精冲行业中小企业自动化与信息化

文/陈涛·武汉纺织大学机械工程与自动化学院

胡继文·武汉思凯精冲模具有限责任公司

精冲行业中小企业自动化与信息化

文/陈涛·武汉纺织大学机械工程与自动化学院

胡继文·武汉思凯精冲模具有限责任公司

随着精冲工艺技术的日渐成熟和普及应用，精冲件在航空航天、汽车、钟表、家电等行业得到了越来越广泛的应用。这种形势一方面提高了终端产品的性能和质量、降低了生产成本，另一方面也给精冲技术和精冲行业的发展提出了更高的要求。

中国精冲企业分布十分广泛，除了少数专业精冲企业外，精冲行业大部分都属于中小企业，这些中小精冲企业生产的精冲件约4000余种，直接从事精冲生产的人数已超过2万人，其市场占有份额逐年上升，无论从生产规模还是技术发展上来看，中小精冲企业已经成为中国精冲行业的重要组成部分。

随着中国新一轮社会、经济转型和产业结构调整的进一步深入，中小精冲企业由于资金、市场和技术等诸多因素的限制导致其面临诸多困境和难题：人力成本增长、生产效率低下、企业间恶性竞争导致的利润严重下滑等生存问题；生产管理与企业运营管理之间信息沟通不畅导致的管理与生产脱节问题；技术力量相对薄弱、人才流失严重等问题。在新的社会大环境下如何解决中小型精冲企业面临的困境和难题，实现中小型精冲企业的“二次发展”是一个亟待解决的问题。

中小型精冲企业发展的客观需求

实现精冲的基本条件之一是精冲机，而进口精冲机一方面价格昂贵，中小型精冲企业无力投资，另一方面精冲机专业性强，不适应多品种、小批量生产。因此，我国中小型精冲企业采用的精冲设备相当一部分是国内企业生产的经济型精冲机和结合液压模架的普通四柱液压冲床。在这种生产条件下和社会环境下，中小型企业开始逐渐显现出诸多发展的瓶颈问题：

⑴自动化程度低、生产效率低，经济效益逐渐下滑。大部分中小型精冲企业，在国产经济型精冲机或液压模架上只能对薄板实现卷料自动送料控制，通过控制设备和检测装置实现从开卷、校平、工艺润滑、上料、精冲、工件与废料分离、废料剪切和清除全工艺过程的自动化。但经调研发现，国产经济型精冲机虽然在机械结构方面不存在重大缺陷，但是在模具保护、设备安全保护、精冲工艺参数优化、冲裁频次等方面与进口精冲设备还存在较大差距，自动化程度相对低下。

对于厚板精冲，大部分中小型精冲企业采用条料人工送料方式进行生产，劳动强度高、生产效率低下。虽然有部分企业采用了条料自动上料装置，通过条料始端和末端检测信号控制按精冲步距进行自动送料，但是整个精冲工艺过程中缺乏必要的模具保护，无法辨识叠料、粘件、凸模断裂等常见异常现象，因此很难实现精冲工艺过程的全自动控制，导致生产效率比用卷料要低许多。一方面，随着人力成本的日益增加，以劳动密集型为主的中小型精冲企业的人工成本越来越高；另一方面，原材料价格也在逐年上涨，企业生产成本也日益增加；与此同时，企业为了获取订单而主动降价形成了企业间的恶性竞争。所有这些因素都直接导致中小型精冲企业的利润严重下滑，企业的生存问题日益凸现。所以，中小型精冲企业只有在严把产品质量关的前提下，尽可能提高生产自动化程度和生产效率，才能在同行竞争中把握先机。

