在铸造行业“十四五”发展的开局之年,中国铸造协会在第五届中国铸造节上正式向全行业发布了《铸造行业“十四五”发展规划》,《规划》中明确了“智能制造”的发展目标。

智能制造:加快行业信息化建设步伐,形成适用典型铸造工艺和不同产品的智能制造成熟模式,制订智能铸造及成熟度评价系列标准,通过典型数字化车间/智能工厂示范建设,引领行业智能制造快速发展。到2025年,培育200个以上数字化车间/智能工厂。

在铸造行业,山东隆基机械股份有限公司智能化铸造车间作为智能制造示范项目,引领着行业智能制造快速发展。今天将对此项目做详细介绍。

智能化铸造车间

一、企业简介

山东隆基机械股份有限公司是一家致力于汽车制动部件产品研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业。公司与机械科学研究总院、清华大学等高校院所建立了长期战略合作,并建有“院士工作站”、“博士后创新实践基地”等多个技术研发创新平台,先后获得几十项国家专利和科技成果,并主导和参与多项国标的制定。

公司是首批符合铸造行业准入条件的企业之一;并先后被授予“国家工信部绿色工厂”、“中国绿色铸造示范企业”、“中国铸造行业综合百强企业”、“中国海关高级认证企业”、“山东省制造业单项冠军企业”等荣誉称号。产品荣获“山东省名牌”、“山东优质品牌”、“山东知名品牌”、“山东省科技进步奖”和“烟台市市长质量奖”。

公司主要包含铸造、加工、涂装三个重要生产工序,下设 7 个大型智能化铸造车间,年铸件生产能力30 多万吨,可提供制动盘、制动毂成品 3000 余万件。

二、项目背景

近年来,随着国家政策对环境和资源集约的要求进一步增强,山东隆基机械股份有限公司作为一家传统铸造企业也面临着转型升级的迫切问题。目前公司产品生产制造过程人为影响、控制成分较多,质量稳定性需进一步提升,设备数字化、智能化程度较低;制动产品安全部件的特殊性,更需要公司生产高质量的产品,关键工序智能化、关键岗位机器人化、铸造生产过程智能优化控制尤为重要;国家环保政策的推进,更是倒逼企业创建绿色工厂、实施绿色铸造

●传统铸造行业的熔炼采用冲天炉,不符合环保要求,铁水缺少实时监控分析数据,成分不可控,影响产品质量;

●原料铁主要由人工操作机械设备投加,配料不稳定,且效率低。

●传统浇注工段采用转运包,由于转运包无加温功能,出炉后的铁水会随着时间的增加而影响了铁水温度、成分,产品质量不稳定,难以满足高端客户质量要求;

●铁水包用叉车转运到浇注机存在安全隐患;浇注机用倾倒法将铁水注入型腔,由于浇包内铁水随着浇注质量不断变化,浇口到型腔高度不断变化,因而铁水对型腔的压力也不断变化,从而影响工件内在质量,浇注设备无法实现连续浇注,效率较低。

●传统的造型、清理、抛丸工序独立,以体力劳动为主,效率低,过程数据不能实时采集、监控。

本项目是以铸造流水线为主的制造模式,项目建成后,项目产品在尺寸精度、外观和相关性能指标各方面均达到了世界先进水平;工艺装备智能化水平达到目前国内先进水平

三、实施方案

本项目采用“自动化创新技术+绿色智能铸造”的模式进行设计建设。车间达到年产 8 万吨高端铸件的能力,产品合格率超过98%,实现了绿色智能铸造目标。

本项目是以铸造流水线为主的制造模式,通过将铸造生产流程的配料工艺过程智能单元、熔炼工艺过程智能单元、浇铸工艺智能单元、清理智能单元、砂处理检测智能单元等 5 大单元闭环控制系统,使各智能单元的控制实现局部智能制造,进而实现产量管理、质量管理、能源管理、安全管理、排放控制等全过程智能控制。

工艺流程图

该项目,综合应用了 AGV、桁架机器人、自动浇注造型系统、自动加配料熔炼系统、砂处理系统、炉料回收系统、分拣机械手、抛丸系统、打磨系统等智能装备、传感器、智能单元管理与控制系统等,通过建设物联网实现设备数据采集、存储、上传至云信息系统,在共享工业云上实现业务集成,打通人、设备、系统之间的数据通道,实现高效协同。

