智能热处理工厂系统实践

智能热处理工厂系统实践
向建华;张志鹏
【摘要】本文介绍了江苏丰东在智能化热处理工厂系统实践中所取得的成果,通过智能热处理设备、智能物流系统、热处理工艺数据库系统、热处理制造执行系统等7个方面的集成运用,实现热处理生产过程的智能化和少无人化,提高了产品质量和生产效率,降低了运行成本,进一步节能减排.分析了热处理智能工厂建设过程中的难点并给出了建议,如跨线生产、热处理用AGV系统的选择、多系统集成等,对于热处理从业者今后在智能制造实践中提供参考.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2018(039)006
【总页数】8页(P55-62)
【关键词】智能热处理设备;热处理工艺数据库;热处理用AGV;跨线生产;系统集成【作者】向建华;张志鹏
【作者单位】江苏丰东热技术有限公司,江苏盐城224100;江苏丰东热技术有限公司,江苏盐城224100
【正文语种】中文
【中图分类】TG155.2+6
热处理是机械制造业的基础工艺，是装备制造业和材料产业不可或缺的核心技术。

目前我国高端智能热处理装备与工艺技术，与国际先进水平相比仍然有较大差距。

2015年国家颁布了《中国制造2025》行动纲领，我国要从制造业大国向制造业
强国转变，热处理的智能化已经成为必然的发展趋势。

发展智能热处理技术，是我国热处理实现跨越式发展的必由之路[1]。

江苏丰东热技术有限公司多年来致力于智能热处理装备与工艺的研发及产业化推广，2015年9月江苏丰东获得“工信部智能制造专项”资助，在南京丰东实施了“无人化智能热处理工厂”项目，旨在建成我国热处理行业智能制造示范工程，本文简要介绍本系统构成、应用成果及实施心得。

1 丰东智能热处理工厂系统介绍
图1为丰东智能热处理工厂系统的基本构架，包括：智能热处理设备、智能仓储
及物流系统、远程工艺仿真与模拟系统、热处理工艺数据库系统、热处理制造执行系统(含APS高级排程系统)、热处理设备管理系统、设备远程监控及诊断系统、
热处理ERP 管理系统等各个子系统，通过各系统集成应用，实现热处理加工自动
排产、均衡化混流生产、加工工艺优化、生产过程实时监控、设备故障远程诊断、数字化物流跟踪和ERP管理等功能，从而达到热处理生产过程的智能化和少无人化，提高产品质量和生产效率，降低运行成本，进一步节能减排。

其中，远程工艺仿真与模拟系统是为热处理工艺数据库服务的，这两个系统为热处理工艺执行与管理系统提供了工艺支持，热处理工艺执行与管理系统通过调度和管理智能热处理设备、智能仓储及物流系统实现了智能化生产，设备远程监控及诊断系统为智能化生产提供了技术保障，ERP系统为智能热处理工厂的企业资源高效
运行提供保障。

1.1 智能热处理工厂对热处理设备的基本要求
智能热处理工厂对热处理设备提出了一些新要求，主要体现在：
图1 丰东智能热处理工厂系统构架图Fig.1 Basic structure of intelligent heat treatment plant system in Fengdong
1)较为友善的人机界面，操作简单，可一键操作，实现多设备间的联动；可接受上级指令，自动完成操作，无须人为参与；
2)工艺参数存储及自动执行，可接受上级系统下达的工艺参数，工艺参数控制全自动，无须人为参与；
3)较高的系统可靠性，较全面的警报监视系统，具有智能的故障处理系统，可自动处理常见故障，可实现重大故障时的自动保护停炉。

我公司的预抽真空系列多用炉，具有上述全部特征，因为进出炉没有火帘，避免了常规多用炉进出炉因为火帘引燃处理品所附着的淬火油，导致需要人工参与灭火，污染车间环境，产品硬度下降及外观变色，造成产品不合格等一些列问题，预抽真空系列热处理装备是智能热处理工厂的首选装备之一。

我公司生产的真空溶剂清洗机，具有上述全部特征，采用真空清洗及溶剂清洗等方法(无水参与清洗，无含油废水排放，选用碳氢溶剂可通过蒸馏冷凝，达到99%以上的高效回收重复利用，极少量排放对大气臭氧层无破坏，综合运行成本低与普通水系清洗设备)，避免了常规清洗机的清洗不干净、干燥不完全等问题，导致需要
人工再表面清洗质量检查及檫试等处理，无法实现无人操作的问题，也是智能热处理工厂的首选。