⑵企业生产运营管理不畅。现代企业生产运营管理应该涉及到市场订单、原材料组织、生产计划、生产备件管理、质量管理、设备维护、成品仓库管理、供货物流管理、人力资源管理、财务管理等多个层面的内容，其中前七个环节与企业生产直接相关。一般情况下中小型精冲企业的管理层相对薄弱，企业的大部分重点放在生产组织等直接现场环节上，而且企业信息化管理不足，很少或基本没有现代企业运营的ERP系统。同时，管理层人员配备不齐，一人身兼多职、多人共管一事的现象极其普遍，这样就使得企业运营管理跟不上市场的步伐，严重制约着中小型企业的发展。针对目前中小型精冲企业生产管理和产品供求脱节、模具故障事后维修、企业信息人工传递等问题，应该建立一种以精冲成品仓库管理为核心的企业管理信息系统，达到按订单组织生产，实现产品“零库存”或少量库存，按精冲件订单数量组织模具制造和模具维修，按订单数量组织原材料采购等一体化信息管理，从而在最大程度上为企业节约生产成本和运营成本。

⑶技术力量薄弱、人才流失严重。自主知识产权是企业的立足之本，人才是企业生存之根。现代企业的发展和壮大必须依赖于强大的技术研发和技术创新。中小型企业普遍存在着技术力量薄弱、技术研发投入较少的现象。这种现象一方面与企业决策者的发展眼光相关，另一方面也受到企业资金和人力资源的限制。在当今开放式社会环境下，企业人才的流动非常普遍，而中小型企业的人才储备十分有限，所以经常会出现某个关键技术岗位人才流失后存在技术不足甚至断档的现象，这些现象都严重地影响着企业的生产和发展。中小型精冲企业面临最大的问题是模具设计技术力量薄弱，有限的技术人员既要应付生产中出现的突发性问题，又要设计和开发新的模具。与此同时，我们注意到在高校、研究院所中存在着大量的“剩余”智力人才，如果能够构建一个模具设计研究领域专家与精冲生产企业紧密联系的虚拟设计平台，实现领域专家“智力”与生产企业“实践”紧密结合，达到共赢的目的，将能快速提高中小型企业的技术水平和生产能力，最终为我国在精冲领域整体技术水平的提高奠定基础。

中小型精冲企业综合自动化与信息化

精冲综合自动化实现

图1 单机精冲自动化系统结构图

为了实现提高生产效率、降低劳动强度、节约人力成本的目的，以劳动密集型为主的中小型精冲企业一直尝试着通过各种途径的自动化改造或技术革新来提高精冲工艺过程的自动化程度。但大部分自动化系统仅集中简单的生产过程自动化，对模具保护、设备安全、模具寿命统计与监测方面还存在一定的不足。我们认为精冲工艺过程自动化系统应该是保证产品质量和尽量延长模具寿命条件下的全生产过程自动化。一个单机精冲综合自动化系统的基本实现方案如图1所示。

如图1所示，单机精冲自动化系统由机械部分和电气控制两部分组成。

⑴自动精冲机械系统。自动精冲系统机械部分主要应该包括：原料储料装置(条料储料或卷料开卷)、精密自动送料装置、精冲设备(精冲机或带辅助液压装置的液压冲床)、废料回收装置。该机械装置在自动控制系统的协调下能实现精冲工艺过程。

⑵自动精冲控制系统。自动精冲控制系统的核心组成部分是一台带有现场总线通信模块的PLC或工控机及相关信号检测传感器，协调控制机械系统运动，完成自动送料、精密冲裁、模具保护等功能。1）料仓信号采集与控制。采用简单的位置开关量检测实现有料、无料信号，在控制程序的协调下实现原料状态监测与送料运动、自动涂油等控制。2）精确步距自动送料控制。在实现模具保护的前提下，在控制器控制下实现原料的精确步距送料和废料回收动作。3）模具保护与精冲控制。一方面控制系统实时采集精冲主压力、压边力和反顶力以及凸凹模与齿圈压板之间的间隙，通过控制器内部实时诊断程序自动辨识叠料、粘件、凸模断裂等常见异常现象，并自动停机报警，实现模具保护；另一方面，在控制器控制下实现精冲加工过程控制。4）液压系统信号采集与压力控制。对主液压系统和辅助液压系统的油压、油温信号实时采集，实现液压系统的压力和油温控制；同时根据设定的优化压力控制时序调节油压系统加载压力的大小和时序，进一步实时优化三向压力参数，以提高模具使用寿命和精冲件断面质量。5）生产参数统计。通过计数器自动实时统计产量，为企业信息系统和模具寿命评估及模具维修提供统计数据支持。6）模具寿命评估与修模提示。据大量统计数据研究表明，模具剩余寿命能通过精冲工艺过程中液压系统三向压力特征值(如最大动态压力)的变化表征出来，通过产量统计和液压系统三向压力特征值之间的对应关系可以粗略估计模具剩余寿命，并提前报警，提示预测的修模时间，避免因修模不及时而损坏模具。7）通信接口。控制系统提供两个通信接口：一个是控制器与机旁操作人机交互触摸屏之间的通信接口，实现精冲机旁控制、查询和操作；另一个是控制器与车间集控工作站之间的现场总线通信接口，便于集控工作站获取单台精冲系统的实时生产信息并实施远程监控，同时为企业信息系统提供实时生产数据。

