山东常林铸业打造高精密铸造数字化车间

一、企业简介

    山东常林铸业有限公司占地面积4万平方米，以生产铸铁、球墨铸铁为主，产品为汽车、发动机、工程机械、液压、气动元件、及各种泵类、阀类等配件，年生产能力为20万吨。公司自成立以来一直秉承“持续改进，力求质量完美；不断创新，确保顾客满意”的质量方针。已顺利通过ISO9001：2000、TS16949质量体系认证，ISO14001环境体系认证。公司凭借完善的质量、及时的服务、良好的信誉已成功开发并为菲亚特、岱摩斯、马扎克、奇瑞、吉利、广汽、神龙、广州冷机、钱江制冷、斯太尔、伊顿、三一等国内外知名厂家进行配套生产，产品先后出口到美国、英国、澳大利亚、日本、韩国、德国、西班牙、意大利等国家，取得了良好的信誉。

图1 山东常林铸业有限公司

二、企业两化融合暨智能制造应用总体现状

    近年来，公司始终坚持“以市场为导向、产品开发与质量管理并举；以销售为中心，生产发展与经济效益增长同步”的企业方针，不断推进技术进步，利用信息技术改造传统产业，加快新产品开发，培植新的经济增长点。在德国提出“工业4.0”、美国推出“先进制造业”的国际背景下，山东常林铸业有限公司一直注重并积极推进国家倡导的两化深度融合应用项目，特别是在围绕如何赶上新一轮产业革命调整、提高产品附加值、降低企业运营成本、持续稳健经营等企业重大技术改造方面进行积极推进。

三、参评两化融合暨智能制造项目详细情况介绍

    1、项目背景介绍

    高精密绿色铸造的数字化车间项目规划是以“智能制造”为核心，以信息化推动企业创新和转型升级为抓手，突破传统铸造行业“脏、乱、差”的局限性，实现行业可持续发展的重要战略举措。本项目立足信息化应用，规划并开发双面压实智能控制系统、智能转运系统、定量浇注系统、冷却控制系统、自动清整系统、铸件缺陷检测及质量评定系统、能效监控系统、物流跟踪及生产决策管理系统等方面的数字化应用，研制并应用自动投料、铸件清理、缺陷检测装置、立体仓库、物流小车以及能效实时监控、中央集成控制等应用系统，实现从砂箱造型、冶炼、铸件表面清整、检测全过程数字化控制和生产。

    2、项目目标与实施原则

    项目目标：

    利用信息技术与工业技术相结合，改造传统产业，在产品设计、工艺管理等方面实现产品设计及工艺数字化，迈向智能设计；利用制造执行系统，加强生产过程控制，建设数字化车间，迈向智能生产；利用企业资源计划ERP系统、供应链管理SCM系统、客户关系管理CRM系统、产品生命周期管理PLM、电子商务、商业智能决策BI系统，实现智能化管控，是公司整体信息化解决方案的重要组成部分，也是公司“十二五”及“十三五”信息化系统建设与管理优化的重要环节；是支撑集团战略运营、持续推进集团“精益生产、人力资源、信息化”三元管理有机结合的重要战略举措。

    实施原则与方法：

    按照“整体规划、分步实施”原则，基于高精密绿色铸造的数字化车间项目按业务逻辑划分产品设计工艺管理（PDM）、企业资源计划（ERP）、生产过程数据采集与分析（DCS）及车间制造执行（MES）四个环节，具体规划为产品设计、工艺系统、ERP管控系统、生产过程数据采集与分析系统及车间MES执行系统。

    3、项目实施与应用情况详细介绍

    规划高精密绿色铸造数字化车间项目是在整合产品设计及工艺数字化的基础上，特别是在实施Solid Edge和Pro/E（现CREO）等三维设计软件及PLM产品生命周期管理、企业ERP系统及车间MES制造执行系统基础上的信息化综合项目，是企业不断推进技术进步，利用信息技术及数字的设备，改造传统方式，打造数字化车间，实现智能制造的有效途径，其整体业务流程规划建设如下：

1）产品数字化设计方面

    产品数字化设计软件的选择非常重要，选择国际知名三维设计软件对产品设计及系统数据集成至关重要。将产品的三维数字化定义为制造业信息化的源头，不仅为新产品和工装模具的数控加工提供了几何模型，而且为应用CAE技术创造了条件，应用各种计算机辅助工程分析软件，对开发的新产品进行强度分析与优化设计、机构运行学分析、机构动力学分析、液压控制系统仿真、加工过程仿真、可靠性分析等，从而保证新产品的设计质量。而CAM的应用，可以优化生产工艺过程，达到提高生产效率和保证加工质量的目的。通过信息技术推广应用，企业在提高产品质量、节约成本、提高生产效率和实现三化水平（标准化、通用化、系列化）等方面将会取得显著成效。

