数字化工厂建设内容分析与实践

数字化工厂是近几年随着国家 2025 战略、国际 5G 发展战略等方向指引下整个制造产业转型升级的发展方向，主要内容就是通过数字和智能制造作为关键技术应用到数字化工厂，是现代工业化和信息化融合的信息体现，也是实现智能化制造的必经之路。

在数字化工厂的建设过程中，包含了软件和硬件两个方面的内容，互为支撑，互相推动。软件数字化，主要的建设内容为车间上网，设备物联，管理软件平台等。硬件数字化，设备 PLC 控制，具备网络接口并开发，设备运行中的参数和状态信号可通过物联网实现数据采集。现场具备智能化终端，现场人员可通过终端实现信息的接收和反馈，实现现场无纸化。

数字化工厂模式模型如图 1 所示。本文分析了目前数字化工厂建设中存在的现场执行层面信息收集的问题，针对性地开发出智能单元系列软件， 解决了铸造企业数字化工厂建设中的短板。

图 1 数字化工厂模式模型

1 数字化工厂建设存在的问题

分析国内数字化建设现状，在公司和车间等层面，近几年 ERP、PLM、MES 等行业内专业制造执行管理系统软件发展迅速，并得到了大量广泛的实施和应用，很大程度上提高了我国制造业企业（包括一些先进的铸造工厂）的现代化管理水平和数字化能力。

数字化工厂建设车间现场的建设尤为重要，但在现场执行层面，目前依然存在很大的问题，也影响了数字化工厂实施不能落地，主要表现在以下几个方面：

1）设备物联不具备条件。在中国 40 年的改革开放过程中，从一个工业基础差到世界制造大国的建设过程中，几乎快速走过了西方国家 100 年的发展历程。这一点从现场的装备设备就可以看出端倪，大部分传统车间内即存在几十年前的普通设备，也存在最新的数字化设备，这是一个发展积累的过程结果。而针对传统的普通设备要实现数字工厂的使用要求，就必须进行改造，而大部分是不具备这样的改造价值的。或者说拿出一笔钱对传统设备进行这样的改造对大多数老板来说是不能接受的。

2） 车间人员没有一个应用或者融入数字化工厂建设的平台。目前市场上大多数软件都是针对技术管理人员岗位需要而开发使用的，因此习惯上大家都会把这些软件统称为管理软件。而作为工厂车间占比最大的现场技术工人们，却缺少这样的平台，替代现场为满足管理需求而进行的部分工作内容。比如生产技术管理要求信息的接收、现场执行完成情况的反馈等。

3）一线信息的真实准确的收集。传统的管理方式，很多的一线生产信息都是要通过人工整理汇总后二次处理传递给更高层的管理人员或需求业务人员。造成这一现状的原因主要有两个方面的影响，一是传统生产管理方式，很多信息都是线下的，是通过人工去记录统计的；二是过去常说的软件“孤岛效应”，各个功能软件之间没有有效打通，数据就不能及时共享。综合分析，解决现场数据信息收集等问题是铸造等传统企业数字化工厂建设中的短板和关键。

2 铸造数字化工厂的建设方案

2.1 铸造数字化工厂功能架构

结合铸造行业特点，铸造数字化工厂功能架构分为公司管理系统、车间制造系统（包括现场工序单元层）和信息基础设施系统。其中车间制造系统的生产现场，按工艺工序的设计内容，科学的分解为成形、熔炼、精整、加工等多个独立的生产工艺阶段，解决了生产过程中信息传递的衔接。在不同的阶段应用不同的信息字段设计，既可以使信息唯一统一，又可以把不同的阶段的信息，通过软件程序的逻辑很好的衔接起来。铸造数字化工厂功能架构如图 2 所示。

2.2 开发智能单元系列软件，实现工序信息互联互通

针对生产车间各工序现场信息的准确和快速收集问题，结合铸造企业各工序的特点，智能铸造产业创新中心开发出智能单元系列软件。智能单元软件上面承接 MES 软件下达的生产计划，并以生产计划为主线条串联起生产所需要的物料、工艺、质 量、设备等知识信息。向下通过物联网连接现场设备或数字化检测仪器，提取相应需要控制和记录的过程参数。或者智能平台开放面对操作者，提供一个操作者可以录入现场信息的窗口，间接达到记录现场过程参数结果的目的。

