取向电工钢深加工智能制造的思考与实践

 

无锡普天铁心股份有限公司 周曙光

 

无锡普天铁心股份有限公司（简称普天铁心）在取向电工钢深加工领域深耕数年，专注于制造与研发电力变压器铁心，具有各种定尺硅钢、铁心柱、叠装铁心及特种变压器铁心的产品研制、生产制造和品质管理经验，雄踞国内变压器铁心行业龙头地位，是中国最大的变压器铁心制造基地、世界第二大变压器铁心制造商。普天铁心在中国首倡变压器铁心的专业化制造，主导制定了《电力变压器用电工钢铁心》（GB/T 32288-2015）国家标准，并致力于上下游产业链的拓展和延伸，先后与西安交通大学、首钢股份等单位结成战略伙伴，建有西安交大研究生培育基地、“首钢股份-普天铁心”电工钢应用技术联合实验室、江苏省高压特种铁心工程技术研究中心，打造一流的行业技术支持平台。

 

普天铁心不仅把铁心做到了极致，而且率先在电工钢深加工领域导入先进的物联网技术，引进世界顶级的纵剪线、横剪线等自动化智能生产设备，以及一流的检测中心，采用世界先进的MES和ERP系统，通过生产调度指挥中心系统平台，进行云计算，对原材料精准剪切，合理调配，在智能化生产过程中实现“无余料、无损耗、无浪费”，全力打造变压器铁心行业专业化、精益化、自动化、信息化的“智慧工厂”。目前，年产变压器铁心5万余吨，年销售额逾8亿元。普天铁心在电工钢深加工领域的成功实践和取得的骄人业绩，已引起业界的瞩目与思考。

 

1智能制造大背景下，普天铁心占尽先机

 

目前，“中国制造2025”的总体计划已制定完成，中国制造2025战略与德国工业4.0战略具有相同的战略使命和核心理念，都是为了迎接新一轮科技革命和产业变革的到来和推进信息技术与制造技术的深度融合。《中国制造2025》提出以推进信息化和工业化深度融合为主线，大力发展智能制造，构建信息化条件下的产业生态体系和新型制造模式。“仅有一个庞大的身躯是不够的，企业的核心竞争力是强，而不是大。这就好像一个人的身体，胖和强壮根本是两回事。要使一个企业强壮，我们必须每天不断地锻炼它……”业余时间酷爱羽毛球运动的蔡子祥董事长，把企业最本质的东西做了形象化的比喻，这里的“锻炼”就是创新精神，普天铁心正是靠这种持续的“锻炼”日益强壮，而且一直在创新，一直在进步，一直在引领时代潮流。成立于2004年的无锡普天铁心股份有限公司，早在2012年新厂房一期工程项目建设时就导入先进的物联网技术，引进国际一流的自动化智能设备，生产过程高度信息化、自动化、精益化，是名副其实的“智慧工厂”，与国家智能化制造战略不谋而合，并立志要打造中国版“工业4.0”典范，树立“中国制造2025”标杆。到2017年，普天铁心总投资逾3亿的二期工程将建成投产。这个基于目前智慧工厂的升级项目，将导入国际最先进的生产制造执行系统（MES）和经营资源计划系统（ERP），运用先进的信息技术、传感技术、控制技术、人工智能技术等，实时检测、实时处理、实时补偿、实时控制生产线工作状态以及环境等相关信息，数控化机械的自适应、自学习、自我决策等能力将大幅度提高，使“数控一代”进化为“智能一代”，这种全自动生产线可以满足任何硅钢片的剪切。这样，同样的材料由“二期”做比“一期”做综合性能提高5%-7%，同时更大程度地降低能耗，降低制造的工艺系数。通过这些举措，以更好地履行社会责任，保护生态环境，体现企业价值观。

 

普天铁心充分认识生产制造智能化建设，是对生产现场的五大要素“人”、“机”、“料”、“法”、“环”的信息进行采集的方法。通过对这五大要素信息采集、反馈与控制，实现对制造现场的实时管控，并对历史生产情况和五大要素的信息进行分析，及时发现生产能力缺失与不足，为进一步改善生产，提高效率，提供数据支撑。如何达到制造现场生产从原始的手工作业到信息化和智能化生产制造的转变，提高制造现场的各要素管控的效率问题已经成为当今生产企业的迫切需求。传统的工业制造生产情况、设备信息和环境监测跟踪等多采用人工直接现场检测查看获取数据，其具有很大的局限性。生产车间的信息化和智能化对制造现场的实时管控的相关信息获取提供了一个崭新的思路。通过传感网技术构建了制造现场的实时管控系统，管理人员在ECC数据中心就能实时查看制造现场信息，如人员在岗、设备运转、现场环境、生产质量等关键信息的实时情况。生产工厂的人、机、料、法、环等资源和信息的利用，通过智能车间系统嵌入到智能终端