    2）产品数字化工艺管理

    工艺数字化项目就是充分利用企业内、外部资源优势、建立企业在项目计划控制、产品设计、工艺设计、生产管理、物料、质量控制、客户服务等业务过程中的有机统一。建立健全配套的管理规范、制度和操作控制手册，实现工艺制造数字化、信息集成化、过程敏捷化，进一步加强企业核心竞争力，建立快速响应市场需求的业务管理、控制机制，赢得产品在质量、成本、交货期、经营效益等各方面的竞争优势，从而进一步实现加强企业生产成本控制、增加赢利空间和提高市场占有率的目的。通过这一项目的实施应用，使产品工艺过程管理发生根本性变化，以信息化手段实现工艺管理的智能化、网络化和可视化，具体表现在以下几个方面：

    ①自动集成产品设计信息，并结合车间相关设备、模具信息，自动形成相关产品工艺数据，实现企业产品设计与工艺的数据整合。

图3 设计与工艺的数据整合

    ②借助软件系统实施，实现对企业各业务职能部门在产品研发、工艺制定过程中产生的电子数据进行统一控制和管理，保证这些数据版本的正确性和权威性。建立存放设计、工艺、工装、制造等数据的集中产品知识库，并通过数据之间的关联对产品知识库中的数据进行合理的组织和管理，确保对产品在结构设计、工艺制定等业务过程中的文档及时进行归档，改善部门之间并行的工作效率，缩短产品研发周期，提高工艺技术人员的工作效率。

    ③在图文档的存储和组织方面，系统引入了“容器”的概念及关联检索功能。将产品专用数据和企业共用数据分别存放在产品库容器。产品专用数据主要是指和产品密切相关的三维模型/二维图样、设计说明文档、明细表、工艺及工装等数据，在系统中，通过建立相应的图文档与图文档之间的关联关系，实现以图文档之间的关联关系作为导航进行图文档数据的快速查找，并且在图文档发生更改时，方便地定位出更改的影响范围。

    ④图文档权限管理。在系统中对公司的图文档数据进行严格的权限控制，以使得用户在权限许可范围内对图文档进行相应的操作，确保图文档的安全性。

    ⑤系统通过ProductView提供了良好的剖切功能，实现图文档的可视化。它不仅能够提供单一的剖面，还能通过游标拖动的方式进行剖切面的平移，而且能够进行交叉面的剖切。并在剖切的基础上提供测量和批注功能，从而简化用户的测量和查看，提高对模型的查看能力。

    ⑥在数据发放及归档管理方面。实现数据批准发布以后，及早传递到正确的人员以进行相应的工作，并对数据发放过程中的信息进行记录和管理，如发放的人员和部门、纸质文件的发放数量。为便于进行数据的电子存档，以确保电子数据以后的重新利用，并将审签信息填写到图文档的内容上，系统将数据统一转成PDF和TIFF的格式进行电子文档存储。

图4 审签信息自动填充到图档内容上

    ⑦产品结构与配置管理。系统通过以产品结构为核心的产品数据模型，将产品的装配层级关系、装配件间的采用关系、装配数量与各级装配、零部件相关的技术规格文件、3D/2D工程图纸等技术文档进行关联，而各类清单则通过系统根据条件自动输出，形成产品工艺BOM数据来源。具体包括产品零部件定义、使用情况查询、标准件/通用件管理、产品结构创建、展开、批注、比较、BOM输出、多视图管理等功能。

图5 以产品结构为核心的产品数据模型

⑧工作流程的建立，在系统中建立工作流程实际上是对现有的业务流程进行梳理、规范、固化并电子化的过程。其主要内容包括确定业务流程中各个活动的先后次序、确定完成各个活动中使用的工具、参与的人员、确定流程中各个活动的输入/输出信息的过程。

图6 工作流程的建立

    ⑨工程变更管理。通过预先规定的工作程序，完成对设计、工艺数据的更改工作，能够根据数据与数据之间的关联关系自动搜索某项更改所涉及的范围，及时给有关人员发送通知提醒，使其关注某项更改可能会造成的影响。工程更改将与产品零部件的版本管理与产品的技术状态管理结合起来，有助于确定产品零部件之间的借用关系，评估更改影响，提供一个完整的产品信息管理解决方案。系统中工程更改的实现通过和更改管理器、生命周期和工作流管理器等相互结合起来共同完成。同时，使用强大的版本控制和工作流管理功能，根据企业或行业标准（如CMII）对更改问题的描述、更改单成立、执行更改、更改发布有续控制，保证更改的正确性、及时性和完成性。

