浅谈离心球墨铸铁管数字化工厂设计

2021-02-02孙广旗

中国铸造装备与技术 2021年1期

习杰，李军，孙广旗

（新兴河北工程技术有限公司，河北邯郸 056001）

二十世纪七十年代，离心铸造球墨铸铁管工艺引入中国后，在五十年的时间里，国内各科研院所及企业单位在消化吸收的基础上，对工艺和装备不断进行尝试和优化。九十年代以来国内铸管企业迅速成长起来，更多的企业投入研发工作中，生产线的自动化水平不断提高。目前国内大部分铸管生产企业基本已经达到自动化生产水平，但就本质而言，目前国内铸管企业还是处在人工密集型生产组织模式。良莠不齐的生产线配置，人工的过度干预，都直接影响着铸管产品质量水平。

近年来随着电气控制、自动检测技术、信息化技术飞速发展，加快了企业智能化转型的步伐，智能制造生产线是以自动化、数字化、信息化为基础，基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合的集成技术，它是贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。目前各企业都努力在各自的领域进行着创新和探索，走出一条适合自身发展的智能化道路。我公司经过几年的探索，在离心球墨铸铁管生产线的建设中逐步积累了一定的经验，目前已经具备了数字化生产线的阶段。下面与大家共同探讨对于基础铸造产业如何走出一条智能化发展之路。

1 离心球墨铸铁管数字化工厂设计的关键因素

对于铸造产业，大家的思想当中必然有着“脏、乱、差”的印象。招工难、留人难一直是传统铸造行业的一大难题，各铸造企业深有体会。同时人工成本的逐年攀升也在加速消耗着铸造企业的经济效益，企业生存面临挑战。岗位人数多、工作环境差、劳动强度高、安全管理差、产品质量低一直是铸造行业的五大痛点问题，要解决这五大难题，首先生产线要具备数字化能力，它是铸造企业解决问题的必需路径。

1.1 企业的理念和定位

《中国制造2025》由国务院于2015 年5 月印发部署，全面推进实施制造强国的战略文件，是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。它的颁布拉开了我国从“工业大国”到“工业强国”的序幕。在国内大环境的趋势下，企业对于新工厂的建设理念需要发生巨大转变，由过去仅对生产线功能的需求转变为对工厂全方位的精益管控的要求。这需要企业的理念和定位发生根本性的转变，其中五个方面的综合因素要在规划建设中进行充分体现：智能、高效、高质、安全、绿色。

1.2 工艺路线的合理规划

离心球墨铸管生产线规划之初，首先要考虑工艺的合理性，从熔炼到成品出库的工艺路线如何设计是第一步，重点要以合理集约的工艺路线、最好的空间利用、最少的岗位人员等因素进行定制化的工艺设计。工艺路线的适应性，针对每个企业的不同要求是要反复进行论证的。离心球墨铸管生产线需要从以下几个方面进行针对性规划：生产线的集约化设计；岗位数量及劳动强度降低；安全防护整体设计；质量的跟踪追溯及反馈；先进环保技术的应用；人流物流合理性规划；建设成本的优化等等。图1 是某铸管厂生产线工艺流程，供大家参考。

1.3 关键核心装备技术研发

工艺规划与装备能力设计息息相关，是相辅相成的关系。生产线最大潜能的发挥需要核心装备功能的提升来实现。例如：传统离心球墨铸铁管生产线仅能实现单规格铸管产品过线，两台中规格水冷离心机生产不同规格铸管时，一种规格管要临时进入缓存区存放，然后再集中过线。这种生产组织方式有两方面原因：一是精整区域设备在设计上不具备两种规格产品过线的功能；二是有的设备在功能上具备，但是效率上满足不了要求，造成堵塞了铸管流水线的通道。这样实际上是极大浪费了离心机的产能，造成生产线的前后产能不匹配。以往为了解决以上问题，一些生产线设计中并列设计两台同样影响产能的设备，或者又建设一条整涂线以满足离心机产能，这样的结果势必造成投资和运行上的极大浪费。如果在核心装备上进行攻关，打破技术瓶颈，进行创新突破，就可以实现混流柔性化生产模式，在一条整涂线上满足两种规格铸管同时生产过线，并且在产能上前后匹配，单台设备效率高于传统的两台设备效率，达到高效低成本的建设和运行。图片2、3、4 是某铸管厂自主研发的新一代精整线核心设备。