在智能单元中，根据现场一线员工的需求，通过系统大数据的筛选，将当前计划的传达到一线，供其所用。

随着智能化数字化设备的大量应用，为现场生产指令和生产结果都可以通过网络的方式实现自动信息传递变为了可能。但现场化的生产，为了满足市场的多样性需求，大量存在着这种小批量、多品种的生产企业。这些企业由于产品工艺多样性的影响，如要实现这种数字化工厂的需求，则其投入和要求都要比传统的流水线生产复杂和投入更多。结合现场实际情况和数据采集的需要，针对性的对每一个数据类别进行单独的分析处理，在现场设备层功能支撑的前提下，尽可能实现自动或半自动采集，通过软件逻辑层的处理，使这些基础数据和上层软件需求数据能够一一对应起来，实现数据信息的互联互通、共享和应用。

通过制造系统层面中设立一个单元级的软件层，可以通过软件层的逻辑办法对底层的数据进行梳理筛选，保留有用的数据提供上层应用，又可以解决数据采集的及时性和准确性，促进了铸造企业数字化工厂的建立及有效。

2.3 数字化铸造工厂的应用实例

以熔炼工厂的数字化建设内容，进行实施实例说明。数字化工厂的建设一定是建立在整个公司统一框架下的统一筹划和统一建设，而不是独立的、脱离于公司上层管控的一个信息孤岛。通过接口技术，实时传递软件间信息数据。单元层主要包含了两方面的内容，一是自动化设备，主要由单元自动加料设备、加料车、电炉、球化孕育站、自动浇注机等设备构成。二是熔炼单元管理与控制系统，控制单元设备运行、接收生产计划、管控过程质量、实现成本、设备、环境安全、材 料、各类统计报表等的管理。具体内容和双下层信息相关流转见图三（熔炼数字化功能架构图）所示。梳理整个过程，主要有以下几个节点：计划下达、熔炼开始、加配料、取样对比、过热出铁、变质浇注、成本管理等内容。

图 2 铸造数字化工厂功能架构图

计划下达通过系统汇总的计划信息和前序工结果，可以实现现场实时的计划内容调整，更加符合现场实际的需要。

熔炼开始，系统自动及时，控制各个阶段的运行时间，结合现场设备的自动化运行，有效控制整个浇注过程的时间效率，保证时间控制参数符合工艺设计要求。

加配料结合工艺设计的配料料方和现场自动化运行，有效控制每种配料占比符合工艺设计要求，这样即保证了材质的控制质量，也提高的生产效率。

取样对比，联网金相室和现场检测设备，使检测数据通过系统进行传递，保证检测数据第一时间反馈现场，这也为现场根据质量结果控制过程提供了执行基础。

图 3 熔炼数字化功能架构图

过热出铁，对温度的控制通过现场测温枪数据的采集，自动关联控制设备进行下一步的动作。变质浇注也是通过自动化和参数系统控制，来实现工序内容的标准化，以提高这一内容的质量水平。成本管理，过程中各种消耗、各种原材料都通过系统采集了一线的实际准确数据，这样就可以准确及时反映现场现场的成本费用，统计分析更准确，也更及时。

通过这样的建设，减少了现场操作工的记录和调整工作，强化了按工艺设计执行和记录的系统管控，对整个熔炼过程的效率和质量都发挥了很大的推进意义！

3 结束语

针对铸造企业的特点和数字化建设中存在的问题，构建了数字化工厂建设的功能架构，开发出智能单元系列软件，促进了数字化铸造工厂的建设。通过多个项目的实践证明，此方案能很好的解决当前数字化智能化建设当中遇到的系统与底层数据脱离，真正大部分产生数据的群体却没有输入数据信息平台的现实问题，也提高了现场的工艺执行率和信息传递及时率，也就提高了现场的工作效率和质量。