图2为智能热处理工厂系统推荐设备。

(a)BBH预抽真空多用炉；(b)周期式VCH系列真空溶剂清洗机图2 智能热处理工厂系统推荐设备(a) BBH prevacuum multipurpose furnace; (b) periodic VCH series vacuum solvent cleanerFig.2 Recommending equipment for intelligent heat treatment plant system
1.2 智能物流系统
本项目的智能物流系统主要包括仓储系统及连接各仓储系统、各作业工位、各热处理生产线间的物料输送系统。

智能仓储系统主要包括存储来料(原材料)的立体仓库及平面仓库、存储完成品(成
品)的立体仓库及平面仓库、存储待热处理的(半成品)线边立体仓库及平面仓库、存储已热处理的(半成品)线边立体仓库及平面仓库、来料抽样平面库、工装平面仓库、周转箱平面仓库等。

立体仓库可以实现货物的自动出入库，可以与输送系统自动对接，实现货物存取自动化。

主要包括货架、堆垛机、出入对接设备、控制系统及操作系统等，存储密度高，具有较高的自动化程度和较强的防错能力。

对于自动立体仓库的货物入口区输送装置，设置了外形检测及摇摆顶升装置，可防止货物超出规定的尺寸及位置偏离。

平面仓库主要存储不便于进入立体仓库的货物，如体积超大的、重量超重的、存储箱带有滑轮的等。

平面仓库可以是地面上一些定义的存储货物区域，也可以是一组货架，平面仓库的出入主要靠人工用存取设备进行出入库。

平面仓与立体仓库互为补充，实现存储自动化与经济性的平衡。

无论是立体仓库还是平面仓库，均由统一的WMS系统进行管理，这样，物料的状态、库位、数量均一目了然，可实现物料的透明化。

本项目智能物料输送系统主要包括各型输送线、升降提升机、RGV(有轨自动运送车)、AGV、各型对接设备构成，实现各仓储系统、各作业工位、各热处理生产线间的物料输送。

各输送设备的输送宽度及输送速度应基本保持一致。

输送设备应配置必要的扫码及RFID阅读装置，以便对输送物料进行识别及防错。

图3为智能仓库及物流系统。

图3 智能仓库及物流系统Fig.3 Intelligent warehouse and logistics system 1.3 远程工艺仿真系统
热处理工艺仿真系统是一套基于知识积累的数学模型，通过二维数学模型对热处理过程进行仿真和控制，工艺参数自动生成；根据工件材料、形状、渗层要求等要素自动生成工艺规程，以最快速度达到最合理的渗层浓度分布，以满足处理品的使用性能及寿命要求。

远程工艺仿真系统，按照Browser/Server架构进行布置。

用户通过登录授权，输
入材料及工艺控制目标值，即可自动运行工艺仿真、模拟验证，可以将仿真直接发送至车间客户端、现场工艺执行，也可以生成仿真报告、导出电子文档。

系统仿真设计界面如如图4所示，仿真结果如图5所示。

图4 远程工艺仿真设计界面Fig.4 Design interface of remote process simulation
图5 远程工艺仿真结果Fig.5 Rrsult of remote process simulation
1.4 热处理工艺数据库
热处理工艺数据库是智能热处理工厂生产数据的基础，包含物料基本信息、物料材料库、物料热处理工艺路径(包括各处理工序、所用设备、所需工步及各工步工艺
参数等)、物料BOM(指产品处理过程中需要物料的最大数量、所需工装的明细)管理等。

