智能铸造工厂与高质量发展

2022-02-24刘小龙

中国铸造装备与技术 2022年1期

刘小龙

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

1 智能铸造工厂的定义

最近铸造行业使用频次最高的词就是数字化、智能化、绿色化、高端化、融合化等。新建铸造项目的名称基本没有不带“绿色”、“高端”、“精密”、“智能”、“数字化”等字眼的，经常收到某某绿色智能铸造项目建成投产的消息。但实际情况大多是无经验、无技术、无人才的“三无”企业，选择的是“饿死同行、累死自己、坑死业主”的供应商，工艺落后、装备不完善、安全隐患多、环保不达标等。

那么，所谓“智能铸造”，既不是使用机器人进行铸造，也不是用电脑来控制生产线。为此，先了解以下几个概念。

智能装备：是具有智能感知、自主认知、智能决策、智能控制，然后通过人机协同实现智能制造。主要包括识别与传感、人机交互系统、控制系统、增材制造、工业机器人、数控机床及设备、智能工艺装备等内容。

智能制造：“十四五”智能制造发展规划定义，智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。

智能工厂：是实现三大集成装备的横向集成，信息的纵向集成，产品生命周期和企业价值链集成。

智能铸造：是信息化与铸造生产高度融合的产物，包括智能铸造技术和智能铸造系统[1]。智能铸造技术主要是指通过智能铸造装备优化铸造生产流程和工艺参数的过程；智能铸造系统是具有学习能力的大数据知识库，能够通过对环境信息和自身信息的对比分析而进行自我规划、自我改善。

智能铸造工厂：数字化设计，基本采用智能化或自动化铸造装备，利用网络和信息化技术，依托先进管理软件，整合工厂所有铸造装备，系统智能生产铸件的工厂。

不管怎样定义，笔者认为智能铸造必须是：

智能设计——采用现代设计手段，对未来工厂进行模拟仿真并优化。

智能生产——选用智能或自动化铸造装备；智能铸件产品；智能物流系统；智能安全系统。

智能管理——目视化管理系统；设备联网系统；环境监测系统；数据采集系统；通讯网络系统；质量跟踪系统。

2 智能铸造工厂与高质量发展的关系

高质量发展宏观来说就是从关注经济规模和增长过程，转向关注增长的结果和增长的效益。可以从三个层面进行理解：从宏观层面理解，高质量发展是指经济增长稳定，区域城乡发展均衡，以创新为动力，实现绿色发展，让经济发展成果更多更公平惠及全体人民；从产业层面理解，高质量发展是指产业布局优化、结构合理，不断实现转型升级，并显著提升产业发展的效益；从企业经营层面理解，高质量发展包括一流竞争力、质量的可靠性与持续创新、品牌的影响力，以及先进的质量管理理念与方法等。那么，智能铸造工厂与高质量发展又有什么关系呢？从宏观来看无非是能给社会带来什么好处；从微观来看无非就是智能铸造工厂能给企业带来什么好处和效益。下面根据个人经验和理解，试着从微观角度谈谈二者的关系。

2.1 智能铸造工厂能提高设备可靠性

智能铸造工厂中全部生产活动将由自动化生产集成系统控制，生产现场配有自动化生产设备或智能机器人，按照预设的机械动作、既定的生产计划自动化生产，这些智能铸造装备通过传感器、大数据等软硬件系统达到实时监测，对可能发生的故障提前预警，从而提高了设备的可靠性。即使在设备出现故障时，系统也会根据设备报警信息检索并推荐故障知识库中的相应解决方案，提高维修效率。

智能装备将逐渐有人工自愈系统——机器故障能像人和动物一样可以“自愈”，人工智能会使装备变的更聪明，人工自愈会让装备变的更健康[2]。因此，提高了设备的可靠性和可利用率。比如西门子成都“数字化工厂”，其自动化率60%，就能做到合格率99.9985%，准时交付率98.8%。这都得益于设备的高可靠性。

