【智能制造應用案例】案例十二：山東隆基機械智能化鑄造車間

在鑄造行業“十四五”發展的開局之年，中國鑄造協會在第五屆中國鑄造節上正式向全行業發布了《鑄造行業“十四五”發展規劃》，《規劃》中明確了“智能制造”的發展目標。

智能制造：加快行業信息化建設步伐，形成適用典型鑄造工藝和不同產品的智能制造成熟模式，制訂智能鑄造及成熟度評價系列標準，通過典型數字化車間/智能工廠示范建設，引領行業智能制造快速發展。到2025年，培育200個以上數字化車間/智能工廠。

在鑄造行業，山東隆基機械股份有限公司的智能化鑄造車間作為智能制造示范項目，引領著行業智能制造快速發展。今天將對此項目做詳細介紹。

智能化鑄造車間

一、企業簡介

山東隆基機械股份有限公司是一家致力于汽車制動部件產品研發、生產、銷售為一體的國家高新技術企業。公司與機械科學研究總院、清華大學等高校院所建立了長期戰略合作，并建有“院士工作站”、“博士后創新實踐基地”等多個技術研發創新平臺，先后獲得幾十項國家專利和科技成果，并主導和參與多項國標的制定。

公司是首批符合鑄造行業準入條件的企業之一；并先后被授予“國家工信部綠色工廠”、“中國綠色鑄造示范企業”、“中國鑄造行業綜合百強企業”、“中國海關高級認證企業”、“山東省制造業單項冠軍企業”等榮譽稱號。產品榮獲“山東省名牌”、“山東優質品牌”、“山東知名品牌”、“山東省科技進步獎”和“煙臺市市長質量獎”。

公司主要包含鑄造、加工、涂裝三個重要生產工序，下設 7 個大型智能化鑄造車間，年鑄件生產能力30 多萬噸，可提供制動盤、制動轂成品 3000 余萬件。

二、項目背景

近年來，隨著國家政策對環境和資源集約的要求進一步增強，山東隆基機械股份有限公司作為一家傳統鑄造企業也面臨著轉型升級的迫切問題。目前公司產品生產制造過程人為影響、控制成分較多，質量穩定性需進一步提升，設備數字化、智能化程度較低；制動產品安全部件的特殊性，更需要公司生產高質量的產品，關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人化、鑄造生產過程智能優化控制尤為重要；國家環保政策的推進，更是倒逼企業創建綠色工廠、實施綠色鑄造。

●傳統鑄造行業的熔煉采用沖天爐,不符合環保要求，鐵水缺少實時監控分析數據，成分不可控，影響產品質量；

●原料鐵主要由人工操作機械設備投加，配料不穩定，且效率低。

●傳統澆注工段采用轉運包，由于轉運包無加溫功能，出爐后的鐵水會隨著時間的增加而影響了鐵水溫度、成分，產品質量不穩定，難以滿足高端客戶質量要求；

●鐵水包用叉車轉運到澆注機存在安全隱患；澆注機用傾倒法將鐵水注入型腔，由于澆包內鐵水隨著澆注質量不斷變化，澆口到型腔高度不斷變化，因而鐵水對型腔的壓力也不斷變化，從而影響工件內在質量，澆注設備無法實現連續澆注，效率較低。

●傳統的造型、清理、拋丸工序獨立，以體力勞動為主，效率低，過程數據不能實時采集、監控。

本項目是以鑄造流水線為主的制造模式，項目建成后，項目產品在尺寸精度、外觀和相關性能指標各方面均達到了世界先進水平；工藝裝備智能化水平達到目前國內先進水平。

三、實施方案

本項目采用“自動化創新技術+綠色智能鑄造”的模式進行設計建設。車間達到年產 8 萬噸高端鑄件的能力，產品合格率超過98%，實現了綠色智能鑄造目標。

本項目是以鑄造流水線為主的制造模式，通過將鑄造生產流程的配料工藝過程智能單元、熔煉工藝過程智能單元、澆鑄工藝智能單元、清理智能單元、砂處理檢測智能單元等 5 大單元閉環控制系統，使各智能單元的控制實現局部智能制造，進而實現產量管理、質量管理、能源管理、安全管理、排放控制等全過程智能控制。

工藝流程圖

該項目，綜合應用了 AGV、桁架機器人、自動澆注造型系統、自動加配料熔煉系統、砂處理系統、爐料回收系統、分揀機械手、拋丸系統、打磨系統等智能裝備、傳感器、智能單元管理與控制系統等，通過建設物聯網實現設備數據采集、存儲、上傳至云信息系統，在共享工業云上實現業務集成，打通人、設備、系統之間的數據通道，實現高效協同。