 

系统，并通过统一的中央信息系统平台进行收集、处理、管理、监控并共享，使中央信息系统平台与车间生产资源能够互联。通过对人、机、料、法、环等信息数据的分析，可以实时掌握物料、人员、机器状况及周围环境信息，并根据需求及各自的特点进行合理的工作安排，还可以随时通过无线通信网络将指令或通告发送给机械终端或现场指挥人员，有助于对车间资源进行统一指挥调度，让工作任务更具可预测性、有效监控和避免资源浪费，实现更安全的生产作业，提高工作效率和车间高效运行。

 

普天铁心为了在电工钢深加工领域更好地进行专业化智能制造，就需要拓展、整合、延伸上下游产业链。早在2012年就与鞍钢股份公司结成战略合作伙伴，并于2015年与首钢股份建立长期战略合作关系，成立“首钢股份-普天铁心”电工钢应用技术联合实验室，共同推进电工钢应用技术研发项目的开展，提升双方产品技术的研究和发展，积极推动电工钢产品质量对加工铁心工艺、对变压器与铁心产品性能参数差异的研究和分析，努力延伸钢铁工艺品硅钢的价值产业链。

 

目前，中国政府已经制定“中国制造2025”的总体计划，即以推进信息化和工业化深度融合为主线，大力发展智能制造，构建信息化条件下的产业生态体系和新型制造模式。这样的大政方略，为普天铁心自动化、信息化和智能化生产制造的发展提供动力源泉。普天铁心通过生产制造智能化运用和实践，对解决行业发展过程中遇到的困扰具有示范性作用，已成为电力变压器铁心制造领域的标杆企业。

 

2高起点建设智能车间，引领行业产业转型升级

 

生产车间智能化建设，包括智能终端设备以及相应的中央信息系统平台运行，旨在解决企业生产制造过程中遇到的诸多问题，从而大幅度提高工作效率，提高制造资源利用率，降低管理难度。根据生产运行

 

过程中涉及的多专业、多工种、多环节，以及点多面广、危险度高、专业性强和关联度大等诸多方面的特点，把握对信息的时效性、关联性、全面性、准确性和直观性的需求，为生产智能车间搭建多级联动、多专业协同的一体化应用环境，设计了集成生产监控、动态分析、运行衔接和应急指挥等功能的生产运行指挥系统，为生产车间实现“人机一体化”提供了有力保障，这就是生产车间智能化系统建设。通过对物料的感知来达到物料的精准配送，通过对在制设备状态的感知来监测设备运行情况，通过人员的精确定位感知来进行人员的监控，通过对物料、设备、人员的综合感知从而实现车间的智能化制造与管理。

 

普天铁心突破行业传统的生产模式，将行业领域范围内传统的“车间作业式生产”革新为“流程式生产”，生产装备数字化和智能化程度都显著高于同行业水平，使硅钢材料和产品的许多转运环节，从原先的行车吊运，变革为用自主研制的滚筒线流转，减少行车等装卸和转移过程对取向硅钢的应力，降低工艺系数，最大限度提高其性能。为进一步实现生产车间智能化建设的实践和运行，2014-2015年度，公司加大资金投入力度，其中用于科技创新、两化融合方面的专项资金达1700多万元，同时，高起点进行工艺创新及设备升级，导入物联网及国际先进的MES系统、ERP系统，进行云计算，使得生产设备数字化、自动化和智能化的程度提高到80%左右。预计2018年初，普天铁心总投资逾3亿元的二期工业工程项目建成投产，届时将拥有国际最先进最智能的2个纵剪机组（最大裁剪宽度1250mm、最大裁剪卷重22吨）、18条横剪设备（最大裁剪宽度80-1000mm，长度6000mm）等行业顶尖品牌生产装备，可全序列自动剪、全序列自动叠，以及独有的中心定位、纵剪后在线测铁损等，能满足任何硅钢片型的裁剪，同时大大减少毛刺、波浪度和平整度等对性能指标的影响，达到世界领先水平；产品贮存实行全自动的立体库房管理，实现原材料硅钢自动入库→自动到纵剪设备→纵剪出料自动入库（在线测铁损）→根据调配自动到横剪设备→铁心柱按片型自动入库→再自动到叠装台进行自动叠片→成品铁心按型号自动入库等，全程无行车，可最大限度减少取向硅钢的应力，降低工艺系数，充分保证硅钢优良品质和性能，产品质量将大大提升，无疑更加助推普天铁心品牌优势；生产周期将大大缩短，单台由7天缩减为5天；年产能提高到20万吨以上。

 