物料热处理工艺路径包括处理零件所需的所有工序，如装料、前清洗、渗碳、后清洗、回火、卸料等。

可设置完成各工序所需要的设备及每台设备所需要完成的工步及每一工步所需的工艺参数，如渗碳工序可再分为：换气、渗碳、油冷、沥油4
个工步。

渗碳工步中需要设定包含温度、碳势、时间等多段曲线的工艺参数。

工艺参数可自动下发至最终执行仪表，以实现自动执行。

工艺参数可图形化显示，便于阅读。

渗碳工艺参数可与热处理工艺仿真系统进行集成。

工艺路径具有版本管理功能，将物料的工艺开发过程全部版本保存下来，以便追溯及分析，任何一个版本均可设置为当前版本，但只有当前版本方可下达生产。

工艺数据库的新建及变更均应得到审批后方可下达。

图6为某产品工艺路径总览表，便于从宏观上把握产品的
工艺路径。

图6 物料工艺路径总览图Fig.6 Overview map of materiel technology path 1.5 热处理制造执行系统
本热处理制造执行系统包括收发料管理、计划排程管理、生产任务执行与反馈系统、
质量管理、项目看板管理、数据采集、报表统计等管理模块，打造了透明、高效、可靠的热处理生产执行系统，减少人为因素对生产的影响，覆盖从客户来料收货至客户发货的热处理加工全过程管理。

典型的热处理生产流程如下：来料受理→来料检验→来料入库→生产计划→生产派工→装料→待处理品入库→产线自动生产→检验→已处理品入库→卸料→入完成品库→发货→结算。

生产调度人员查询已入库的客户来料，由系统根据BOM信息，自动生成生产批次。

生产批次生成后可进行生产排程，排程可手动进行，也可由APS高级排程系统进行。

已排程派工的生产批次经批准后下达开工指令。

系统按工序的先后顺序完成生产计划的执行及报工，前道工序报工完成后，系统应完成物料的调度并开始执行下道工序，直至完成所有工序。

图7为批次跟踪图。

图7 批次跟踪图Fig.7 Batch tracing diagram
装料、卸料工序的执行中，系统能自动给出图文并茂的作业指导书，指导作业者完成物料的准备工作；作业前协助进行物料识别，防止物料差错；作业后协助完成报工及完成物料(含余料)入库及流转处理。

物料准备中采用自动化手段，自动完成所需物料的自动出入库及输送，自动物料系统不能到达的区域，采用人工操作的办法，辅助进行物料准备。

热处理的各工序(如前清洗、渗碳/碳氮共渗/渗氮/氮碳共渗/保护气氛加热、后清洗、回火等)实现全自动无人值守，包括出入炉指令的下达，物料流转、工艺跟踪等。

需要由人工参与执行的作业，系统可及时通知到指定作业者或工位，如物流人员、装卸料人员、质检人员等。

系统具有来料检验、工序检验及发货检验等质量管理功能。

各检验环节可根据需要进行设置，设置内容应包括是否需要检验、检验内容、检验作业指导书、授权检验
人员等，检验结果可网络输入，通知下一工序。

图8为完成的批次处理报告。

1.6 设备管理
系统具有设备信息、检查、保养、维修等设备全生命周期的管理功能。

图8 完成的批次处理报告Fig.8 Completed batch processing report
系统具有设备及创建使用过程中所有设备基础信息的管理，如设备的采购合同及技术协议的存档、设备配置管理、设备验收及审批记录(如：设备交接清单、SAT记录、TUS记录、报警测试记录、CP校正记录)。

可对单台设备明细台账进行增删改并保留设备配置变更履历，可随时生成总设备台账。

系统可针对不同的操作者(如操作工、维修工)、不同的检查频次(日检、周检、月检、年检、开炉检、停炉检)、不同的设备设定不同的检查内容，可设置检查提醒功能。

系统可对不同设备分别制定保养计划及保养内容，常见保养内容如：SAT测试、TUS测试、报警测试、CP校正、仪表检定、探头更换、搅拌风扇更换、加热器更换等。

可设置保养计划提醒功能，保养完成后可在系统中报工并上传记录(如有)。

系统可生成超期保养计划清单报警，便于对设备进行及时保养。

系统可实现对每台设备的维修过程进行跟踪管理，包括被动维修(如故障)和主动维修(如正常维护及大修)两种形式。

管理内容包括故障现象记录、维修过程记录、维修验证、故障及维修频次排名等。

1.7 基于互联网的热处理设备远程监控、调试及维修诊断系统
本系统采用B/S结构设计，本系统具有数据展示、历史记录与曲线、报警设置、远程控制、设备故障自诊断、设备维护信息、易损件更换提醒、能源管理与环境监测等功能，用户可通过IE浏览器或手机APP进行数据管理。

