基于订单式生产的盾构机智能制造工厂建设分析
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摘 要：当前，世界制造业产业竞争格局正在发生重大调整，数字化、网络化和智能化已经成为新一轮工业革命的核心内容，智能制造也已成为全球制造业的战略制高点。本文梳理了目前国内订单式生产企业的现状，并根据订单式生产企业的特点，提出了基于订单式生产的盾构机智能制造工厂建设的顶层设计思路，并着重从订单式生产企业车间智能制造和未来精益生产方面论述了订单式生产企业智能制造工厂建设的内容和意义，为订单式生产企业智能制造工厂建设方向提供了指引。
关键词：订单式生产；盾构机；智能制造工厂
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）10-0011-03
Analysis of Shield Machine Intelligent Manufacturing Plant
Construction Based on Order Production
DI Xiaohong
（China Railway Engineering Equipment Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）
Abstract： At present， the world"s manufacturing industry is undergoing a major adjustment in its competitive landscape. Digitalization， networking and intelligence have become the core content of the new round of industrial revolutions. Intelligent manufacturing has also become a strategic commanding height for global manufacturing. This paper sorted out the current status of domestic order-based production enterprises， and according to the characteristics of the order-type production enterprises， put forward the top-level design ideas for the construction of shield machine intelligent manufacturing plant construction based on order production，and focued on the content and significance of order-based manufacturing companies" intelligent manufacturing plant construction from the order-based manufacturing company"s workshops" intelligent manufacturing and lean production， and provided guidance for the order-based production enterprises" intelligent manufacturing plant construction direction.
Keywords： make to order；shield machine；intelligent manufacturing plant
随着全球经济结构的深度调整，我国制造业正面临着严峻的挑战。为主动应对新一轮的科技革命和产业变革，推进我国制造业供给侧改革，构建新型制造体系，国家先后颁布了《中国制造2025》《智能制造工程实施指南（2016—2020年）》等一系列重要文件，发改委、工信部、财政部和国资委等就推动两化融合和智能制造出台了一系列措施，为智能制造发展指明了方向。在制造业的改革热潮中，流程生产行业和离散制造行业不断涌现出一批智能制造走在前列的企业，为后续企业智能制造建设提供了一定的参考和借鉴，订单式生产的离散制造业也开始通过建设智能制造工厂的方式来改变目前工厂生产和管理的局限性[1]。
1 订单式生产企业现状分析
订单式生产企业如盾构机，有着小批量、多品种和大规模的生产特点，加工和装配过程比较复杂，且生产周期较长，受外部订单影响，往往会出现多个生产计划同时进行，成千上万种物料非连续式地经过不同的工艺过程同时生产的情况。基于订单式生产的盾构机的生产特点总结如下。
①受客戶个性化定制的影响，订单式生产企业（如盾构机）根据其构成不同，种类较多，且批量生产的可能性极小[2]。
②订单式生产模式的盾构机企业受订单随机性的影响，对企业的制造能力搭配、设备搭配、基础设施的配备、库存的控制和存货管理等带来了极大挑战。
③由于盾构机结构复杂，制造周期较长，且重复使用概率极低，很难使用固定的流程或装配线来完成不同订单产品的生产。
④非流程式制造的产品设计及变更信息向制造端传递不及时，制造信息向设计端反馈不及时而导致的工艺工序相冲突或者库存物料分配不精确等情况时有发生。
⑤对于订单式生产的盾构机企业来说，由于其装配工序复杂，因此人工工位不可或缺。但由于人工操作的不稳定性，往往使产品质量水平难以控制，导致制造成本增加等。
随着盾构机行业的不断发展，传统的生产管理模式已经无法满足企业快速发展的需求，企业急需通过先进的理念和措施保证生产流程高效运行。在新一轮智能制造改革的摸索和尝试过程中，订单式生产行业已经逐渐形成了几种成熟稳定的模块，如智能仓储、智能物流、智能焊接、智能检测、智能装配和可视化看板等。
2 基于订单式生产的盾构机智能制造工厂建设探讨
通过对长期困扰订单式生产企业管理痛点的分析和讨论，总结出对基于订单式生产的盾构机车间，要实现智能制造的全面建设，在设计、制造和管理方面建立一个完整的产品全生命周期的追溯机制仍然必不可少。在设计方面，要对产品进行全生命周期管理（PLM）[3]；在制造方面，实现对物料的自动仓储，关键焊接结构件的智能焊接、生产状态的实时监控；在管理方面，实现采购、库存、生产、财务等业务的紧密协同作业。而要实现上述功能，首先要搭建盾构机智能制造层级，通过不同层级功能的互通实现盾构机智能制造工厂建设。