基于上述生产工艺路线设计和制造装备的更新升级，使得变压器铁心生产过程形成自然的流水线，并在生产过程、制造设备、品质控制和追溯管理等要素中，通过植入生产制造系统（MES）,实现生产全制程数字化、自动化和信息化管理，达成生产过程的精确控制。同时，工业工程全面变革，生产现场采光、降温、防尘、除湿等环境因素得到很好的改善，进而为硅钢材质性能的“自身本质”的利用效果，提供可靠的信心保证。这些充分彰显普天铁心在不久的将来，产品制造的成本优势、产品质量优势和品牌竞争优势将跃上新的里程碑。

 

普天铁心作为国内铁心行业技术标杆企业，率先打造智能车间，实行智能化制造，成效明显，被列为江苏省“两化融合”示范企业，成为我国两化深度融合示范推广行动中的典型代表。作为自动化、信息化高度集成的智能制造车间，主要有以下系统进行支撑：

 

◆软件系统。主要包括定位系统、视频系统、SIP语音系统及ECC和MES接口。一套完整的系统主要集成以下几个分系统：“信息系统”、“计算机系统”、“通讯系统”、“调度系统”。整体系统集成人、机、物、法、环的信息采集、存储、处理及传递的流程运作。系统采用权限组机制，每个用户对应一个角色，每个角色则对应多种权限，实现权限的灵活分配。

 

◆智能全息车间网络系统。定位网络是整个系统中相对独立的子系统，目的是收集活动人员的定位信息，经过个人终端或定位终端处理并经数据网络上传至后台云计算服务器。携带于人员身上的定位终端具有捕获自己位置并上传至后台服务器的能力。

 

◆物料配送自动化系统。材料入库程序：材料入库前，货物到库后，操作人员在便携PAD智能管理终端根据送货单据号查询到货物的相关信息，然后扫描到库货物上的编码，同时检验货物包装有无破损，系统随后检查送货单据的项目是否与实际到货相符。材料入库后，入库的材料堆放由仓库管理的工作人员持终端，通过扫描货物标签、扫描仓位标签，记录位置，确认入库后将需要的库存信息同步到企业库存管理系统中。材料出库程序：材料自动出库系统是两化融合生产的重要组成部分，它能够根据指令自动完成材料出库直至配送到每个生产线。每个订单所需的钢卷号、生产线、任务编号都是唯一的，仓库工作人员或领料人员可根据物料看板显示的订单信息来配送材料或领料。产品交付配送：运输车辆到库提货时，操作人员进行出库检验，确认拣选货物与送货通知单是否一致，完成出库的确认工作。将需要出库的货物信息同步到库存系统中，并在系统中完成出库确认，并且打印出库单。获取清点工作，以便及时掌握库存货物的现状，所以盘点时，可以参照RFID系统的流程操作，只要求能根据操作人员的指令，生成各种不同的盘点结果报表。

 

◆产品信息可追溯系统。质量管控子系统：机器视觉检测系统采用CCD或CMOS工业相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，实现自动识别检测功能。通过高分辨率成像和智能图像处理，可获取物体表面缺陷、颜色分布、尺寸大小等信息，结合机械、控制等技术，可实现全流程的自动化检测。物料追溯与产品档案：通过铁心在生产过程中现场的追踪，可以记录铁心生产过程中生产相关信息，记录产品生产全过程档案。以铁心编码为索引，汇集生产过程追踪数据，设备工艺参数等数据，关键物料构成，可为每一个铁心建立全生产过程档案，追溯产品生产全过程。

 

◆车间环境智能监控系统。为了达到对车间环境实现精确监测监控的目标，需要在车间关键位置安装温度、湿度、粉尘颗粒、有毒气体等环境指标的传感器，通过多传感器数据采集终端，对现场各种传感器实时采集并上传到信息管理平台。监测关键的环境参数。依照预警与报警提示，做出相应联动控制，力求迅速排除故障，远程发布数据，实现车间的远程监测功能。若检测值通过比对发现超过临界值，则直接警报至管理层人员以及系统操作员，及时解决问题。该模块还通过与中央集成空调联动，对于车间内空气质量进行自动调整，实现车间的恒温、恒湿、恒氧三大均衡，保证生产工人能够在一个舒适的环境下进行生产操作，有助于员工身心健康并能提高生产效率。

 

◆智能化售后服务系统。普天铁心正在有计划、有步骤地把智能化生产实践和应用，推向更高境界和更加纵深层次。在公司二期工程建设项目上，引进和实施世界先进水平的MES和ERP的软件系统，这其中包括企业资源计划

 