主要有以下设备:

自动加配料熔炼系统 4 套、智能化熔炼系统铁水转运系统 1 套、自动浇注造型系统 1 套、落砂系统 1 套、抓件机械手 1 台、缓存系统、智能化抛丸机 1 套、智能打磨机 2 台、立体仓库等。

(左)自动加配料熔炼系统(右)自动造型系统

制芯智能系统

该项目铸造车间按照智能制造标准体系进行设计,以讯号、数据采控为主的设备物联网层,5 大智能单元的闭环控制层,信息集成与生产管控车间层,运营管理与决策支持的企业层、提供智能服务的协同层的五层架构方案运行,与 PLM、ERP、MES、LIMS、EHS 数据库进行集成,实现整个生产过程协同、环保运行。

1、讯号、数据采控的设备物联网层

基于优化的产品设计和工艺流程,按照五大智能单元搭建底层的设备物联网平台,上料系统、熔炼设备、机器人、造型机、电子标签、条码采集装备、自动物料传送系统等通过串口和以太网接口两种方式联网,为五大智能单元系统的数据采集提供数据支撑。项目实施从设备联网、现场监控软件、后台数据服务平台三个模块进行设计与实现。

设备联网目的是生产线移动采集,采集实际节拍、线速或滑橇到位,用于同步或自控。产品数据采集,包括加工参数、测量数据和环境参数等,用于质量管理。设备维护监测,故障码或监测值,用于设备远程监视、设备周期性和预防性维护等。设备使用监测,用于设备 OEE(Overall Equipment Effectiveness)改善分析等。人工操作反馈,用于监督人工作业到位。自动控制,车型参数下发(加工参数/档位设定)、NC 下发、远程控制等。

2、闭环控制层

该铸造车间生产过程是以流水线为主的制造模式,既有专线也有混和线和离散制造,所涉及的流程和设备复杂,本项目通过将铸造生产流程分为配料工艺过程智能单元、熔炼工艺过程智能单元、浇铸工艺智能单元、清理智能单元、检测智能单元等 5 大单元闭环控制系统,使各智能单元的控制实现局部智能制造。

各智能单元利用 OPC 接口,通过现场总线、以太网通讯与 PLC 或控制器进行通讯,向上与ERP、MES、PLM、SCM等系统集成,引入生产计划、维保计划、质量标准、工艺数据库等信息,并向 MES 系统反馈设备、生产等信息,向下与底层设备及功能部件集成,依据标准工艺与参数执行现场作业,同时采集的数据,与工艺优化数据库的设定值实时对比,优化决策后闭环调整控制。

3、车间管控层

车间层是以 MES 系统为主,对本车间所有资源的集成管理。MES 系统主要有制造数据管理系统、计划排程管理系统、生产调度管理系统、库存管理系统、质量管理系统、人力资源管理系统、设备管理系统、工具工装管理系统、采购管理系统、成本管理系统、项目看板管理系统、生产过程控制系统等模块,向上通过以太网与 ERP、PLM 等系统集成,向下通过接口与各智能单元集成,形成一个可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

4、企业运营决策层

企业层由企业的生产计划、采购管理、销售管理、人员管理、财务管理等信息化系统构成,实现企业生产的数字化集成管理,主要包括企业资源计划(ERP)系统、供应链管理(SCM)系统和客户关系管理(CRM)系统等,各系统与 MES 和全流程虚拟制造系统集成,将企业各种信息通过分类、汇总后形成中间数据库,然后按照不同管理主体的要求,进行对应 KPI 信息展示,指导、辅助企业管理人员做出客观决策。

5、协同层

协同层实现协同设计、协同制造、供应链协同等内容,协同还包括半成品运输,订单分配,调度,运输资源,运输计划,运输跟踪,品质管理,费用管理,KPI(Key Performance Indicator),3PL(3rd PartyLogistics)管理,仓储管理等功能,与供应商通过互联网共享信息实现智能生产、精准物流和智能服务等。

