文／马丁，李建辉·中钢集团邢台机械轧辊有限公司锻压分厂

我公司现有的80MN 自由锻油压机(以下简称“8000 吨油压机”)，是国内轧辊生产企业拥有的最大吨位自由锻压机，承担着公司50%以上锻钢轧辊毛坯的生产工作，锻件单重在30 吨以上。8000 吨油压机生产产品均为自由锻造成形，相较模锻生产，其生产产品规格大，结构多样，成形过程复杂；自由锻生产过程中锻件变形量、金属流动、温度、尺寸等各要素控制主要依靠人工经验，产品过程控制一致性、稳定性、追溯性差，不利于产品质量、设备、能源、成本的精准控制；自由锻压机操作难度大，培养一名熟练的操作工至少需要5 年以上，生产运行对人的依赖偏重。

随着我国工业的发展，这种传统的生产方式已经成为制约大型锻造企业转型升级的主要因素，另外，过去20 年中，人类收集、存储、传输、处理数据的能力取得了飞速提升，各个方面都积累了大量数据，我们可以对这些大量数据进行分析和利用。因此，开发一套大型自由锻造压机用智能集成控制管理系统将成为突破以上发展瓶颈的重要举措，也是推进解决国内大型自由锻压机智能制造的“卡脖子”技术。

集成控制管理系统的应用意义

通过对大数据应用、工业互联网技术、自由锻工艺、自由锻压机电气及液压控制等深入研究，将自由锻工艺与自由锻压机设备控制进行深度融合，从而解决因自由锻造过程变形规律性不强而无法编写PLC控制程序的根本性问题，实现8000 吨油压机智能锻造的功能，完全替代人工操作，将工人操作设备改变为监控设备，大幅提高生产效率，提高质量控制的稳定性和一致性；将工艺网、设备网、生产网彻底打通，建立数据连通系统，与ERP、MES 系统高度集成，实现工艺程序自动调取、生产计划自动传输、产品生产数据自动分析、设备远程运维等智能制造应具备的功能；并且利用各类视觉识别、传感器、数据传输等新技术、新方法采集锻造过程的大量数据，为后续锻造过程数字孪生系统的开发奠定基础。

集成控制管理系统的整体架构

系统建设的目标要求

⑴达到工序稳定受控。

以锻造工艺参数与设备控制程序深度融合为工作着力点，解决自由锻塑性变形不能精准测算和精准控制的难题。通过程序锻造实现锻造过程的稳定受控，利用程序锻造对加热以及辅助工序边界条件的精准和稳定要求推进全工序的稳定受控。

⑵实现压机无人控制。

以重型锻造设备程序化锻造作为一键化、无人化、集成式工作切入点，驱动8000 吨油压机自动化、数字化、智能化发展。通过生产计划及工艺自动传输、各工序程序锻造、数据分析、数据诊断以及专家数据库、自优化功能等实现压机无人控制，彻底解决压机操作工难培养的问题。

⑶构建智能制造体系。

以推行热成像仪、传感技术、远程控制技术、激光技术等先进技术为工作突破点，解决毛坯生产过程无法实现全过程跟踪、监控、评价的问题，为智能制造自感知系统的建立奠定基础。以数据分析应用为工作落脚点，通过数据采集、数据挖掘、数据分析、数据诊断，构建锻造毛坯生产过程数字化描述和自评价体系，逐步形成生产工艺自学习、自优化系统和专家数据库、智能决策系统。

建立自动控制、数据驱动、检测感知、专家数据库、智能决策、自动优化、CAPP(计算机辅助工艺设计)系统，设备远程运维和预测性维护系统，并与APS、MES 深度融合来构建8000 吨油压机智能制造体系。

系统建设的具体架构

8000 吨油压机智能生产集成控制管理系统的整体架构见图1。

图1 8000 吨油压机智能生产集成控制管理系统的整体架构

⑴设备层的建立完善为基础条件。引入一批数字化、自动化设备，提升效率和质量的一致性，对压力机进行智能化改造；PLC 控制系统功能开发；各类先进传感器的应用，建立完善的数据采集系统，实现在线监测，进而通过自适应控制实现智能锻造；AGV/RGV 智能物流转运系统的应用；各类移动终端、工业机器人的大量应用，实现数据收集、分析、处理与计划层、执行层的信息交互功能的闭环管理。

⑵执行层由MES、智能制造、EAM、EMS、UWB技术应用、智能锻造、数据分析等模块组成，构建完善的8000吨油压机物联网，实现人、设备、产品、物料、控制系统、应用软件之间的互联互通，实现多源异构数据采集、设备状态感知和控制指令的下达。具体功能包括工艺执行过程管理、程序锻造执行过程管理、设备运行状态管理、能源控制管理、物料流通过程管理、异常信息及生产数据反馈等。