ERP系统“供”与“需”的供需链两个方面系统的拓展和延伸。为了提升生产过程能力和效率及实现生产制造执行系统（MES），普天铁心组织工程技术专业团队，对现有工业工程和工艺路线进行颠覆性的变革，成功创建和实践行业领域内绝无仅有的工业工程和生产工艺流程，即将先前的“车间作业式生产”革新为“流程式生产”。这一工程和工艺的革新创造，使得生产环节所需的加工能力和工装设备专门设定得以实现，生产制造工艺路线得以固定，制造时间缩短，制件排队等候制造的队伍缩短；大大削减了车间作业式生产的制件转移过程搬运、装卸、材物、人工和时间的浪费现象，很大程度上缓解了编制和管理生产计划必须处理大量的生产任务的时间“瓶颈”，为计划管理采用先进的APS与JIT相结合的方法提供高效的平台，更为生产制造自动化和智能化生产的实践和运用，提供了实质的可行性。

 

3车间智能化改造实施前后社会和经济效益分析

 

自动化、信息化和智能化在普天铁心生产车间的实践和应用，实现了资源的有序精细化管理，降低了企业制造成本，提高了资源的利用率，增加了产品的附加值，大幅提升工业企业的自主创新效率，并推动企业核心竞争优势的提升。

 

普天铁心车间实施智能化改造前后的结果对比如下。

 

3.1车间智能化改造前

 

◆生产单流转一直是采用的纸质单据人工流转的方式进行的，导致单据丢失、流转断层、信息获取不实时、生产停滞；物料堆积或缺料严重，生产排产不科学、生产效率低下；人员沟通频繁、错误频出。

 

◆技术人员选料浪费时间，而且不能选取最合适的原料，导致原料浪费严重，生产开工时间滞后。

 

◆仓库管理比较混乱，入库和出库都是通过人工记录或录入的方式实现，查找不方便，容易出现错录或误录等情况。

 

◆生产可视化过低，生产任务下达、到料领料通知、订单物料到达情况等都需要人工去操作，导致生产衔接不流畅。

 

◆现人工切片设备自动化程度太低，统计不方便，费时费力。

 

◆物料追溯困难，当产品因物料质量问题导致产品质量不过关，无法追溯到物料信息，质量评估困难。

 

◆质检系统落后，检测数据都是以手工记录和检测为主，缺乏对于检测过程中所有检测数据的记录和监督。

 

3.2车间智能化改造后

 

◆缩编直接操作岗位和间接管理岗位人员50%，降低人工成本20%。

 

◆单位人/天生产准备提前期缩短15min；单位人/天排队时间缩短15min。

 

◆缩短生产周期和减少待料停工时效约20%，提供主体材料硅钢利用率约30%。

 

◆提升关键工艺和关键材料纵剪与横剪质量，使差错率降20%；降低操作损耗报废率25%。

 

◆快速响应并有效解决，避免停线，风险降低20%以上。

 

◆质检信息化水平提升，使不合格品率较传统品检作业方式降低45%。

 

◆早期预警和早期故障征兆分析诊断的“预知维修”体系，降低设备维护成本10%，缩短检维修周期和故障停机次数和时间，提升生产效率10%。

 

车间智能化建设，促进了工业工程、生产装备和生产工装的自动化及智能化建设、优化和升级，推动了制造工艺路线和生产组织方式的变革与生产工艺技术提高，有效提高了产品质量管控方式、手段和业绩，促进了变压器铁心产品性价在行业优势地位，提升了普天铁心产品品牌、企业经济效益和市场竞争优势。

 

普天铁心依靠持续的科技创新及敏锐的洞察力，抢占新的工业革命制高点，深入开展两化融合，积极创建“智慧工厂”，拥有变压器铁心制造的核心技术，又通过车间智能制造，生产工艺技术攻关、装备升级改造，解决了诸如吊运对钢卷力学性能的影响、剪切工艺对边部质量的影响、组装温度和环境对质量的影响等一系列生产制造过程中的难题，汇集变压器铁心制造智慧与企业运营活力于一体，努力延伸电工钢深加工的价值产业链，不仅积极与上游原材料供应商建立战略合作，共同研究与开发更节能、更能整体提升变压器铁心性能的取向硅钢及片型，还与下游客户保持紧密联系，系统分析客户订单的产品片型特点并进行类别界定，并将这些信息及时反馈给上游钢厂，大胆尝试实现硅钢片型的相对标准化，保证生产的相对批量生产和批量效率，从而保证MES生产制造执行系统的效率化和效益化运行。

 

作为在电力变压器行业进行专业化制造分工的首倡者和先行者，普天铁心正在加速推动电工钢深加工领域专业化智能制造，带动变压器铁心制造行业智能制造的迅速发展，提升公司整体发展水平和竞争优势，使普天铁心智能制造水平引领行业进步，促进企业转型升级，更促进变压器铁心行业专业化制造时代的提前来临。