数字化铸造工厂浅析

常 涛，刘亚宾，彭 凡，杨 军，乃晓文，王 皓，周正学

随着计算机、网络技术、传感技术、人工智能等所构成的信息技术发展，以智能制造为代表的新一轮产业变革成为制造业的主要趋势。为加速我国制造业转型升级、提质增效，国务院发布实施《中国制造2025》，将智能制造作为主攻方向，加速培育我国新的经济增长动力，抢占新一轮产业竞争制高点[1]。

作为制造业基础的铸造业，我国铸造行业的整体水平与国外差距较大，我国铸件生产效率是国外先进水平的1/4~1/6，能耗是发达国家同类铸件的1.6倍，吨铸件的各种污染物排放总量是工业发达国家的3～5倍。铸件质量控制标准相比国外先进水平存在显著差距。制造过程以手工劳动为主、工作环境差、劳动强度大、社会从业愿望差，智能转型势在必

行[2]。

共享集团专注铸造行业50年，拥有丰富的铸造工艺技术经验和铸造公司管理经验。在智能制造方面研究起步较早，在2012年提出了“数字化（智能化）引领、创新驱动、绿色制造、效率倍增”的转型升级方针，主要通过3D打印等技术“点”上创新、形成铸造智能单元“线”的集成、进而构建铸造智能工厂“面”的新型模式，最终形成引领铸造行业转型升级及在相关产业“体”上的带动。在共享集团内部，建成了第一代铸造数字化工厂，第二代铸造数字化→智能过渡工厂，以及正在建设的具备一定智能功能的第三代铸造智能工厂，在铸造智能制造的理论探索与实践方面积累了丰富的经验和实施方法。

1 实施过程

铸造行业属于离散制造业，但与机床加工等纯离散行业还有一定区别，在离散中还有一些流程性的生产工序，比如熔炼。因此，共享集团在研究智能制造理论的同时，通过结合铸造行业的特点，提出了如图1所示的铸造智能工厂的理论架构。

首先，设备层按照工艺特点，划分为五大单元：成形、熔炼浇注、精整、砂处理、物流。成形单元设备进行铸型的制作；熔炼浇注单元设备进行铁水的生产；精整单元设备进行铸件毛坯的表面处理及检测；砂处理单元设备进行砂子的回收和再生；物流单元设备贯穿各个单元，是各单元间以及各单元内部的产品转运媒介，也是各工序原料供给的转运媒介。

控制层与设备层一一对应，各智能单元系统是对应单元设备的控制中枢：（1）接收MES下达的生产计划、工艺参数、工艺文件、半成品质量标准以及物料BOM；（2）按照生产计划以及操作流程，控制单元设备和（或）人按照工艺参数、文件、半成品质量标准进行生产，同时采集各单元设备的生产过程数据，与工艺要求进行实时比对，出现异常进行自调整或者指挥人进行调整；（3）采集各单元设备的物料消耗、能源消耗数据，形成生产成本核算和人员绩效核算的基础数据；（4）采集设备的开工、完工状态，向MES反馈计划执行情况。

图1 铸造智能工厂架构

车间层主要由MES和APS构成。APS主要从ERP获取计划主数据，然后通过对物料库存、作业人员、设备产能、工装工具的有效性分析，按照产品的工艺路线进行顾客交期、工厂日历以及精益生产的逻辑算法，进行排产，形成时（或者分）、日、周、月的具体生产计划。排产后的计划，通过MES将工艺参数、文件、半成品质量标准以及BOM等与其进行结构化绑定后，下达到智能单元系统进行执行。实际生产过程的执行结果由智能单元进行反馈，当执行过程中的设备、质量、物料出现异常时，由智能单元系统向MES发起异常的处理流程，MES将异常处理结果再回馈到智能单元系统进行执行，形成闭环；同时，MES接收各智能单元反馈的实际生产情况，形成生产进度追踪、质量追溯、物料追寻等统计分析功能。

企业层由全流程虚拟制造系统、ERP、SRM、CRM、HR、LIMS、特色管理系统和决策支持系统构成。全流程虚拟制造系统进行产品的铸造工艺设计、仿真、检验以及制造参数、文件的生成，以及产品设计数据的归档管理，与ERP集成，向ERP传送物料BOM、工艺路线，与MES集成，向MES下达制造过程所需的工艺参数、文件、半成品质量标准等；ERP进行企业资源、供应链、物料主数据、生产主数据的管理，与MES进行集成，实现生产计划的闭环管理；SRM进行供应商管理，与MES系统集成，实现物料采购计划与供应商的自动对接，与ERP集成，实现财务账目的结算；CRM进行顾客关系管理，与ERP系统、全流程虚拟制造系统集成，实现询报价、订单管理，与MES集成，实现顾客订单生产过程可视化；HR进行人力资源管理，与MES、ERP、智能单元集成，实现人员的角色、权限统一化管理；LIMS进行产品、原辅材料的物理性能、化学成分检测，与MES集成，实现产品、原辅材料的质量管理与追溯；特色管理系统作是ERP、SRM、CRM、HR管理界限外的综合管理系统，是共享集团多年管理经验的总结，由企业的战略、行政、创新、财务、计划量化等管理模块组成；决策支持系统，主要由BI作为软件平台，从企业经营、生产、质量、设备、环境安全等主题，展现企业即时的运营状况，为企业领导决策提供数据支撑。

2 结语

通过不断探索与实践，共享集团已形成了以上行之有效的智能工厂建设方案，并在集团内部的几代实验工厂得到了验证，产生了良好的内部效益和社会效益。共享集团旗下的共享装备数字化工厂在2015获得年国家首批46家智能制造/数字化工厂试点示范。实验工厂已迎来多批政府和企业人员的莅临指导，为行业的发展提供了一条可借鉴的转型之路。

[1] 王欢，田静，古玲玲，等.铸造企业数字化工厂建设浅析[J].中国铸造装备与技术，2017（3）:58-60.

[2]刘小龙.自动化铸造装备和数字化铸造厂 [J].铸造设备与工艺,2013（6）:1-3+30.