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国营芜湖机械厂:打造橡胶制造数字化车间

2021-06-10 MES百科

01

企业简介

    国营芜湖机械厂是国家投资的国有大型企业。工厂坐落于长三角核心区域、素有“皖江明珠”之称的安徽芜湖,始建于1976年,现占地面积105万平方米,建有双翼航空科技工业园等5个工业园区;在职职工2300余人,打造了一支以博、硕士研究人员为主体,由国家级、省部级专家领衔,以航空类高校优秀毕业生为主力军的人才队伍。工厂建有国家企业技术中心、国家技能大师工作室、博士后科研工作站、安徽省院士工作站,建成省级重点实验室和技术研究中心,是高新技术企业、国家知识产权优势企业。先后获得全国五一劳动奖状、全国质量奖、国家技能人才培育突出贡献奖等荣誉百余项。

    工厂聚焦“国内领先、国际一流航修企业”的发展愿景,始终坚持“双翼齐飞”的发展理念,专注于“航空、修理”主航道,业务范围覆盖航空装备及部附件寿命增长,航空零备件及地面工艺装备,钢结构、液压管件以及表面处理等多个技术研发领域,可为客户提供“修、造、研、改、训、测”业务在内的一体化解决方案。近年来,工厂业务规模保持了10%以上的增长。

图1 国营芜湖机械厂

02

企业智能制造现状

    根据e-works的CMMI成熟度模型,国营芜湖机械厂形成了数字维修评估模型,对现状评估最终得分为2.20分,目前处理集成级的初始阶段,在包括研发、生产、物流、服务、决策等几个业务维度上低于2分处于规范级,均有较大的提升空间。

    围绕研发、生产、质量与服务、资源保障与管控四大体系能力建设,国营芜湖机械厂已经完成了产品生命管理系统(PLM)、数字化工艺系统(MPM)、修理生产管理系统(MES)、测试数据管理系统(TDM)、企业资源计划系统(ERP)等系统的新建和升级扩建;推进生产现场数字化和智能化建设,建立了现场工控网,完成了机加、热处理、表面处理、橡胶件制造等零备件制造业务的数字化改造;积极探索新技术应用研究,开展了机器视觉、可穿戴设备、虚拟现实与增强现实、5G等新技术试点应用。

03

项目详细情况

    1.项目背景介绍

    数字化车间建设是我国制造强国战略的重要组成部分,国营芜湖机械厂为提升数字化生产水平,提高信息化研发、建设和管理水平,带动企业信息化转型发展、创新发展,增强企业竞争力,通过引进大量先进的橡胶模压件制造设备以及配套设备,搭建由MES系统、CAPP系统和SCADA系统三大部分组成橡胶件制造信息化平台并与多个系统等进行了数据集成,建成橡胶模压件制造的数字化车间,实现橡胶模压件制造的数字化和信息化,提高生产效率,降低运营成本,提升产品质量,提高装备保障能力。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    1)数字化车间智能装备应用情况

    国营芜湖机械厂橡胶模压件生产数字化车间,具有多品种,小批量离散型制造的特点。车间拥有17台平板硫化机、1台全自动炼胶机、1套智能高架库及各种生产相关设备共26台,占车间总设备数量的100%。由于橡胶模压件生产属于特殊过程即通过检测加工过程参数来判断产品的最终质量,车间通过对设备联网实现所有关键加工数据全面监测,同时检测结果记录在MES系统中。

    ①平板硫化机

    平板硫化机用于橡胶件的模压硫化,在填料的模具上提供工艺规定温度(硫化温度)、压力(硫化压力),作用工艺规定的时间(硫化时间),完成橡胶零件的硫化。硫化时间结束后,模具可以自动退出加热区域并自动开启。平板硫化机安全围网和气动安全门,同时装有动作安全连锁、双手启动按钮以及红外安全门,保证发生意外时,设备不会工作。

    ②全自动炼胶机

    全自动炼胶机用于模压硫化的前工序——胶料的复炼,借助于炼胶机两辊筒辊速差,对胶料不断撕拉作用,从而使橡胶分子部分断裂,导致物理机械性能的改变,以保证半成品质量。可以接收CAPP系统工艺中的参数要求设定辊筒的工作温度,设备通过自带的智能温控装置实现辊筒温度控制。有6个紧停装置,保证在发生意外时,设备在5秒内,完全停止,并将辊距调整至最大。

    ③二段硫化箱(绝热固化层试验箱)

    二段硫化箱(绝热固化层试验箱)用于部分橡胶件的二段硫化,通过阶梯升温使经过模压硫化的橡胶制品进一步交联,析出不利于橡胶使用性能的添加剂,改善橡胶制品使用性能。可以接收CAPP系统工艺中的参数要求设定加温程序。

    ④模具智能高架库

    模具智能高架库用于存放橡胶件制造的模具,通过在WMS系统数据库中检索模具号,利用模具智能高架库自带的堆垛机,实现任意位置的模具自动出入库,同时记录模具出入库的信息。

