智能制造助推计量仪器行业高质量发展

王琼彦，叶 炎

（1.沁水县综合检验检测中心，山西 沁水 048200；2.北京康斯特仪表科技股份有限公司，北京 100094）

0 引言

进入21 世纪以来，在经济全球化和社会信息化的背景下，国际制造业竞争日益激烈，对先进制造技术的需求更加迫切。党中央、国务院审时度势提出了制造强国战略，印发实施《中国制造2025》（国发〔2015〕28 号），以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，明确把智能制造作为主攻方向，实现制造业由大变强的历史跨越。随着“工业4.0”和“中国制造2025”等概念深入人心，制造业向智能化方向发展也是大势所趋，成为制造业在第四次工业革命的必然选择。作为制造业当中的基础性支柱产业，计量仪器行业无疑将走在智能化的前列。目前，智能化主要表现在三大方面。第一是生产智能化，引入先进的生产技术，提升仪器生产效率，不断向智能化过渡，并最终实现生产自动化、信息化、智能化；第二管理智能化，利用管理软件使企业管理更加高效和科学；第三是仪器仪表产品本身的智能化，主要表现是基于计算机技术、大数据技术和人工智能等新技术的应用，实现仪器智能化。未来，智能仪器将大大解放用户的双手，自动完成数据采集、运算、统计、处理，以及数字图像的处理。

图1 数字化车间总体设计图Fig.1 Overall design of the digital workshop

1 我国计量仪器制造企业智能制造情况

我国计量仪器制造企业主要有：北京康斯特仪表科技股份有限公司（以下简称北京康斯特）、广东香山衡器集团股份有限公司、杭州先锋电子技术股份有限公司和深圳市鼎阳科技股份有限公司等数十家企业，多数企业围绕“制造”向“智造”转型升级的需求，先后开展了智能化改造。

以北京康斯特为例，继2016 年成为工信部国家智能制造试点示范后，持续实施着价值链的数字化和网络化，2018 年又被工信部授予制造业单项冠军示范企业。围绕智能制造改造，康斯特结合具体业务制定了相关战略，并组建了专业的智能智造团队。先后完成了数字化加工中心、数字化组装中心和数字化发货中心的建设，并实现生产过程信息可视化。开发和使用备货系统、发货系统、ERP 系统和MES 软件实现生产和企业管理数字化。精益的管理缩短了计量仪器的生产周期，提高了资金周转率，加快了高附加值产品的导入速度，也促进了公司产品质量的提升。

2 生产智能化和管理智能化已经实现

图2 数字化加工中心Fig.2 Digital machining center

在计量仪器制造过程中，产品的生产环节、出厂检验环节和生产管理过程环节等方面是实施智能化改造的重点。计量仪器智能化改造则需要以下核心装备：工业软件及工业互联网系统、高档数控机床和工业机器人、智能化高效率强度及疲劳寿命测试与分析装备、智能化标定和检测装备，以及智能物流仓储装备。其中，软件方面：设计和工艺仿真软件不仅应用于研发环节，还可以直接使用在机械加工环节；控制软件则集成于大多数智能制造装备中，起到安全可靠的控制作用；业务管理软件常使用制造执行系统（MES）、企业资源管理软件（ERP）、供应链管理软件（SCM）等；数据管理软件包括了嵌入式数据库系统与实时数据智能处理系统、数据挖掘分析平台等。智能制造装备和工业软件近年来迅猛发展，并逐渐实现了国产化。

目前，我国主要计量仪器制造企业已经实现生产智能化和管理智能化。以北京康斯特为例，数字化加工中心采用数码大方CAXA 工艺解决方案，其适合于制造业中所有需要工艺卡片的场合，重点解决企业工艺编制效率低、信息统计汇总难的问题，通过CAXA 工艺解决方案将企业工艺信息规范化。CAXA 工艺图表打造了全新的工艺编制软件平台，具有多文档、多环境的特点，使用户在编制工艺文档或绘制工装图纸时更加流畅、自如，而且依据中国机械设计的国家标准和使用习惯，提供专业化的强大功能，并且提供标准、规范的工艺模板、工艺资源知识，将繁重的工艺工作变得简单轻松。其与CAD 软件无缝集成，非常方便智能。加工中心使用MES 软件管理50 台数控加工设备，通过加工代码管理、设备通信、信息采集以及统计分析，为车间排产、调度提供数据支撑，提高设备综合利用率，最终实现了车间生产无纸化，排产自动化，过程可视化。

图3 ConST9000压力自动标定系统Fig.3 ConST9000 Pressure automatic calibration system

压力计量仪器在传统生产工艺环节完全依靠人工进行，产品质量只能靠人的技术水平来保证。经过智能制造改造后，在压力智能检测环节，压力自动标定系统取代了人工用于智能压力仪器的老化测试过程。ConST9000 压力测试标定系统，可以提供从微压60 Pa 到高压280 MPa 的全自动压力源，配合恒温箱实现应力老化和高低温老化同时进行。这是智能压力仪器生产过程中的核心工艺，实现了智能化疲劳测试。此外，ConST9000 压力自动标定系统采用压力标准器作为测试标准，通过系统测试软件完成数据自动采集，最终可以完成传感器自动筛选，压力数据标定，数据自动存储等工作。