现有铸造装备具有的智能因素有：自动造型线系统、自动加配料系统、自动铁液输送系统、自动清理系统、电炉漏炉预警、报警系统、设备强制保养系统；斗式提升机的头尾轮、多角筛的主轴等设置轴温检测和报警装置等。

2.2 智能铸造工厂能提高生产率

目前制约铸造装备生产率的主要因素是各工部不匹配、信息不能及时沟通、设备可靠性差、标称能力与实际能力差别大等因素。智能铸造工厂采用现代设计软件，先对现实工厂进行模拟仿真和优化，选用的装备基本以自动化生产线为主，能有效实现信息共享，整合企业间优势资源，在各产业链环节实施协同创新，推动制造资源和制造能力的优化配置，以提高劳动生产率、提升产品质量。在系统统计方面，会自动对生产数据进行汇总，生成报表，快速准确，降低人员数量。

目前铁水输送系统有效的解决了熔化和造型线之间相互等待的问题；砂芯配送中心有效解决了制芯和造型不匹配的问题；砂处理和造型线的联锁，有效解决了造型线型砂需求问题等。这些装备已经有一定的智能功能，但某种意义上说还不是智能装备。即便如此，采用这些装备的企业以前人均年产铸件几十吨，现在已经有生产发动机铸件人均年产200t，生产刹车盘铸件人均年产450t。

2.3 智能铸造工厂能提高安全性

智能铸造工厂的智能装备，都设置了完善可靠的安全装置，提高了设备的安全性，这些装置与设备运行进行联锁，避免人员进入设备内部的危险场所造成人员伤亡；设备内部运行也有很多联锁条件，避免设备运转时加油、修理、检查、调整、焊接、清扫等工作，造成设备或人员安全事故；设备间严谨的逻辑关系和联锁条件，避免了由于人的误操作造成设备事故；通过视频分析防止人员不按规程操作，避免管理缺失造成人员安全事故等。这方面主要有安全锁装置；光栅装置；安全道闸等。

2.4 智能铸造工厂能提高产品质量

由于智能铸造工厂的产品基本都是采用自动化的智能装备生产出来的，不会像人一样因人而异，且随着人员的情绪、体力、责任心等变化而变化，因此，产品一致性好。另外，在智能铸造工厂中，很多工艺参数是由装备来保证的，这样，就保证了产品的内在质量，比如从出铁到浇注，全部由装备自动完成，当这一过程与设定程序、时间不一致时，将自动停止浇注，从而保证浇注的铁液质量，确切的说智能铸造工厂是由装备保工艺，由工艺保质量；另一方面，智能铸造工厂多数都采用新的造型工艺，采用无模铸造和增材制造技术，生产产品无披缝或披缝很小，产品的清理也是自动化设备进行，因此，进一步确保了铸件的外观质量。

2.5 智能铸造工厂能提高企业管理能力

智能铸造工厂都有ERP 系统、有线通信系统、计算机网络（Intranet）系统、安全防范系统、有线电视系统、门禁系统、抄表系统等。都使用了可视化监控、远程运维、能源管控，可实现对设备的启停控制、运行模式设置、参数设置等功能的远程操作，且实时反馈生产情况和设备状态，图形化、图表化展示生产数据，直观简洁明了。依靠电脑程序进行生产排序，方便快捷，正确率高；利用MES系统，设备可视化监控、备品备件管理、维修保养管理，设备可靠性和利用率大大提高；智能铸造工厂可实现无纸化办公，所有数据可实现授权共享，提高决策效率和现场管理能力；同时，所有数据都采集于生产一线，真实有效，不会被人为更改。