⑶计划层通过建立数字化生产管控平台，达到生产计划的透明可视化、有序可控、优化决策的目的。为此需要实现PLM 产品全生命周期的管理；APS高级计划排产实现优化瓶颈资源、均衡精益生产；CAX/CAPP 实现计算机辅助工艺规划及智能设计；ERP 实现锻造过程物流与成本的全面集成管理。

集成控制管理系统的实施方案及实际应用

8000吨油压机锻造生产线，主要包括加热、锻造、热处理三大工序，主要设备包含加热/热处理炉窑、锻造压力机、AGV/RGV 物料转运小车等。我们以此为基础结合信息技术、工业网络、先进传感器和自动化等技术开发和建立起8000 吨油压机自由锻造智能集成控制管理系统，下面分几个方面进行阐述。

产品全生命周期系统PLM

⑴利用UWB 技术和AGV/RGV 物料转运小车实现车间内物料的自动定位、轨迹追踪等功能，对产品在生产现场的状态信息实时了解，形成直观的地图予以展示，形成各类物料的具体流转路径数据库，自动形成关于物料运动轨迹对生产影响的评价分析，实现产品的全生命周期管理。

⑵建立生产监控中心，以与8000 吨油压机锻造相关的所有设备的数据采集、视频监控为基础，结合ERP、APS、MES等管理系统，实现对生产线内工序流程、关键设备能源点监控、智能调度协调的功能，达到生产、管理和监控一体化的目标，保证PLM 的精准评价和记录。

精益制造执行系统MES

⑴对现有的工序及关键数据采集进行梳理，增加设备采集的关键点，对没有采集的数据引进新的感知系统，实现关键设备采集的全面覆盖。对生产计划进行完善，总结异常信息处置的规律，建立生产过程异常信息处置的专家数据库，通过异常信息的反馈，及时找出最优的方案，及时调整生产计划，实现生产异常信息的100%反馈处理。

⑵建立可靠的产前智能策划系统，目前8000 吨油压机生产前的准备工作改变以往过度依赖人为统计、人为分析、经验等现状，通过整合打通各个数据通道，组建生产前智能策划系统。此系统可对设备进行日常运行的可视化管理，建立产品产前策划评价数据库，指导当期产品的生产，班组可直观、全面地看到当班生产情况，保证工序一次执行到位，避免返工返修，进一步提高产品质量和管理水平。

⑶在此基础上以生产计划与执行跟踪为一条主线，以物料配套、质量管控、设备维护为三条辅线，基于同一平台实现计划、执行、现场、物流、质量设备的集中封闭式管理。另外与PLM、APS、CAPP 各个系统充分互联，建立可管理生产、设备、质量、物料流转等众多数据的精益化MES 系统。

8000 吨油压机智能程序锻造功能开发

传统的自由锻造过程操作的随意性较强，没有具体的标准化操作，操作者的习惯不同，生产效率不同，产品质量也不同。因此，为提高生产效率和控制产品质量我们对8000 吨油压机的程序锻造功能进行了深入开发。

⑴按照产品的锻造流程，细致划分多个工序(图2)，以逐个工序开发的形式进行程序锻造设计，通过深度还原人工操作压力机的锻造过程，梳理优化最优的锻造流程和操作，将采集的大量数据与锻造工艺相结合，转化为相应的程序锻造工艺参数；深入开发压力机的PLC 控制程序，实现压力机与操作机的联动运行，根据压力机活动横梁位置，操作机提升、旋转、行走等数据来控制锻造过程的各个动作；在ERP 中建立程序锻造工艺数据库，生产前通过WinCC 接收ERP下发的程序锻造工艺参数，将其导入PLC的控制单元，经操作人员确认后，压力机自动执行锻造动作，保证锻造过程各类工艺参数控制的一致性和标准化。

图2 8000 吨油压机程序锻造的实际应用

⑵通过对8000吨油压机程序锻造功能不断试验、总结，结合锻造设备、操作机技术理论研究，找到锻造过程的最佳运行路径，以数学函数的形式进行程序优化，持续提升程序锻造运行效率。打破原来智能制造“重设备、轻工艺”的固有思维，以“锻造工艺参数深度融合到设备程序中”为新途径，通过生产计划和工艺的自动传输、数据分析、数据诊断及专家数据库、自优化功能实现了压机的全工序无人控制功能。