压力计量仪器作为计量标准器使用，其长期稳定性和可靠性一直是考核质量的重点。以往产品的稳定性和可靠性无法在生产环节进行测试和衡量，只能依据JJG875 数字压力计检定规程的要求定期送检，才能进行判断，而此时产品已交付给用户使用一段时间，这样一旦有问题必然带来大量的服务工作量，产品质量也无法保障。ConST9001智能化压力等级分选测试系统，通过自动采集压力计量仪器的数据，并进行科学系统的分析，从而完成了在企业生产环节对压力计量仪器的等级分选工艺，最终将稳定性和可靠性无法达到要求的产品筛选出来，进行降级处理。这也是首次实现稳定性的自动评价，大幅提升了产品质量，赢得了客户的口碑。

在出厂计量环节，ConST800 压力全自动检定校准系统取代了活塞压力计、数字压力计、精密压力表等组成的标准设备，计量人员只需要将压力计量仪器安装在连接台上，利用系统软件实现快速检测，并自动出具检测记录和证书，其效率是传统检测方法的5 倍以上。计量数据可直接出具出厂检测证书以提供给用户，是产品出厂质量评价的重要文件。所有此环节的数据将永久保留在生产企业，为企业进一步分析和提升产品质量提供了数据基础。

图4 ConST9001智能化压力等级分选测试系统Fig.4 ConST9001 Intelligent pressure grade sorting test system

图5 ConST800压力全自动检定校准系统Fig.5 ConST800 Pressure automatic calibration system

多数压力计量仪器带有电测功能，其电测精确度指标直接影响到产品的多项关键性能。ConST929 电信号智能标定系统取代了电测计量工程师，自动依据规范执行标准化的校准工作。该系统采用EMC 综合优化的电测系统，结合最高等级直流源表装置，利用电信号计量数据，实现了压力计量仪器电压、电流、频率等多项参数的自动校准。该系统可以一次性校准20 台智能压力仪器，极大地提高了工作效率，提升了产品质量。

发货中心采用H 型工作台，用于放置常用的包装和配件，提高发货中心效率。发货过程通过ERP 软件实现数字化管理，并汇总显示：发货订单状态显示图表、未完成订单追踪信息、异常订单原因。物流发货中心使用备货系统、发货系统等生产管理系统软件，实现了物流数字化，极大地提高了管理效率。

图6 ConST929电信号智能标定系统Fig.6 ConST929 Electrical signal intelligent calibration system

图8 集成AI技术的智能压力检测系统Fig.8 Intelligent pressure detection system integrated with AI technology

3 计量仪器智能化时代已经到来

国内计量仪器制造企业围绕“制造”向“智造”转型的另一方面则是产品的智能化，主要表现是基于计算机技术、新一代信息技术和人工智能等新技术的应用，实现仪器智能化。

图7 发货系统软件Fig.7 Delivery system software

图9 智能全自动压力校验仪Fig.9 Intelligent automatic pressure calibrator

以压力计量仪器为例，智能化时代已经到来。目前，指针式和数显式压力仪表在工业生产、电力传输等传统行业得到了广泛的应用，但一般缺少数字接口，检测时必须由人工读数，并需要专业的计量人员对仪表进行信息录入、数据检测，结果运算等工作。为了解决这一问题，新产品采用YOLOv5 深度学习模型开发识别模块，通过构建和模拟神经网络以进行分析学习，获取仪表显示类别和定位仪表图像坐标，结合OpenCV 图像处理，进行表盘、数字、指针、刻度图像的数字转化。新型压力仪表智能检测系统基于AI 智能识别的压力信号采集技术，实现高效率、高准确度的自动图像信号数字转化，并可实现信息自动录入，数据自动检测，自动运算结果，极大地提升相关工作效率。

现代制造业的发展趋势是将产品越做越小，比如早期电脑像房子一样大，后来逐渐演变成为现在的台式电脑、笔记本电脑甚至平板电脑的大小。出于用户对现场使用的需求，设计制造者也开始考虑将仪器做得更小、更便携，压力计量仪器制造也不例外。传统的电动气泵存在体积大、重量大、功耗大、产生气体压力低、带压启动性能差等缺点，不能满足小流量、高压力的要求。新产品重新根据高压力、小流量的特点，设计了集成度高、体积小、重量轻、功耗小，能够同时实现抽真空和造压的气泵。新型现场计量仪器具有机电一体化功能，任务自动运行，误差自动分析，测试报告自动生成，能带来高效的现场全自动检定与校准体验。

4 展望未来

进入21 世纪，互联网、新能源、新材料和新一代信息技术正在以极快的速度形成巨大的产能和市场，将使整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动一场新的工业革命。德国技术科学院（ACDTECH）等机构联合提出了“第四代工业——Industry 4.0”战略规划，旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。作为制造业世界第一的大国，我国制造业在智能制造和绿色制造领域将出现发展的战略机遇期。计量仪器行业也可利用此机会，面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展的需求，针对制造过程中的感知、分析、决策、控制和执行等环节，融合集成先进制造技术、信息技术和人工智能等新技术，实现高端计量仪器国产化。最终，实现制造业生产测试环节和计量环节的自动化、智能化、精益化和绿色化。