2.6 智能铸造工厂能提高企业对产品的反应速度

由于铸件的多样性和供给的及时性要求，传统的铸造工厂很难适应多变的供应要求，在智能铸造工厂，由于有信息化系统、自动化物料输送系统、智能物料仓储、智能物流系统，其中信息化系统根据生产计划要求进行自动排产，合理安排小批量的多种产品的生产，并通过生产看板实时地显示生产计划安排。因此，产品型号的频繁切换将变得容易，设备与设备之间有着良好的协同关系，既有各自的独立性，又有团队协作精神。

比如模具立体仓库的设置，很好的解决了小批量多品种的更换模具问题；快速更换模板系统已成为自动造型线的标配；产品的协同设计，大大缩短了产品的设计周期；新的3D 打印铸造技术，缩短了产品的试制周期。

2.7 智能铸造工厂能减少污染物排放

智能铸造工厂通常采用了低污染的装备和工艺，污染物的排放量本身就少，比如：事先对光、声、烟等进行了模拟优化，减少污染物产生；采用无机粘结剂生产砂芯；改冲入法球化为喂丝球化工艺，且在封闭状态下完成，减少弧光和粉尘的污染，粉尘收集经除尘器处理后达标排放；设置废砂再生或在线再生；采用低噪声除尘风机，降低噪声。另一方面，智能工厂污染物治理措施非常完备,有完备的环境在线监测系统，即使有污染物产生，也能有效治理。比如：电炉采用龙卷风式吸尘罩，有效收集烟气90%以上；对铁液输送路线中的烟气设置吸烟罩，对烟气收集处理；对于落砂机、清理打磨、砂处理等工序设置密闭抽风罩和完善的除尘装置；对热芯机产生的气味、三乙胺气味、砂芯立库散发的气味等进行处理。

2.8 智能铸造工厂能降低能耗和成本

智能铸造工厂在设计初期就对各种工况进行了模拟优化和系统节能设计，最大程度地降低了物理原型的生产成本与更改，从而有效地减少资源浪费、降低产品开发成本，其工艺布局往往是节能的。比如：采用落砂后铸件直接进退火炉，利用铸件的余热进行退火；把退火炉的排烟余热引入落砂机除尘系统，消除除尘器布袋结露；砂芯从地沟输送到下芯工位，减少物流路线；电炉循环水出水余热或空压机的余热，经热交换后作为洗澡水热源；冬天室内空气经除尘过滤后回到室内；铸件冷却段的余热用于涂装工段的烘烤；用铸件的余热烘烤涂料等。

智能铸造工厂的投资是合理的，选用的装备是低能耗的。比如：采用的电机都是二级以上能效等级的；采用的压缩空气管道是经过阳极氧化处理的铝管；采用的电炉都是能耗比较低的产品等。

智能铸造工厂都有能源管理系统，根据工况调整装备能耗，降低了设备空运转的时间，从而提高了能耗的使用率；比如：液压站采用变频控制，根据负载调整功率，而不是空载溢流；砂芯配送中心的设置，大大提高了造型线的实际生产率；铁液输送系统极大的减少了造型线等待铁液的时间。

智能铸造工厂的产品质量提升，也是节能的一个方面。比如：智能铸造工厂的产品合格率要比传统工厂高；经过精确定量基本没有浇注后剩余低温铁液，铁液利用率高；回炉料经过清理处理，以降低熔化能耗；由于铸件的高精度，可以降低加工余量，从而降低加工能耗。

2.9 智能铸造工厂可以降低对操作人员的要求

如前所述，智能铸造工厂所采用的装备，都是以智能装备为主，将拥有智能运维系统或机械智能故障诊断系统，甚至有人工自愈系统，从而有效降低运维的难度。对于操作人员的要求就更低了，操作人员只要会启停按钮就行，如果人员参与工艺流程操作，当工序不符合要求时，智能装备会提醒操作人员按规定程序执行，具有纠错功能。比如：铁水输送过程中如果温度降低到设定温度，设备会自动停机，提醒将铁液倒掉，不需要凭经验判断；关键设备运行次数达到保养设定，会自动提醒保养，无需人员判断；浇注机孕育剂的自动加入，更加符合工艺要求，不需要人员凭经验掌握时机和加入量；人员工作超出了工作范围，视频系统会纠正人的动作。