图7 工程变更管理实现过程

    3）关键技术装备及生产过程数据采集

    在关键技术装备及自动化数据采集、检测设备配置方面，规划建设双面压实有箱造型机、翻箱机、合箱机、全自动下芯专用机器人等造型设备，中频电炉、冲天炉等熔炼设备以及砂处理系统、清理机、起重运输设备等辅助设备，实现从砂箱造型、冶炼、铸件表面清整、检测全过程数字化控制和生产，具体表现在以下几个方面：

    ①双面压实精密铸造线优化及虚拟设计。建立双面压实精密铸造生产线整线设备的模型库，利用虚拟现实技术实现铸件的虚拟生产，在虚拟现实环境中采用碰撞检测技术以及实时运动仿真模拟技术，合理布局生产线在线设备，提升产品生产效率。

    ②铸造生产线清整机器人等智能设备开发。自主开发并规划建设铸件表面清整机器人，具有自动切换工作模式以及控制系统误差柔性补偿功能，支持多种铸件柔性清理，实现铸件自动化识别与表面柔性清整。

    ③自动检测技术开发。基于机器视觉的零部件表面缺陷检测分析以及尺寸精度自动检测技术。

    ④智能化生产线中央集成控制系统优化。采用中央集成控制技术对造型线各单元及工序进行集中监控，开发数据库和专家管理系统，开发定量落砂压实、铸件定量浇注、铸件冷却、铸件自动化识别清整等关键单元的智能化控制系统，完成砂箱自动转运、下芯和清理等智能化造型控制以及零件铸造、冷却、清整、检测的智能化控制。

    ⑤基于物联网的设备、能耗、环境监控技术。建立以实时数据库为核心的管理中心，将分散的自成体系的监控系统以分层、分级的方式进行集中管理和监控并为上一级的MES、ERP系统提供实时数据及历史数据。

    ⑥智能化生产线可靠性安全性研究。通过研究生产线关键设备控制系统抗干扰、设备运行异常报警、系统安全互锁、设备冗余控制，工艺数据在线调整等技术，开发基于中央控制的远程诊断及故障报警系统，通过研究智能生产线产品质量体系，制定企业标准，有效保证造型线安全可靠性运行。

    ⑦数字化车间建设。采用与中央集成控制进行实时数据交换的智能化决策管理系统和物联网系统，建设双面压实造型单元、冶炼与铸造单元、铸件表面清整单元、物流配送线、成品库等，打造高精度绿色铸造数字化车间。

4）车间制造执行（MES）系统

    通过规划并建设车间制造执行系统（MES），借助现场数据采集，有效管理企业的生产制造流程，解决生产过程中的数据瓶颈，做到数据的实时采集与共享，为企业决策提供支持。同时定制化相关统计报表及业务单据，减少生产现场业务人员工作量，提高生产制造执行效率，缩短产品加工周期，最终实现降低产品生产成本，提高产品质量及市场竞争力，具体表现为以下几个方面：

图8 生产过程数据采集

    ①集成产品工艺、设计数据，实现CAPP、PDM系统产品BOM数据与制造BOM及变更信息的同步,并实现现场电子图纸、资料预览。

    ②实现供应链协同管理，缩短采购及供货周期、降低采购成本，在信息相互协同的基础加强采购过程调度一。

图9 供应链协同管理

    ③与企业ERP集团管控系统集成，实现生产任务单分解、物料领配料作业同步，实现物料状态的跟踪与查询分析控制。

    ④通过电子化数据采集（DCS）系统，及时获取车间现场加工状态、设备信息等数据，实现对加工过程收集、进度更新以及围绕加工产生的工时、效率的统计；提供PC桌面展示或车间电子看板功能，实施跟踪并展示车间加工状态并反馈相关异常信息。

    ⑤实现装调任务的分类下发、执行跟踪，实现工时、进度及成本的统计。

    ⑥实现常用统计报表的生成与导出，如进度、工时、质量、异常报表等。

    ⑦通过基础管理模块，实现系统数据维护、权限控制及参数设置等维护管理工作。

    5）现场设备通讯及网络部署

    首先，在服务器及网络规划方面，可以将数据、应用程序及文件服务统一安装在一台服务器上。内部网络通过交换机访问服务器；外部网络需通过VPN专线或光纤专线（带宽不低于10兆，访问服务器延迟时间不低于30ms）连接到服务器。

