一种碳纤维生产管理信息化系统

2022-03-17党晓波刘朝娥南晔曹志强申培君

电子测试 2022年5期

党晓波，刘朝娥，南晔，曹志强，申培君

（1.西安康本材料有限公司，陕西西安，710025；2.高性能碳纤维制造及应用国家地方联合工程研究中心，陕西西安，710089）

0 引言

碳纤维由于具有轻质、高强、高模量及在非氧化气氛下耐高温等功能特点，是发展航空航天及军事工业等尖端技术必不可少的新型材料。目前国内专门用于碳纤维制造行业生产管理的数字信息化系统基本处于空白状态，碳纤维生产为化工生产行业，属于系统工程，整个生产过程产品信息数据量庞大，每束丝的产品信息均须记录，尤其是规模较大的生产线，生产中间过程信息及产品各项测试数据全部依赖人力记录。该种生产管理方式会导致（a）生产操作人员的工作强度及难度随着生产规模及任务量成倍增加；（b）难以避免因人为疏忽而导致的产品信息记录错误；（c）生产效率低下，产品信息统计及产品质量分析工作难度增大；（d）产品用于军工生产的话，按照要求产品信息保存周期为15年，必然导致产品及原材料信息记录本的大量堆积，纸质文件保存不易等问题；（e）产品质量信息溯源难度大；（f）产品所有理化分析报告存在一定程度的滞后，加上报告在部门审批流转的过程，难以实现及时准确的根据产品理化报告数据对生产过程的工艺调整，一定程度增加了废品率。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维庞杂而繁琐的过程信息管理对适用于自身特点的信息化系统的依赖性和必要性愈来愈强，因此设计一种专门用于碳纤维生产管理的信息化系统显得尤为重要。

1 信息化系统架构

本生产管理信息化系统为基于MES的基础上开发，MES即面向生产制造企业车间执行层的信息化管理系统，主要是针对车间层的生产管理技术，它可以跟踪和监控从原材料到产品入库的整个生产流程，使企业的管理人员了解生产现场的进度、质量等，调整更好的生产计划，从而提高工作效率，降低生产成本，增强企业的竞争力。关于MES系统，具有以下几大特点：①多方面合理的集成，MES系统属于作业层管理系统，在标准的企业信息化三层结构中，位于上层企业的规划管理系统和下层的作业控制系统之间，其不仅是作业层信息的管理工具，同时也是底层与ERP的数据交换通道。②MES系统具备准确完善的数据分析功能，越来越多的企业重视对生产数据的采集与整理，但数据的利用率却很低。产品开发的原则就是要充分利用每一个数据以及数据之间的相关性，做出更多的数据分析模型，为用户提供准确的决策支持。③MES系统具备强大的工作管理能力，用户可以对以前的工作通过附加自定义类别、系统属性等方式，进行井井有条地管理工作结果，提高强大的工作结果查询和数据统计功能。④MES系统，能够形成标准化的、优化的设备操作方法和工艺流程控制方法。⑤MES系统具备强大的数据采集能力，可实现与自动化控制系统的数据互通。ERP系统一般用于开发OA系统开发，更贴合上层管理部门使用。综上分析MES系统相较于传统ERP系统更加适合用于生产制造行业车间的信息化系统建设。

（1）本信息化系统包括硬件、软件、网络工程三大部分；硬件工程部分包含两台服务器、服务器机柜、标签打印机、防尘PDA扫码终端、工业大屏、工业平板、可通讯电子秤、扫码枪、应用计算机；软件工程部分包含基础定义、生产调度、原丝作业、碳丝作业、装箱作业、生产跟踪、监控中心、设备管理、理化分析等九个功能模块；网络工程部分包含千兆网络交换机、千兆双频AP、千兆路由AC管理器、POE千兆交换机、网络机柜、光纤收发器、ODF光终端、光纤等。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

（2）硬件工程部分中两台服务器做双机热备设置，分别安装于服务器机柜内，作为整个信息化系统的核心处理器及数据存储单元，当一台服务器发生故障时，备用服务器可自动切换使用，服务器的硬盘存储设置预警功能，当数据量达到预设值时自动发出警报，提示管理人员对硬盘数据进行备份，以免生产数据丢失，能够有效保证本系统运行的安全性及稳定性；标签打印机分别安装于原丝及碳丝车间收丝处，用于打印原丝、碳丝工位码，原丝产品信息二维码，碳纤维产品信息二维码，装箱箱号二维码等产品信息；PDA扫描终端及工业平板为手持可移动设备，便于操作人员在车间内任意位置使用。扫码终端为IP65防护等级的工业级PDA(掌上电脑PDA)，能够防止灰尘进入，这里起到了避免碳纤维生产中漂浮的碳丝(导电性)进入PDA的电路板而导致电源短路的危害。移动数据终端具备WLAN通讯功能，可通过无线路由器和接口服务器进行通讯，使得移动数据终端可以在无线路由器wifi信号覆盖的碳丝生产现场任意地点进行生产信息交互，提高信息化操作的便捷性；PDA具备对一维条码、二位码通过扫描或成像后的解析功能，实现现场标签信息自动采集；两台工业大屏分别安装于原丝及碳丝车间内，原丝工业大屏上可实时监测到原材料使用情况，原丝每日收丝率、定轴率、合格率，原丝累积产量统计等信息。碳化工业大屏可展示碳纤维产品每日收丝率、定轴率，碳纤维累积产量统计等信息；可通讯电子秤及扫码枪安装于碳丝车间收丝处，配套用于碳纤维产品重量信息的登记、计量、数据上传，电子秤精度可精确到0.1g；应用计算机安装于单位领导及工艺技术人员办公室内，可远程查看监控碳纤维生产信息化系统的各项数据、产品生产进程、设备运行状况以及对产品质量进行对应的工艺数据分析等。