    ⑤配送AGV

    当堆垛机完成模具出库将模具放置在料车上后,WMS系统会向配送AGV发出指令,配送AGV自动运动到料车下方,将料车挂起,配送AGV拖着料车按照系统分配的路线进行运行,AGV到达指定工位后,停止并发出语音提示,同时料车上的料盒灯亮起,提示工人领取模具,工人取模具完成后按上料车或工位上的确认键,AGV和料车向下一工位移动,直至料车中的模具分配完,如果物料无人领取,则料车将等待1分钟,继续向下一个工位移动。

    2)车间设备联网情况

    车间内已实现全网络覆盖。车间内广泛采用传感器等数据采集装置与PLC联接,PLC通过和MES系统的信息交互,将整个生产过程的信息串联起来,车间内的台自动化、智能化设备已100%实现联网。

图2 现场系统架构图

    橡胶件制造计划是由工厂依据必换件清单(固定配套)、修理车间反馈的缺件信息以及库存预警信息制定计划,橡胶件车间接收任务后按照计划整合各类资源组织生产,直至产品完工入库。为支撑整个业务过程的有效运营,目前国营芜湖机械厂已经打通MES系统与ERP系统、CAPP系统、SCADA系统、OA系统的集成,实现数据互联互通。

    3)生产过程实时调度情况

    ①生产设备运行实时监控

    通过SCADA系统建立面向橡胶模压件制造生产现场的设备联网平台,将车间的生产设备等进行集中管理。同时提供一套自动化组态监控画面,将采集的数据进行组态监控画面的展示。

    SCADA系统为独立的网段设置,不与企业内部网络互通,仅与MES系统服务器互联,各设备状态数据将统一汇总至SCADA系统服务器中,MES系统将从CAPP系统中提取的工艺参数信息至SCADA系统服务器,由SCADA服务器再下发到各设备PLC中,完成生产设备参数设定。

    产品生产时,生产设备上的传感器采集数据传递给设备的PLC,PLC支持以太网通讯,可以直接接入SCADA系统。各生产设备的生产参数等数据将统一汇总至SCADA系统服务器中,SCADA系统服务器将采集的设备生产参数传递给MES系统,MES系统记录实时加工参数并将实时加工参数和CAPP系统中的工艺参数进行对比,判断是否满足工艺要求,若满足则生产继续;若不满足则将异常信息推送给SCADA系统以及设备,SCADA系统以及设备按异常信息的类型做出不同的提示,提醒人工干预。

    ②生产计划执行

    工厂在ERP系统中生成生产计划,MES系统自动导入计划信息,计划相关物料及结构信息同步导入。在导入计划时,MES系统发起技术准备流程,对于有工艺的,确认并转换为相应的工艺路线;对于没有工艺的,需要编写工艺后,确认并转换为相应的工艺路线,为后续的计划生产做准备。

    导入后的生产计划将转换为MES系统的主计划,等技术准备流程完成后即可通过“计划释放”为车间计划,MES系统对车间计划进行生产要素齐套分析,通过齐套分析,生产管理人员可了解到胶料、模具的库存状态,从而进行排产。MES系统可以实现基于当前数据现状及企业基础数据,以物料结构、加工参数、工艺路线等排产基础数据,进行APS高级排产,而且能根据实际情况人工执行排产,排产的计划将转为工序作业任务,待工序作业全部结束完成后,车间计划也将随即完成,车间管理人员将合格品数量通过系统集成方式向ERP系统进行汇报。

    生产过程中,车间管理人员可以通过计划监控看板,查看车间生产计划执行进度信息。

    对于技术准备评估通过的主计划,主计划可以自动释放为车间计划,主计划也可以按月、周或日的方式分解为多个车间计划,车间计划的数量参考主计划需求数量。评估通过后即可开始计划排产,直接按有限产能方式安排工序作业。

    生产计划管理还可临时将生产计划设置为暂停/恢复、中止等,同时支持对生产过程中生产计划作调整。

    ③制造执行系统架构

图3 制造执行系统(MES)架构图

    CAPP系统是橡胶模压件制造工艺管理系统,具备橡胶模压件工艺编写,工艺审签,工艺版本管理,变更分析等功能,为MES系统提供生产的工艺流程和工艺参数。

    SCADA系统是以计算机为基础的数据采集,可以对现场的运行设备进行监视和控制,将加工参数实时传递MES系统。

    MDM系统是成品物料和材料物料的状态管理系统,向CAPP系统和ERP系统推送唯一编码的物料,保证业务数据的一致性、完整性、相关性和精确性。

    WMS系统通过橡胶模具号(橡胶模具唯一标识)与库位的数据库实现模具的发放、回收和模具相关的信息的记录、管理,为CAPP系统和MES系统提供橡胶模具信息。

    EPR系统是工厂下发橡胶模压件制造计划的唯一平台,MES系统的计划来源。同时EPR系统具有管理橡胶原材料的功能,向MES系统提供胶料信息。

    4)物料配送自动化情况

    在车间计划完成齐套分析后,车间生产管理人员进行线上派工,并打印开工指令卡(附有计划信息的条码)并将开工指令卡下达给相应的操作者。

    操作者确认开工指令后,MES系统根据开工指令卡中的内容,从CAPP系统中寻找对应的工艺,将工艺中的胶料信息提取出来传递给ERP系统,锁定开工指令卡定义的胶料物料代号信息,将依照计划数量及工艺路线中成品重量信息,依据消耗系数计算出理论出库数量(一个区间值)。若超出本计划的最大用量,系统提供警示。胶料出库信息系统自动登记胶料领用信息。