    MES与企业ERP系统的信息交互，通过中间数据库完成。浪潮ERP系统将MES系统所需数据发送到中间库，MES系统在中间库中读取数据并进行处理。

图10 MES与企业ERP系统的信息交互

    其次，在车间采集终端通讯设备部署及设备数据集成、传输规划建设方面，在车间及库房现场配置相关无线AP设备，与企业核心设备互联。

    最后，在车间加工现场层面，部署相关自动采集设备或与现有设备通讯端口集成。实现对现场数据的适时采集，确保系统数据的时效性和准确性。

4、效益分析

    通过实施推进基于数字化应用高精密绿色铸造项目，特别是通过整合现有信息化平台、集成相关信息化应用系统，借助现有资源和优势，规划并建立企业智能化生产的信息网络体系，开展产品数字化设计、公司精细化管控、供应链高效协同、物流智能化应用等关键技术、关键项目的开发与使用，建立企业对内精细化管理、智能化制造和对外整合并协同产业链上下游资源、形成紧密协作的双重管控体系并不断提升企业信息化管理水平来说非常重要，具体表现在以下几个方面。

    ①在产品数字化设计方面

    通过项目的实施推进，可使产品开发周期缩短1/5-1/2，平均1/3；制造周期缩短了25%，关键零件的废品率降低90%，大大降低了新产品性能试验和可靠性试验费用。在缩短新产品开发周期、提高市场反应速度的同时，对提高企业产品市场占有率及提高产品三化（标准化、通用化、系列化）方面都发挥了重要作用。通过对员工进行软件操作技能培训活动，提高了职工的业务素质，造就了一批掌握先进设计、制造技术的职工队伍。

    ②在产品数字化工艺管理方面

    首先，通过实施数字化工艺过程管理项目，在公司范围内建立了统一的产品电子化数据共享知识库，实现对产品所有相关的设计、工艺、工装、模具、生产制造、质量、计划等数据的存放和管理，建立了相关信息共享策略和应用，提高了信息的可用度并方便用户统一查询、快速检索。建立异构文档可视化机制，改善信息获取、共享、查看、批注与反馈效率，利用统一工具实现各种文件的在线圈阅和批准，消除前期产品研发过程中的协作障碍。

    其次，借助协同信息化门户建设，建立基于PLM系统的企业数据集成平台，各信息化系统得到有效整合、各种应用工具之间进行有效集成。并在此基础上引入了产品多视图管理机制，在产品功能分解结构的基础上，增加按照工艺进行分解的制造结构，确保设计、工艺制造数据的有效衔接，减少产品制造过程中的质量问题，降低产品开发和试制成本。实现电子化的工作流程管理，确保设计、校对、审核、批准、发放等工作都能够基于网络进行，充分发挥网络效应，实现并行操作，保证产品电子数据的快速流转、有效发放，提高数据归档质量及时效性。

    ③在渠道整合、供应链协同应用方面

    建立基于互联网应用的供应链协同平台，有效整合基于供应链的协同应用是企业增加竞争力最为有效的手段。因此打破企业间地域及企业内部IT技术壁垒的限制，规划并建设相关信息化核心应用，通过协同创新平台，实现产业链上、下游企业的业务协同，显得更为重要。通过供应链及网上营销平台建设、规范并理顺采购销售三包服务业务关系、创新业务实现方式、建立财务业务的一体化管控模式，有利于提高业务处理速度、降低采购成本、提高客户满意度。

    ④在车间制造执行（MES）系统方面

    通过MES系统的实施，为企业建立生产制造执行管理方面的信息化平台，使相关生产制造人员适时、适地进行生产现场监控，实时发现问题，及时处理问题，实现生产管理信息化、可视化、透明化，保证生产的稳定和效率。

    基于数字化应用高精密绿色铸造项目，特别是其系统集成的先进性及内部业务流程优化的科学性，必将在本行业起到率先示范作用，促进整个行业的管理创新与技术起步，实现信息化与工业化的有效融合，促进企业和社会共同进步。

    项目的成功推广及实施，必将促进企业从梳理内部管控策略、精简业务流程，降低整体供应链库存水平，减少存货资金占用，加快资金流动，提升和供应商的战略性合作关系等方面进行优化改善，有助于创新企业合作模式、拓宽合作领域，建立新型的企业关系，最大限度的实现企业双赢。

四、企业智能制造的未来发展规划

    ①结合公司特点，借鉴产品生命周期(PLM)协同管理理念及规范，构建适合公司产品设计、满足产品全过程管理的工程管控平台及管理体系。

    ②利用公司和山东浪潮集团的战略合作关系，充分借鉴浪潮在行业的管理经验和在ERP系统的最佳实践，继续做好公司ERP管控系统的应用集成工作。

    ③在产品制造装备数字化方面，继续做好生产制造执行系统（MES）的推广和应用。

    ④在企业物流智能化系统应用建设方面，配合项目合作单位，借助物联网技术及供应链管理理念，通过条码、射频识别（RFID）、全球定位系统、激光扫描器、3D打印等信息传感设备，实现企业物资生产制造、供应、配送、装配、验货、三包服务等业务过程管理，实现相关环节物品身份认证及信息交换和通信的有效集成。