（3）软件工程部分是基于MES开发的适用于碳纤维生产管理的信息化系统功能块，大体上分为基础定义、生产业务、生产管理、产品理化分析四个业务部分。系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

基础定义模块功能包含组织人员管理、人员权限设定、单位业务范围定义、产品批次号定义、产品标识编码规则设置、原丝长度及纤度合格值设定、碳丝长度及重量合格值设定、产品不达标判定参数设定、原丝及碳化工位数的设定、系统各项服务设置等。

生产业务部分包含生产调度模块、原丝作业模块、碳丝作业模块、装箱作业模块四大模块。生产调度模块功能包含生产单位领导根据上级领导的生产任务制定全年生产计划，生产任务单的制定及下达，当一个批次的生产任务单执行完毕后，可手动关闭该生产任务单，保证车间生产顺利有序的进行，实现了优化组织车间人员进行生产。原丝作业模块功能包含原材料领用、使用、库存等信息的记录统计，原丝纺位、收丝工位生产过程中产生的各类二维码的生成、编辑、管理，原丝各工位产品信息的自动录入，收丝开始与结束时间的自动跟踪，纺速调整信息录入，原丝长度的自动计算，原丝产品信息二维码的自动生成及打印，原丝长度及外观不达标的自动判定，原丝贴码及分组，原丝产品信息的检索、查看、编辑，原丝产品数据的导入、导出等功能。碳丝生产模块功能包含碳丝放丝工位、收丝工位生产过程中产生的各类二维码的生成、编辑、管理，碳丝各工位产品信息的自动录入，碳丝产品信息与放丝工位的自动绑定识别，收丝开始与结束时间的自动跟踪，碳纤维收丝长度的自动计算，碳丝产品信息的检索、查看、编辑，碳纤维产品数据的导入、导出等功能。装箱作业模块功能包含碳丝产品称重及信息上传记录，碳丝长度及外观不达标的自动判定，碳丝产品二维码的生成、编辑、打印，碳纤维产品装箱码及装箱清单打印，装箱码与箱内碳纤维产品信息的自动绑定等功能。

生产管理部分包含生产跟踪模块、监控中心模块、设备管理模块三大模块。生产跟踪模块功能包含碳纤维产品历史数据的查询、检索，产品信息的溯源，产品数据分析，质量分析及报表、产品参数曲线的生成。监控中心模块功能包含原丝、碳丝车间产品信息、设备运行状况等信息的展示，产品历史数据统计、展示，各车间月产量、年产量的统计、展示，原材料消耗量展示等。设备管理模块功能包含生产线各类设备的运行状况及设备保养计划的制定、执行记录，设备运行参数的自动上传、记录、查询。

理化分析模块功能包含原丝、碳纤维产品所有理化分析数据的测试上传、记录、编辑、查阅，产品理化分析数据曲线生成等。

（4）网络工程部分通过预埋光纤，搭配千兆网络交换机、千兆双频AP、千兆路由AC管理器、POE千兆交换机、网络机柜、光纤收发器、ODF光终端等网络设备，用于实现机房应用服务器与生产单位内各领导、工艺技术人员办公室应用计算机及生产现场各生产执行区间终端设备的数据通讯、网络共享。

2 信息化系统应用效果分析

本生产管理信息化系统应用于本单位碳纤维生产线后，极大程度降低了碳纤维生产中对人力的依赖性，大幅降低操作及管理人员的劳动强度，每班精减了三名操作人员，公司各级管理人员和操作人员能够通过相应的权限利用信息化系统中所采集的数据，如原材料到货的情况、库存情况等，方便了车间的调度、安排生产计划，下达生产任务，缩短了日常排产、调度材料等所浪费的时间，有效的提高了工作效率，生产过程更加透明化，产品质量数据分析及产品溯源更加简洁方便，产品理化分析各项数据可实时在线检索查阅，替代了产品原纸质历史数据信息记录本，产品历史数据信息保存周期及效果更好，实现了本公司碳纤维生产线的无纸化办公，每年可为公司节约人力及管理成本50万元左右，广受公司各级领导好评，一定程度上提升了公司在碳纤维行业的企业形象。