综上所述，通过微观分析，我们看到了智能铸造工厂和企业高质量发展的关系，如果我们每个铸造工厂都实现了智能化，在微观上会给各企业带来很好的经济效益，在宏观上也就给国家带来巨大的社会效益，实现高质量发展。

3 如何实现智能铸造工厂

3.1 认识到位

必须意识到建设智能铸造工厂的必要性和重要性。我国铸造行业已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段，铸件占世界产量约45%、达5195万吨，是世界铸件生产大国，但整个铸造水平仍然不高。另据统计，我国制造业中90%以上的是中小企业，超过55%的企业尚未完成基础的设备数字化改造，这与新发展理念的创新、绿色不相适应，必须加快铸造业的转型升级。

必须意识到工程设计对建设智能铸造工厂的重要性。设计是产品创新的最重要环节，智能优化设计、智能协同设计、与用户交互的智能定制、基于群体智能的“众创”等都是智能设计的重要内容[3]。据统计，项目前期工作对项目投资的影响程度在70%～80%，对运行成本的影响更大。因此，前期准备和规划相当重要，很大程度上影响项目投资和将来运行成本。但许多企业往往忽视这一重要环节，连正规设计院都舍不得花钱去请，怎么能建设成智能工厂？其实从某种意义上说：产品的质量是设计出来的，而不是制造出来的，特别是智能铸造工厂。大家知道，不同档次的产品，需要与其对等的服务对象进行服务才能实现，换句话说：一流的企业要选一流的服务对象。所以，要想建设智能铸造工厂，就需要请专业设计院设计，同时，设计单位必须进行创新设计，包括知识融合创新设计、系统融合创新设计、学科融合创新设计。

必须意识到尊重科学规律的重要性。凡事都有合理的发展周期，现有模式的铸造项目工程设计一般要分两个阶段：初步设计和施工图设计。初步设计一般40 天左右就可以完成，施工图设计一般4 个月左右，而这两个阶段之间往往相隔较长时间，原因是初步设计完成后要进行设备订货，等到设备资料齐全后才能进行施工图设计，而设备订货时间往往是6～7 个月，有的甚至超过一年。铸造项目建设也是如此，一般要2 年半左右，突击建设的项目，最终大都不会有很好的结果。至于新建智能铸造工厂的设计：为了确保建设质量、建设周期、建设成本等预定目标，需要确定建造过程数据采集范围、流程、信息载体、系统平台等，一般需要：

（1）技术三维模型转换成施工模型，采集需要的建造数据，并将这部分数据与BIM 模型建立起联系。

（2）基于施工模型的WBS 进度编制/过程管理，将进度任务与模型相关联。

（3）实现进度可视化和施工方案预演：通过动态碰撞检测，验证施工逻辑的可行性；通过关键路径上设备的实施进行进度计划的预演和模拟，对进度规划进行优化。

（4）每一个任务都对应一套计划成本信息和实际成本信息，包括人工、设备、材料、风险等，并通过EVA 计算值，查看某个施工阶段各项成本信息。

表1 是智能工厂设计与传统设计的不同点。

表1 智能工厂设计与传统设计的不同点

3.2 投资到位

建设智能铸造工厂，必须要有资金作保证。几百万、几千万的投资想建设成智能铸造工厂恐怕连架构都搭不起来。购买智能铸造装备、信息系统建立、网络系统建立等都需要资金作保证。