主要有以下設備：

自動加配料熔煉系統 4 套、智能化熔煉系統鐵水轉運系統 1 套、自動澆注造型系統 1 套、落砂系統 1 套、抓件機械手 1 臺、緩存系統、智能化拋丸機 1 套、智能打磨機 2 臺、立體倉庫等。

（左）自動加配料熔煉系統（右）自動造型系統

制芯智能系統

該項目鑄造車間按照智能制造標準體系進行設計，以訊號、數據采控為主的設備物聯網層，5 大智能單元的閉環控制層，信息集成與生產管控車間層，運營管理與決策支持的企業層、提供智能服務的協同層的五層架構方案運行，與 PLM、ERP、MES、LIMS、EHS 數據庫進行集成，實現整個生產過程協同、環保運行。

1、訊號、數據采控的設備物聯網層

基于優化的產品設計和工藝流程，按照五大智能單元搭建底層的設備物聯網平臺，上料系統、熔煉設備、機器人、造型機、電子標簽、條碼采集裝備、自動物料傳送系統等通過串口和以太網接口兩種方式聯網，為五大智能單元系統的數據采集提供數據支撐。項目實施從設備聯網、現場監控軟件、后臺數據服務平臺三個模塊進行設計與實現。

設備聯網目的是生產線移動采集，采集實際節拍、線速或滑橇到位，用于同步或自控。產品數據采集，包括加工參數、測量數據和環境參數等，用于質量管理。設備維護監測，故障碼或監測值，用于設備遠程監視、設備周期性和預防性維護等。設備使用監測，用于設備 OEE(Overall Equipment Effectiveness)改善分析等。人工操作反饋，用于監督人工作業到位。自動控制，車型參數下發(加工參數/檔位設定)、NC 下發、遠程控制等。

2、閉環控制層

該鑄造車間生產過程是以流水線為主的制造模式，既有專線也有混和線和離散制造，所涉及的流程和設備復雜，本項目通過將鑄造生產流程分為配料工藝過程智能單元、熔煉工藝過程智能單元、澆鑄工藝智能單元、清理智能單元、檢測智能單元等 5 大單元閉環控制系統，使各智能單元的控制實現局部智能制造。

各智能單元利用 OPC 接口，通過現場總線、以太網通訊與 PLC 或控制器進行通訊，向上與ERP、MES、PLM、SCM等系統集成，引入生產計劃、維保計劃、質量標準、工藝數據庫等信息，并向 MES 系統反饋設備、生產等信息，向下與底層設備及功能部件集成，依據標準工藝與參數執行現場作業，同時采集的數據，與工藝優化數據庫的設定值實時對比，優化決策后閉環調整控制。

3、車間管控層

車間層是以 MES 系統為主，對本車間所有資源的集成管理。MES 系統主要有制造數據管理系統、計劃排程管理系統、生產調度管理系統、庫存管理系統、質量管理系統、人力資源管理系統、設備管理系統、工具工裝管理系統、采購管理系統、成本管理系統、項目看板管理系統、生產過程控制系統等模塊，向上通過以太網與 ERP、PLM 等系統集成，向下通過接口與各智能單元集成，形成一個可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。

4、企業運營決策層

企業層由企業的生產計劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財務管理等信息化系統構成，實現企業生產的數字化集成管理，主要包括企業資源計劃（ERP）系統、供應鏈管理（SCM）系統和客戶關系管理（CRM）系統等，各系統與 MES 和全流程虛擬制造系統集成，將企業各種信息通過分類、匯總后形成中間數據庫，然后按照不同管理主體的要求，進行對應 KPI 信息展示，指導、輔助企業管理人員做出客觀決策。

5、協同層

協同層實現協同設計、協同制造、供應鏈協同等內容，協同還包括半成品運輸，訂單分配，調度，運輸資源，運輸計劃，運輸跟蹤，品質管理，費用管理，KPI(Key Performance Indicator)，3PL(3rd PartyLogistics)管理，倉儲管理等功能，與供應商通過互聯網共享信息實現智能生產、精準物流和智能服務等。