五层架构方案

四、项目实施效果

项目通过对设备的升级改造,应用智能制造技术和装备以及全面数字化管理,建设智能化车间。项目实现铸造生产过程的节能、降耗、减排,以及清洁、安全生产,提高了铸件产品的生产质量。实现了生产、质量、设备、成本的集成管控;全面推动公司的技术提升和产品升级,加速产品结构优化,实现隆基机械的绿色、可持续发展,进一步夯实隆基机械在国内高端商用车 OEM 配套市场的领先地位。

1、采用自动加料和合金配料系统,产品不良率降低了约 30%

该项目熔炼采用先进的应达中频电炉,同时配备自动加料装置、合金配料系统等智能设备,对接厂区智能化系统控制软件。原料铁加料、合金配料实现智能化升级,铁水实现实时监测分析,根据光谱化验的实际成分,自动计算原料、合金的加入量,并由系统进行自动配料,保证了铁水合金成分的稳定目标值,确保了产品质量,产品不良率降低了约 30%。

2、采用无芯自动气压保温浇注炉,实现自动化连续浇注,生产效率提升了约 30%

该项目浇注采用无芯自动气压保温浇注炉,本浇注炉配备的多个电压分接头、塞杆控制浇注、光学浇注系统等装置,对于各种工况(慢速控制、标准控制、慢速超高加热、快速超高加热)铁水温度、末端浇注最大化铁水节约以及采用焦距对准注入铁水,实现自动化连续浇注,可提升生产效率约 30%。

3、采用机器人自动取芯,使取芯和制芯钢性联接,减少用人,提高制芯系统生产效率 15%

该项目采用三工位冷芯盒制芯单元,该设备刚性强,高效可靠,生产率≥100 型/ h。射砂时应用上部射头下压射芯,彻底杜绝了因采用油缸举升工作台,而产生工作台摇摆等严重不良后果,先进的功能和强大的低压射砂系统。可实现在不增压的状况下完成射砂,并确保砂芯的精度。机外下顶芯取芯,顶芯平稳,取芯方便,采用机器人自动取芯,使取芯和制芯刚性联接,减少用人,提高制芯系统的生产效率 15%。

4、实现低排放、物料回收循环使用的绿色铸造生产模式

粉尘、噪声、能源、物料消耗偏高是铸造行业较突出问题。该项目落砂、清理、打磨工段采用进口振动落砂设备,该设备采用振动电机驱动激振框进行振动落砂、振幅小效率高噪音小,同时通过系统对设备进行控制,以机器人为桥梁,通过程序控制有条不紊地完成各个工艺流程,实现落砂、清理、抛丸、检测全流程自动化。同时,配备机械手分拣工件,配备两条制动鼓、制动盘外圆全智能打磨设备,整个过程 90%实现轻体力劳动,同时降低了粉尘等污染物排放量。

炉料、废料智能回收系统、智能高效除尘系统等先进技术的使用,使单位产值能耗降低 12%,固体废弃物利用率达到 98%,颗粒物排放浓度低于 10mm/Nm3,大大降低了能源消耗的废弃物排放对环境的影响,成为铸造行业绿色工厂。

5、打造绿色铸造新模式,助力工厂智能化发展

智能化铸造车间总投资 1.5 亿元,形成年产高端制动盘鼓 150 万件的生产能力。以“绿色智能化铸造”为标准,采用目前行业领先的数字化、智能化设备进行部署,主要围绕铸造五大工部展开,对车间所有的计划执行、设备运行状态、上料数据采集、产能数据分析、生产过程预警、排放数据采集等进行实时地跟踪与记录,并通过远程信息展示屏、内部网络、手机 APP 等实现实时监控,实现全天候无距离现场管理。

项目建成后,在质量、效率、排放等指标有效提升的前提下,将进一步提升公司的行业地位和影响力,对助力公司全面智能化发展具有重大意义。同时可为行业铸造企业的转型升级提供借鉴,促进行业向智能制造模式转型升级。

从以上方案实施中可以看出,山东隆基机械的智能化铸造车间通过物联网层、控制层、车间层、企业层、协同层五层架构方案,与 PLM、ERP、MES、LIMS、EHS 数据库进行集成,实现整个生产过程协同、环保运行。

铸造执行系统(KOCEL  MES)

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