实现精冲综合自动化，能有效降低直接人工成本，降低工人工伤发生的频率，进而有效提高企业利润和企业竞争力。在单机精冲自动化系统改造的前提下可进一步通过集中控制实现精冲生产车间的综合集成自动化，实现少人值班，促进企业从劳动密集生产型向产研结合型转化。

中小型精冲企业信息化实现方案

由于管理制度不规范、生产管理与产品供求脱节、各种自动化系统或办公系统之间缺乏信息共享等因素，导致生产管理成为中小型精冲企业管理的薄弱环节。中小型精冲企业最大的优势就是管理环节短、市场反应迅速，但同时由于生产管理薄弱又使得生产辅助管理带有一定的盲目性。虽然市面上有许多面向企业管理的ERP系统，但没有一款是针对中小型精冲企业的需求开发的。

针对目前中小型精冲企业生产管理和产品供求脱节、自动化系统与管理系统相互独立、企业信息人工传递等问题，我们提出了以订单管理和精冲成品仓库管理为核心的企业管理集成信息系统实现方案，达到按订单组织生产，实现产品“零库存”或少量库存，按精冲件数量组织模具制造和模具维修，按订单数量组织原材料采购等一体化信息管理的目的，从而在最大程度上为企业节约生产成本和运营成本。一个完整的精冲企业集成信息系统的网络拓扑方案如图2所示。信息化技术的实施将整体提升公司的管理水平、优化企业运营机制。

精冲企业集成信息系统采用三层网络架构，能实现以成品精冲件订单管理和仓库管理为中心从订单到精冲产品的全流程信息化管理。

⑴精冲生产现场总线层。现场总线层现地网络架构实现了信息管理系统与生产自动化系统的集成。一方面信息管理系统通过总线获取实时生产数据和统计数据，为其他管理提供数据支持；另一方面，生产自动化系统通过现场总线获取信息管理层的决策数据。1）精冲自动控制系统现场总线控制层主要以多台带有现场总线通信模块的PLC或工控机为控制核心，实现从上料到精冲件产出的精冲生产过程自动化，每台控制器控制一套精冲设备。同时，控制系统可获取冲压产品计数生产数据、液压系统实时压力数据等，通过总线模块上传至精冲集控工作站。2）精冲集控工作站将生产计数数据进行分类统计，并结合历史统计数据和实时液压变化进行模具寿命状态评估。一方面将实时数据和状态评估发送至上层网络为生产决策提供数据支持；另一方面将诊断出的异常结论下发至现地，报警提示操作者同时远程控制停机，避免异常损失的人为扩大。

图2 精冲企业集成信息系统网络拓扑方案图

⑵模具加工及维修现场总线层。模具加工与维护现场总线层实现了从模具设计到提供合格模具的自动化加工设备、模具加工和维修管理两个层面的集成化信息管理。1）模具加工与维修管理工作站通过上层网络信息系统获取模具设计图纸，完成模具生产管理，包括数控加工编程、模具加工工艺编制、模具加工过程管理等。2）数控加工中心、线切割机床等自动化机加工设备通过现场总线获取数控加工程序，完成精冲模具的生产。