另一方面，必须意识到任何事情都是“等价交换”的原则。先说铸造项目设计市场，目前能够设计铸造项目的组织有专业的设计单位、社会自然人、建设单位、社会团体等，价格千差万别，水平天上地下。但笔者认为：目标决定了寻找什么样的合作伙伴，合作伙伴决定了目标能否实现，如果目标是智能铸造工厂，就一定不要计较设计费的高低去找非专业的设计单位。铸造装备也是如此，好的装备价格一定不会低，要给优质装备合理的价格，在设备招标和谈判时，不要价格一压再压，条件苛刻再苛刻，请相信“一分价钱一分货”是千古不变的真理，事实证明“价廉物肯定不美”。

3.3 协作到位

智能铸造工厂需要政府、行业组织、设计单位、研究机构、相关企业等协同用力，各司其职，各尽所能。生产企业要结合自身特点进行总体构架设计，要将自己的需求提清楚；装备供货企业要将自己的装备按照统一的平台建模，要将自己的装备控制程序融入平台，且为开放模式，要保证装备的制造质量；设计单位负责将生产企业的总体架构实现，将装备供货企业的模型整合、建模、仿真、优化；行业组织机构负责对行业需求进行调研、制定标准、分享成功经验；政府部门负责制定方针、为企业提供良好发展环境、提供政策和资金支持等。

由中国通信院编制的《企业数字化治理应用发展报告（2021 年）》指出：数字化时代要求企业打破屏障，在信息化系统之间形成有机衔接，就是说与数字化生产企业相关的企业之间，必须打破现有的信息封锁状况，在信息化系统中建立有机的衔接，相关方之间的信息是互通的。

生产企业内部需要统一平台，对熔化系统、造型系统、制芯系统、砂处理系统、清理系统、物流系统、环保系统等的数据源的海量运维数据，进行统一采集和处理，企业管理系统要与平台兼容。

3.4 风控到位

智能铸造工厂将采用大量的云数据，云环境的安全直接影响企业的生存。因此，必须防止网络和云环境的安全风险,需要云运营和管理企业不断主动消除风险。

智能铸造工厂的各种工艺参数和数据将更加集中和细致，随着企业人员调动的频繁发生，泄密的风险将更大。因此，要防范系统的安全和人员的泄密，严格执行权限管理，由被动防御变主动防御，将风险控制要求嵌入到铸件生产和企业管理的流程中。

智能铸造工厂使用了大量智能装备，如果智能控制系统出了问题或人为破坏，将是致命的问题，轻者出现成批废品，重者出现重大伤亡事故。因此，必须防范智能装备被攻击或误操作的风险。

智能铸造工厂企业内部的多个系统，要防止系统与系统不兼容或合规性应用的风险。

3.5 用人到位

铸造这门学科实践性很强，人才成长慢，毕业后需要在企业工作几年才能发挥作用[4]。智能铸造工厂需要高素质的员工，因此，必须尽早培养。但现在有一种怪现象，就是即使是材料成型专业毕业的学生，也不愿到铸造生产一线工作，其主要原因是工作环境和薪资待遇。社会上的专业培训机构，多数是培训时髦的专业，对于铸造这种传统的制造工艺，没人进行培训，也没人去学，从而造成整个铸造技术人才短缺。因此，建议企业从项目建设初期就开始人员培养。

其次，随着智能铸造企业的不断增加，关键岗位人员的稳定变的异常重要，他们直接决定整个企业设备的开动率、生产产品的数量和质量。笔者曾接触一些企业，他们在招人时许诺很好，但用人时就有一些偏差，导致人员流动性很大，刚培训好的人员，几天之后就离岗了，需要重新招人、培训，导致设备开动率下降，影响生产产量。因此，一定要留住关键岗位的关键人物，这一条对于智能铸造企业至关重要。

另外，现代企业管理对人员专业分工越来越细，一个人不可能面面俱到，因此，必须使用专业人员，用专业的人，干专业的事。比如：工厂建设过程中选用专业设计团队、专业土建团队、专业设备供应商；工厂运行过程中，选用专业管理人才、专业技术人员等。