图1 某铸管厂生产线工艺流程

图2 高效水压机

图3 卧式皮带式涂衬机

图4 高效全封闭喷锌机

图5 上芯机器人

图6 打磨机器人

图7 喷码机器人

工业化机器人的广泛应用，也为铸管工厂向智能化转型升级带来了契机，仅需一次性投入就降低了人工成本长期支出。目前某铸管厂在生产线上已经成熟研发出了刻字、上芯、打磨、测量、上下堵头、喷涂、喷码等系列机器人，全线投入应用40 台机器人，为铸管产品高质量生产，生产线的智能化运行奠定了基础。图5～7 是某铸管厂自主研发的机器人案例。

数字化制造的基础是要保障数据的实时性和真实性，在生产线物流系统设计必须进行无人化设计，避免人工干预。某铸管厂在生产线物流的设计上全部采用无人操作装备及系统，全面实现了铸管全线的实时跟踪，尤其在养生及成品入库两个最难实现的环节，采用了智能化物流设备，在MES 系统的统一指令下接收任务调度，进行无人操作。

1.4 环保系统综合考虑

随着国家环保治理要求的提高，各地方政府均对企业建设提出了高标准的环保指标，节能减排带来的社会效益及经济效益是非常重要的，因此附属设施的设计也必需具备可控可视可量化的功能。

某铸管厂在生产线的整体设计上，能源介质、除尘、固废处理等环节均采用传感器、编码器等检测手段，实现了除尘风量、循环水、空气量、氮气等用量的数字可控及反馈，避免生产浪费，极大降低了运行成本。

图8 养生程控行车

图9 AGV 自动运输车

图10 电炉区域除尘系统

图11 兑铁定点除尘系统

2 信息化平台的建设

新铸管工厂的建设，在智能化平台搭建上要整体规划，可以分步进行实施，但是设计之初的基础建设必须搭建完善。某铸管厂在新的工厂设计中，整体架构是一次搭建完成的，即从上而下进行引导设计，同时自下而上完成数据采集，达到数据交互，为制造执行系统的实施打通路径。同时通过数据实时采集和实时分析，真正实现生产线的过程控制，生产成本的精益管理以及生产线的高效运行。

2.1 网络建设

数据中心采取企业云平台技术进行构建，即将IT 基础设施资源（服务器、存储、网络等硬件资源）整合起来，通过共享资源池的方式，实现资源的集中共享和动态调配，形成以云平台为技术支撑的IT 运营模式，为应用系统提供服务器、存储、备份、网络等资源，同时结合云安全和云管理，对云平台安全防护和统一管理，实现资源的集中共享和动态调配，形成以云平台为技术支撑的IT 运营模式。

网络系统建设采用光纤环网，并在车间各个配电室设置接入点，生产系统PLC、现场视频监控、工业摄像视频采集等通过接入点并将数据上传至数据中心进行分析处理。

2.2 工厂数字采集

生产线数据采集是MES 系统执行的关键环节，主要采取以下三种途径：

（1）控制系统PLC 通过以太网直接接入工业网络的各个接入点，将数据传入数据中心。

（2）智能仪器仪表信息直接读取。

（3）生产线铸管产品信息跟踪采集。

1）砂芯刻号或其他专有采集模式。

2）管号识别系统，采用工业相机自动识别退火炉后和整理线上关键工序的铸管承口编号，实现退火炉后铸管生产过程实时物流跟踪。

2.3 信息化系统的内容

针对未来的管理和业务需求，铸管信息化系统支持以下几个方面的业务内容：生产合同管理、质量管理、作业计划排程、调度管理、作业线管理、原料库管理、消耗管理、产品跟踪、铸管库管理、工器具管理、设备管理、备品备件管理、成本管理、人员绩效管理、报表与分析、文档管理、接口管理、数据采集管理、安灯管理、日志管理等。

系统架构自下向上分为五层：

（1）设备层：包括传感器、热工仪表、工业成像、机械手等感知和执行单元。

（2）控制层：包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式控制系统（DCS）、盖勒普车间集中控制系统（SFC）、工业无线控制系统）WIA）等。

（3）管理层：由控制车间/工厂进行生产的系统所构成，主要包括制造执行系统（MES），及产品生命周期管理软件（PLM）等。