    MES系统通过与橡胶模具WMS系统集成,定时(60分钟同步一次)获取WMS系统中模具的状态信息。MES系统将工艺中的模具号(模具唯一标识)提取出来,由WMS系统通过模具号锁定模具,其他后续的开工指令卡在该无法选择该模具。模具锁定后由模具智能高架库,执行模具出库操作,并在WMS系统自动登记模具领用信息。出库后的模具由AGV运送的操作人员工位。

    调度人员可以使用MES系统直接查看ERP系统中胶料和WMS系统中模具的状态信息内容。

图4 WMS系统架构图

    橡胶件车间配送AGV(Automated Guided Vehicle即自动导引车)智能物流配送系统,主要用于模具配送业务,物流配送由MES系统确定物流运输起止点并将任务发送给AGV调度系统,调度系统调度AGV完成运输任务,实现从立体库配送到生产工位或生产工位到立体库的自动配送,减少了人员的无效移动,AGV调度系统实现对现场的物料流转进行实时跟踪,辅助生产管理人员进行生产资源的调配,更好的组织生产,提高了车间生产过程的精细化管控能力。

    5)产品信息可追溯情况

    ①产品质量自动检测

    橡胶模压件生产是通过监测加工过程参数来反映产品的最终质量。

    操作者确认开工指令后,MES系统根据开工指令卡中的内容,从CAPP系统中寻找对应的工艺,并将工艺中的结构化加工参数提取出来,通过SCADA系统将加工参数推送给派工的设备PLC中,完成加工参数的设定。

    在橡胶模压件加工过程中,生产设备通过温度传感器,压力传感器等元器件采集成产过程中的实时参数,通过设备的PLC传递到SCADA系统中。MES系统提取SCADA系统中实时的加工参数进行记录,实时的加工参数可以显示在电子看板上,也可以在车间任意一台电脑上通过扫描开工指令卡的条码进行查看。

    MES系统在记录参数的同时会与CAPP系统中提取的加工参数进行实时进行比对,如发现加工参数不一致,MES系统会根据不一致内容,指令SCADA系统和设备发出不同类型的报警,提醒人为干预。

    ②生产数据记录

    操作者确认开工指令后,MES系统从CAPP系统中寻找对应的工艺,将工艺中的胶料信息提取出来传递给ERP系统,锁定目标的胶料,将依照计划数量及工艺路线中成品重量信息,依据消耗系数计算出理论出库数量(一个区间值)。若超出本计划的最大用量,系统提供警示。胶料的出库信息ERP系统自动登记胶料领用信息。

    MES系统通过与橡胶模具WMS系统集成,获取WMS系统中模具的状态信息。MES系统将工艺中的模具号(模具唯一标识)提取出来,WMS系统通过模具号检索数据库寻找相应的库位,由模具智能高架库,执行模具出库操作,并在WMS系统自动登记模具领用信息,并将信息通过MES系统传递的ERP系统。

    计划完成后,自动生成电子合格证并附条形码(开工指令卡的条码一致),其中包含“物料编码+产品名称+产品图号+胶料牌号+任务号+数量”等信息。

04

取得收益

    通过橡胶制造数字化车间建设,达到以下成果:

    1)通过系统的集成互联,实现了生产计划实时获取,计划滞后率由13%下降至2%;车间生产管理人员通过线上派工,取代纸质开工指令卡,开工指令卡错误率从原来的10%降为0;通过MES系统对计划进行生产要素齐套分析,生产管理人员可了解到胶料、模具的库存状态,排产准确性由80%提升至99%。

    2)车间管理人员通过计划监控看板,查看车间生产计划执行进度信息,计划进度获取由10分钟缩短至15s。

    3)通过数字化车间建设,引入泛在互联的自动化设备,单位生产效率提升3.5倍,员工劳动强度降低20%,安全性平均提升4倍。

    4)橡胶制造车间已实现智能化设备覆盖率95%,生产设备通过PLC与SCADA系统、再与MES系统连接,车间已实现全网络覆盖数据信息交互通畅,设备联网互通率100%,车间全线实施在线电子看板,对产品生产全程记录,产品100%全检,并实现了产品信息的追溯,在引领行业转型升级方面起到创新示范作用。

关键词: 数字化