当设备出现故障后，系统自动发出报警及维修诊断帮助指令，必要时工厂级设备维管人员或设备制造商可以远程检测故障并排除故障。

图9为设备状态远程监控图，图10为设备故障远
程诊断示例。

2.3 自动的物料跟踪技术
由于热处理炉的工作环境非常特殊，物料的标识跟踪管理一直比较难。

物料既要长时间进入高温的炉膛中，又要从高温状态直接进入淬火油中，还需要进入水或溶剂中清洗，常规的二维码无法实现物料的全程跟踪，一般的处理办法是采用人工的办法在进炉前取出标签，工序处理完成出炉后再人工将标识放到物料上，实现跟踪，但是，这样需要人工干预且会出错。

为了解决此问题，我们尝试使用耐高温的二维码及利用图像识别技术来识别料盘上的钢制文字等方法来进行物料跟踪，但都没有成功了。

最后，我们参照库位管理中取料后在标签上修改数值的办法，利用RFID 标签和RFID读写器的配合，成功实现了物料的自动跟踪。

2.4 防错及防呆设计
为了减少人为操作失误所带来的质量不稳定，本系统尽最大程度地考虑了各种可能存在的操作错误，利用物理的、工艺的手段来防止操作错误，在可能出现操作错误的地方均有相应的指导文件来适时给与指导，降低对作业人员素质的要求。

例如，如果物料应该进入1#炉但却被送到2#炉前，这时。

即使想搬入2#炉，系统也是不会允许的。

再如，如果出现一个警报，系统会自动给出产生这一警报的可能原因并及时提供给操作者，以利于及时作出正确的处置。

2.5 质量可靠的AGV系统很重要
AGV系统在本项目中承担了在各设备及各作业点间物料移动的任务，如果AGV不可靠，将导致整个物流系统停止运行，本项目实施过程中AGV出现了很多问题，数次更换AGV才最终满足要求，期间浪费了大量的时间和人力，下面分享这些问题，希望对大家有帮助。

这些问题有：
1)走行问题，如：驱动力不足、不能补偿地面的不平整、停止精度不够、停止时姿态不正；
2)移载问题，如：移载动力不足、只转不走、停止不及时；
3)调度问题：不能就地停止，存在无效路径；不能就近派车；路径规划不合理，存在无效路径；不能自动避让等；双车运行效率低；
4)充电问题：充电周期不合理，频繁充电；充电过迟导致无法移动到充电位；充不上电；
5)安全及可靠性问题，如：障碍物探测不及时、物料高温使系统不可靠等。

2.6 确定合理的项目目标
本项目实施时确定的目标较高，规划了8个模块，同时实施这些模块，不确定因素较多，各模块相互影响，项目实施周期长，项目实施团队迟迟看不到项目终点，会渐渐失去耐心。

用户看不到项目带来的益处，对于项目的热情会下降，为了更好地实施项目，建议进行项目总体规划分步实施，定义好各交互数据，将项目分解成若干个阶段，明确各阶段的目标，分步实现这些目标，可以让团队及用户更好体验项目的价值。

2.7 正确认知热处理的无人化
本项目实施后，在热处理受托加工业务过程中，仍有很多岗位需要人的参与，如：来料的受理入库、完成品的发货、生产排程的审核、过程及产品的检验、装料及卸料等，只有在热处理生产线间的生产过程是全无人操作的。

3 总结
热处理智能制造与信息化，是我国热处理行业“十三五”重点发展方向[2]。

智能热处理工厂，是当今热处理设备与工艺发展的必然发展趋势。

智能热处理工厂的核心是，在先进可靠的智能热处理设备基础上的，基于互联网的在线热处理工艺执行与管理、远程工艺服务与设备监控、智能仓储与物流、ERP综合管理系统等方面的综合集成创新。

丰东将和全国热处理同行共同努力，加快热处理的智能化研发和推广应用，为实现《中国制造2025》的宏伟蓝图做出积极的贡献。

参考文献
【相关文献】
[1] 潘健生,顾剑锋,王婧.我国热处理发展战略的探讨[J]. 金属热处理，2013，38(1)：4 -14.
[2] 中国热处理行业协会.热处理行业“十三五”发展规划[J].热处理技术与装备，2015，36(4)：63-76.。