仪表管装载布局界面

图13 燃料棒制造状态信息查询

在自动化生产线和条码扫描设备的帮助下，产品的所有工艺加工环节都被精确记录，完全替代了纸质产品流通卡的记录方式，在提高生产效率的同时，也保证了产品工艺数据的完整性和准确性。同时，由于其信息类型更加多样和丰富，为技术人员的工艺改进和设备改造提供了强大数据支持。

模块化：针对不同零部件制造工艺，信息化系统采用了与之相配套的模块化设计，各模块之间功能各异，相对独立，被授权操作人员只能完成模块内事先设定的产品工艺加工和检验项目。每个系统模块中，根据产品工艺路线的不同，既包含生产线的自动化制造，也包含岗位人员的手工组装，直到零部件完成系统模块内的全部设定步骤，产品才能流转入下一段工艺环节。

模块化的设计方式，使各段工艺路线相对独立，既可以统一协作完成一类产品的生产制造，也可以开展不同类型产品的并行混线生产，使前段的生产计划和组织方式更为灵活，为柔性生产模式奠定了基础。

当某一模块发生工艺路线变动或检验技术条件变化时，只需要更改该模块的设计或配置，而不会影响到其他系统模块的运行，对后续系统功能的优化和调整更加有利，具体包括以下主要模块：

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3.4.3 产品检验状态管理

（1）生产线样品采集的自动化管理

在燃料元件制造过程中，所有分析样品的种类和数量都提前在系统中进行了设置，系统会自动控制传输线或者提示岗位人员完成样品采集工作，否则传输线会停止动作，产品也无法流转到下一个工艺岗位。在MES系统的控制下，燃料元件制造会严格按照“制造质量计划”的要求执行样品采集操作并记录样品的相关信息。

图14 包壳管下端塞环焊岗位的样品数据采集界面

例如：启动管准备制造工艺，系统界面中会显示焊接工位进入样品采集模式，提示操作人员完成取样操作。当首个包壳管的焊接完成后，系统自动将其定义为班前首样（金相或腐蚀样品），之后生产线才能够进入到正式自动生产模式，后续焊接的包壳管会自动归属于该样品区间。

（2）制造执行系统（MES）与实验室信息管理系统（LIMS）的数据集成

LIMS系统作为MES系统的配套模块，管理着燃料元件生产过程中的各类样品信息。通过实验室信息系统（LIMS）的设计应用，实现了AP1000核燃料元件生产过中实验室样品分析数据的全面、精确管理。所有样品的创建记录、分析过程、结果发布、分析统计等都在信息系统中设计了严格的管理流程，确保所有的样品分析结果是有效和准确的。

图16 MES系统与LIMS系统的业务集成

通过LIMS系统与MES系统的无缝数据集成，实现了实验室样品分析结果的自动反馈，生产线也会根据样品分析结果自动控制产品的工序流转。

3.4.4 高效率的质量放行管理

针对不同制造阶段的燃料元件，质量保证人员要对燃料元件或零部件进行全面的质量审查，只有满足工艺、产品、检验技术条件和其他管理要求的燃料元件或零部件才能进入到下一阶段的制造流程，该项工作复杂且细致，需要进行大量的产品数据收集和质量判定。

通过MES系统强大的数据收集和自动判定功能，质量放行工作由原来的复杂、繁琐变得极为简单。质量管理人员根据信息系统中预设的产品质量放行条件是否满足直接判定是否可以执行相关放行操作，如满足则可以直接打印质量放行报告，且质量放行数据的全面性和及时性有了大幅提高。

图17 产品质量放行界面

图18 中间产品放行单打印界面

图19 燃料元件质保放行证书打印界面

3.4.5 生产线设备的智能化集成

为了实现在MES系统管控下的生产线自动化制造，中核包头对生产线设备实施了全面的系统集成，将工艺设备、检测设备、传输线与MES系统通过控制接口和数据接口进行集成，实现MES系统对生产线设备的动作控制和数据采集，总计33台（套）。

工艺及检测数据集成

图20 进口TIG焊机数据采集界面（电流、电压和焊接时间）

图21 管氧化设备数据采集界面（温度曲线和氧化时间）

图22 IFBA芯块涂覆炉数据采集界面（真空度、温度和功率）

图23 TIG焊机和传输线系统集成示意图（自动焊接和数据采集）

图24 包壳管氧化设备和传输线系统集成示意图（自动上料和氧化温控）

通过对生产线设备的系统集成，进一步加强了燃料元件制造过程的工艺管控，使得产品的工艺数据和检测数据更加及时、准确和完整；同时，通过将采集的数据信息与产品一一匹配，形成了完整的产品质量证明文件，为燃料元件制造质量提供保证。

4 结束语

通过信息化系统的设计和应用，中核包头整合了生产线设备数据、生产物料信息、人员操作记录、产品工艺路线以及各种辅助设施管理等内容，实现了燃料元件制造过程的信息化和智能化管控。整个燃料元件的制造过程更加标准化、精益化和透明化，围绕产品的所有数据都经过信息系统分类处理并共享，为各项管理工作提供基础，形成了多客户订单、多产品类型、多工艺路线的柔性生产管理模式，也为企业管理水平和产品质量的不断提升创造了良性循环发展的环境。

[1]顾新建.制造业服务化和信息化融合技术[J].计算机集成制造系统,2010(11).

[2]高巍.基于信息化水平的制造业企业工艺创新能力体系研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2011.

[3]宋加升.信息化制造技术应用效果评价研究[J].科技与管理, 2008(03).

[4]刘思明.制造类企业的CRM系统建设[J].计算机光盘软件与应用,2012(24).

[5]李佳文.CRM系统在机械制造类企业中的应用以及深化[J].计算机光盘软件与应用，2013(22).

Information Management System used in AP1000 Fuel Assembly Manufacturing

JI Xue-zhou,WANG Wen-tao
(China Baotou Nuclear Fuel plant Inner Mongolia，Baotou Neimenggu 014035,China)

The AP1000 Nuclear Fuel Assembly production line information management system is one of the major construction projects in CBNF.Through designing the CBNF digital management model,using advanced computer controlling technology,the communication technology and the information management methods to realize that information management system could collect, transfer and analyze process and inspection data from production line automatically during the whole time of AP1000 Nuclear Fuel Assembly manufacturing.This way could reduce human mistakes and give the greater guarantee for product quality.Base on the huge data of product;manager could develop various production management researches.At last,summarizing the digital information management model for AP1000 nuclear fuel assembly production,building-up the experience for process management system design. With the support of system,CBNF will improve the depth,breadth and efficiency of management,build the stable basement for enterprise development.

AP1000 Fuel assembly manufacturing；Information Management；Process data collection；Lean management

A

1008-1739（2015）09-59-7

定稿日期：2015-04-12