五層架構方案

四、項目實施效果

項目通過對設備的升級改造，應用智能制造技術和裝備以及全面數字化管理，建設智能化車間。項目實現鑄造生產過程的節能、降耗、減排，以及清潔、安全生產，提高了鑄件產品的生產質量。實現了生產、質量、設備、成本的集成管控；全面推動公司的技術提升和產品升級，加速產品結構優化，實現隆基機械的綠色、可持續發展，進一步夯實隆基機械在國內高端商用車 OEM 配套市場的領先地位。

1、采用自動加料和合金配料系統，產品不良率降低了約 30%

該項目熔煉采用先進的應達中頻電爐，同時配備自動加料裝置、合金配料系統等智能設備，對接廠區智能化系統控制軟件。原料鐵加料、合金配料實現智能化升級，鐵水實現實時監測分析，根據光譜化驗的實際成分，自動計算原料、合金的加入量，并由系統進行自動配料，保證了鐵水合金成分的穩定目標值，確保了產品質量，產品不良率降低了約 30%。

2、采用無芯自動氣壓保溫澆注爐，實現自動化連續澆注，生產效率提升了約 30%

該項目澆注采用無芯自動氣壓保溫澆注爐，本澆注爐配備的多個電壓分接頭、塞桿控制澆注、光學澆注系統等裝置，對于各種工況(慢速控制、標準控制、慢速超高加熱、快速超高加熱)鐵水溫度、末端澆注最大化鐵水節約以及采用焦距對準注入鐵水，實現自動化連續澆注，可提升生產效率約 30%。

3、采用機器人自動取芯，使取芯和制芯鋼性聯接，減少用人，提高制芯系統生產效率 15%

該項目采用三工位冷芯盒制芯單元，該設備剛性強，高效可靠，生產率≥100 型/ h。射砂時應用上部射頭下壓射芯，徹底杜絕了因采用油缸舉升工作臺，而產生工作臺搖擺等嚴重不良后果，先進的功能和強大的低壓射砂系統?？蓪崿F在不增壓的狀況下完成射砂，并確保砂芯的精度。機外下頂芯取芯，頂芯平穩，取芯方便，采用機器人自動取芯，使取芯和制芯剛性聯接，減少用人，提高制芯系統的生產效率 15%。

4、實現低排放、物料回收循環使用的綠色鑄造生產模式

粉塵、噪聲、能源、物料消耗偏高是鑄造行業較突出問題。該項目落砂、清理、打磨工段采用進口振動落砂設備，該設備采用振動電機驅動激振框進行振動落砂、振幅小效率高噪音小，同時通過系統對設備進行控制，以機器人為橋梁，通過程序控制有條不紊地完成各個工藝流程，實現落砂、清理、拋丸、檢測全流程自動化。同時，配備機械手分揀工件，配備兩條制動鼓、制動盤外圓全智能打磨設備，整個過程 90%實現輕體力勞動，同時降低了粉塵等污染物排放量。

爐料、廢料智能回收系統、智能高效除塵系統等先進技術的使用，使單位產值能耗降低 12%，固體廢棄物利用率達到 98%，顆粒物排放濃度低于 10mm/Nm3,大大降低了能源消耗的廢棄物排放對環境的影響，成為鑄造行業綠色工廠。

5、打造綠色鑄造新模式，助力工廠智能化發展

智能化鑄造車間總投資 1.5 億元，形成年產高端制動盤鼓 150 萬件的生產能力。以“綠色智能化鑄造”為標準，采用目前行業領先的數字化、智能化設備進行部署，主要圍繞鑄造五大工部展開，對車間所有的計劃執行、設備運行狀態、上料數據采集、產能數據分析、生產過程預警、排放數據采集等進行實時地跟蹤與記錄，并通過遠程信息展示屏、內部網絡、手機 APP 等實現實時監控，實現全天候無距離現場管理。

項目建成后，在質量、效率、排放等指標有效提升的前提下，將進一步提升公司的行業地位和影響力，對助力公司全面智能化發展具有重大意義。同時可為行業鑄造企業的轉型升級提供借鑒，促進行業向智能制造模式轉型升級。

從以上方案實施中可以看出，山東隆基機械的智能化鑄造車間通過物聯網層、控制層、車間層、企業層、協同層五層架構方案，與 PLM、ERP、MES、LIMS、EHS 數據庫進行集成，實現整個生產過程協同、環保運行。

鑄造執行系統（KOCEL  MES）

KOCEL MES針對鑄造行業生產特點，提供基礎數據管理、訂單管理、計劃排程管理、生產執行管理、工裝模具管理、質量管理、庫存管理、設備管理、統計分析、報表管理等功能模塊。

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