现场生产运行数据可视化监控软硬件一体化装置开发

通过充分利用设备上已采集的数据信息，经过大数据分析，形成对生产过程的数据可视化评价，并对异常信息进行报警。

⑴以异常信息反馈功能为例：根据目前设备采集的数据信息，经过数据清洗和筛选判断出异常数据信息，将ERP 输出的异常信息信号与报警灯连接。此功能需要借助网络继电器这种中间转换装置来实现，为此我们自主进行网络继电器的二次开发，将异常报警信息与现场的报警灯装置(软硬件)进行连接；另外结合数据采集点情况，在ERP 中建立炉窑、压力机等关键参数设备报警，炉温极差等质量报警，一方面通过网络继电器将报警信息传到现场报警装置，另一方面将异常信息传输到相关管理人员的企业微信中，实现异常报警信息的可视化、数字化呈现。

⑵以产品在压力机上的锻造过程为例：通过对锻造过程进行详细地剖析，操作人员通过WinCC 接收MES 下发的产品生产计划信息，结合锻造过程中压力机压力采集点的数值变化、快换砧机构中各类砧型移动变化的信号数据，确定压力机当前使用的砧型，来判断锻造开始时间和锻造工步，再整合温度采集信息记录，应用科学的数据分析方法，编制程序，自动形成产品锻造时间、锻造工步完成情况的统计，从而达到锻造过程的可视化写实效果。

⑶通过大量的数据积累，建立标准台时的锻造流程图，用产品锻造监控图形与标准锻造流程图进行对比(图3)，与历史效率最快产品流程图进行对比，查找差距和不足，实现锻造过程统计及分析评价。

图3 产品锻造过程监控对标图形

通过上述大数据分析和可视化的手段，实现了8000 吨油压机生产线中重点设备、关键环节、关键工序现场运行可视化100%的目标。

8000 吨油压机锻造大数据应用平台建设

锻造过程是一个复杂的生产过程，过程中压下量、压力、旋转角度、温度等参数，由于数量大，时序性不强，无法真正与锻造过程对应，无法正确的应用，要应用这些锻造参数，必须实现其与产品的一一对应。

⑴我们现有的ERP 系统中存在完整的产品计划信息，包括产品的加热炉次、火次、产品编号、生产号、工序等，如将产品的计划信息传输至压力机的上位机，可以实现锻造参数与产品的一一对应的关系。为此，我们首先增加中间服务器，建立压力机上位机与企业ERP 数据库的连接。上位机需要从ERP 中获得数据到WinCC 的界面上，通过在WinCC 内编写VB 脚本访问锻造计划表，选择8000 吨油压机的产品计划信息，将产品编号、生产序号、工序等显示在压力机的上位机上。操作者可以根据生产计划选择即将锻造的产品至上位机，实现采集参数与产品的火次工序的对应。也就是实现数据库中的实时参数根据不同时间段与不同产品、不同工序进行对应。

⑵以往锻造过程是不可测量不可评价的过程，整个工序过程锤数多，速度快，没有办法记录。温度、压力这些参数都是实时的变量，怎么与每一锤压下时的状态进行匹配，是一个难点。为此经过一定时间数据的摸索和分析，我们将压力机与锻件接触时的压力作为一个判断条件，接触时编码器的位置定义为锻前尺寸，接触后回程时的位置定义为锻后尺寸，锻前尺寸减去锻后尺寸定义为压下量。同时将接触时的压力值定义为一个新的开关变量，此变量每变化一次作为每一锤的开始，此变量两次变化之间的时间段内的最大压力为这一锤的最大压力，此时间点的温度值为这一锤的温度。至此找到了锻造过程参数与实际锻造过程的对应关系。

⑶通过对大量数据的分析筛选，建立标准锻造参数数据库，实现产品尺寸、压下量、进给量等关键性能参数与工艺标准的实时对比评价，实现锻造过程尺寸控制精度的实时评价(图4)。

图4 锻造过程尺寸控制精度评价

集成控制管理系统的应用反思

⑴8000吨油压机自由锻造智能集成控制管理系统的建立要紧盯智能制造方向，强化创新意识，运用系统思维，完成“一键式操作、无人化工序、集成式作业”项目建设，不断提升生产现场的“智能化指数”，增强生产过程本质化受控能力。不断完善全生产流程数据，充分运用信息化手段，优化瓶颈环节，畅通生产梗阻，均衡工序流量，系统推进生产管理能力的提升。

⑵智能制造是我国向制造强国迈进的迫切需要，对我国机械工业和国民经济发展的推动起关键作用，我们只有通过不断学习和应用大数据分析、数字孪生、机器学习、可视化识别、先进传感器等先进技术，建立起完善的数据治理体系、智能锻造数据包、数字孪生虚拟车间，从而建设完成有自身特色的锻造智能生产线。