2.1 智能制造系统层级搭建
按照智能制造系统层级，自下而上分可将其分为车间设备层、车间控制层、车间应用层、企业管理层和协同层等。订单式生产企业智能制造工厂的车间设备层主要由工业机器人、智能物流设备、智能检测设备、射频识别、立体仓库和数控机床等组成，其基本特征是人机协同和人机交互；车间控制层主要由PLC与数据采集SCADA系统等构成，通过网络控制信息实现对设备层设备的状态监控与制造数据采集；车间应用层主要由制造执行MES系统和倉储管理WMS系统组成，与企业管理层协同生产和利用PLM对产品制造工艺进行优化，对产品生产过程进行实时掌控，并对过程中的数据进行分析和优化，达到排产智能化、生产过程智能化、质量过程控制智能化等；企业管理层主要由ERP等组成，其主要作用是对企业的内部资源（人、财、物等）进行合理化分配和优化，减少资源占用成本，实现智能决策[4]。盾构机智能制造系统各层级的具体内容如图1所示。
2.2 智能仓储技术
盾构机结构复杂，物料的种类和数量极其庞大。随着生产规模的不断扩大，产品种类的不断增加，物料管理对传统的管理模式提出了巨大挑战。但是，生产过程中因物料管理问题而导致生产计划不能按期执行的情况时有发生[5]。
通过智能仓储系统的应用，可实现物料从采购到入库再到计划派料、出库流程无纸化作业，实现存取物料自动化等一整套系统作业，并通过仓库管理系统WMS和智能物流系统WCS的无缝对接，实现对物料的自动存储，自动转运，提升订单式生产企业的物料管理自动化水平。
智能仓储系统还可以实现对不同类型的物料进行分块管理，自动完成物料的出入库作业。WMS仓储管理系统能提供准确的库存数据信息，实现对出入立体库的物流进行动态管理与调度，并对出入库作业进行最佳分配、调度和控制，及时、准确完成货物的出入库，同时实现与物流信息的同步管理。此外，WMS仓储管理系统还可以实现自动化立体仓库和普通货架库的综合管理。
2.3 智能焊接机器人系统
基于订单式生产的盾构机的结构件焊接主要以人工焊接为主，焊接效率较低且焊接质量受人为因素影响较大，焊接过程中产生的粉尘和废气等对工人的健康影响也较大。
智能焊接机器人系统可针对盾构机结构件（刀盘、盾体、驱动箱等）的焊接工艺特点，结合行业内成熟的机器人自动焊接方式和自动焊接工艺，对大型结构件如刀盘等进行分步智能焊接[6]。智能机器人焊接系统的焊接流程为通过结构件数据模型与加工设备之间的数据关联，利用机器人离线编程和焊接工艺仿真，驱动焊接机器人按照设计数据进行大型结构件的智能化焊接。同时，焊接机器人可完成由结构件的部件到整体的分步智能焊接，焊接效率大大提高。
2.4 电子看板
电子看板是精益生产目视化管理的重要手段，能够迅速收集并反馈车间的实时信息。车间管理人员可以通过看板信息及时了解盾构机生产车间的在建项目信息、生产活动信息、物料状态信息和工序工位实时状态信息等[7]。通过对盾构机车间的所有看板进行联网，并进行集中控制，能够实时掌握全局动态，为生产调度提供指导。
在质量控制方面，通过看板系统与车间执行MES系统的有效对接，使看板系统中的作业指导书与工位的实时生产状态相结合，能有效指导工人进行作业，并对工位的工序进行质量把控，实现盾构机生产全过程的质量控制，提升盾构机的生产质量，降低成本。
2.5 设备运行监控
智能制造在设备监控和维护上的优势主要体现在：通过设备状态监控系统能及时、准确地将产品在车间制造过程中的各种数据进行有效采集和快速处理，对相关参数进行监控和反馈，向PDM/ERP/MES等信息化系统的相关功能模块提供实时数据[8]。这对于订单式生产企业的智能化建设具有重要意义。
通过设备状态监控系统可实现对盾构机焊接车间、装配车间和机加工车间等的所有底层数字化设备集中化监测与控制，采集所有核心运转数据，如设备运行数据、质量检测数据、物料识别数据和工艺加工数据等，实现对所有设备运行情况的可视化、故障报警实时提示与处理等，并实现部分设备的远程操作与控制。
3 未来展望
对于订单式生产企业而言，对车间不同模块实现自动化或者智能化只是智能制造改革的第一步，未来还要向信息化和网络化方向发展，打通企业各部门或各功能车间之间的信息孤岛，实现信息的互联互通。通过MES系统对产品生产全过程进行掌控，并对信息进行实时反馈和自主优化执行，实现对产品生产全过程的质量管理；通过设备运行状态监测系统与数据库之间进行关联和绑定，实现虚拟工厂实时可视化监控，并通过ERP或MES获取车间产线信息，对车间产线工艺、物流仿真进行分析，实现智能制造工厂生产的准时化和自动化；在并行工程方面，主要从设计开始，利用CAPP工艺设计系统与PDM数据管理系统的集成实现对产品的全生命周期过程的管理（PLM），提高工艺设计效率，缩短开发周期，最终达到车间精益化生产。
4 结语
基于订单式生产的盾构机智能制造工厂是以数据为基础的信息管理平台，以工厂设备基础数据为核心的数据仓库。在盾构机车间整个生命周期内的关键工作流程中，企业会大大受益于基础数据和其他信息系统的协作功能。通过对盾构机全生命周期的管理，智能制造工厂的数据可以在工厂中不断更新、维护和再利用。
总之，智能制造工厂的建立和应用可推动企业逐步形成数字化、网络化、智能化生产运营的新模式，提高劳动生产率，满足企业快速发展的需要。
参考文献：
[1]《中国智能制造绿皮书》编委会.中国智能制造绿皮书[M].北京：电子工业出版社，2017.
[2]周佳军，姚锡凡，刘敏，等.几种新兴智能制造模式研究评述[J].计算机集成制造系统，2017（3）：624-639.
[3]陈淑玲，龚东军.机器人数字化车间工业智能制造新模式探讨[J].现代制造技术与装备，2017（9）：158-159.
[4]方毅芳，宋彦彦，杜孟新，等.产品智能化的特征分析与结构框架[J].中国仪器仪表，2017（10）：47-51.
[5]周寅鹏.离散型车间制造过程状态监控管理系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.
[6]陈兆昌.精益生产模式下工业生产过程监控系统研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.
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[8]王玖河，臧秀清，牛富兰.先进制造技术中的精益生产方式[J].燕山大学学报，1998（2）：176-181.