⑶订单管理和成品仓库管理层。订单管理工作站和成品仓库管理是整个集成信息系统的核心和纽带，它们决定了精冲生产的整个过程。订单管理是企业生产活动的发起段，而仓库管理是企业生产活动的最终端。1）订单管理工作站是企业市场部的入口，也是整个企业生产活动的发起段。根据精冲产品需求和客户要求交货周期下发初始生产任务，启动生产管理程序，同时监控仓库成品数量，完成产品发货。2）用户订单和仓库库存和出库数量共同决定了模具生产加工的周期和数量、修模的周期、原材料的库存量及采购周期等。

⑷数据库服务器。数据库服务器是整个企业生产经营活动的数据中心，它储存了企业所有运行数据，包括生产数据、订单数据、财务数据、客户数据等重要数据资料，是企业信息系统的核心数据仓库。为了保证数据安全，数据库服务器一方面采用了RAID 5热备份技术，防止突发性硬盘损坏导致数据资料丢失，另一方面采用光盘塔定期自动备份数据，进一步保证数据安全。

⑸文件服务器。文件服务器包含了文件存储管理服务和应用程序管理服务两个方面的功能。它一方面管理着整个企业的图纸、文档等核心技术资料，采用二级用户权限管理保障企业知识产权不被恶意拷贝和传播；另一方面，它提供了所有工作站进行内部网络访问和数据处理的交互式应用程序。同样为了保证资料数据安全，服务器硬件采用了RAID 5热备份和光盘塔定期备份的双冗余保护机制。

精冲行业的“云设计”与“云生产”模式

在互联网飞速发展和物联网技术逐步成熟的时代背景下，中小精冲企业只有充分依赖精冲领域专家的技术优势、依托精冲产业圈的整体生产能力、实现精冲行业联盟，构建精冲“云设计”与“云生产”虚拟技术平台，突出资源共享，谋求共同发展，才能使得广大中小型精冲企业在残酷的市场竞争中立于不败之地。

基于领域专家的精冲“云设计”虚拟技术平台

中小型企业存在着技术力量薄弱的天然缺陷，其中模具研发和模具设计人才缺乏是中小型企业面临的最大难题。在不投入大量资金进行模具研发和模具设计人才储备的前提下，我们可以借鉴大型跨国公司的“世界工厂”理念，充分吸收社会上“剩余”智力人才，构建“世界设计”的模具“云设计”虚拟技术平台，在精冲领域专家的智力支持下，将模具设计和研发“剩余”智力人才与中小型精冲企业联系起来，这样一方面能快速提高中小型企业的技术水平和研发能力，另一方面也能充分发挥“剩余”智力人才的能力，为我国在精冲领域整体技术水平的提高奠定基础。基于精冲领域专家的“云设计”虚拟技术平台的构建方案如图3所示。

⑴“云设计”虚拟技术平台运行流程。基于精冲领域专家的“云设计”虚拟技术平台运行流程如下：1）精冲企业发布招标信息，向平台管理方缴纳保证金；2）精冲模具设计方在平台注册，提交资格审查申请；3）领域专家在线进行设计方资格审查；4）设计方在线购买设计标书，上传设计图纸；5）精冲领域专家在线进行技术评标、开标；6）精冲企业在线支付设计费用，获取设计图纸；7）平台向设计方支付设计开发费用，并督促设计方提供后续技术支持。

⑵“云设计”管理平台。“云设计”虚拟设计平台依赖于广域网的建立，是精冲企业（技术需求方）、精冲技术设计开发方（技术提供方）和精冲领域专家（技术评判方）的中间纽带。管理信息平台是整个虚拟设计平台的关键，必须成立专门的运营管理公司进行平台的维护和业务流程的监督和管理。同时，精冲领域专家是整个“云设计”平台实现技术招投标的关键评判方，因此还需要精冲技术协会等组织的支持和推荐。“云设计”平台的构建能使中小型精冲企业实现技术方案的“优中选优”，广泛集中全体社会智力，从而实现精冲行业整体技术水平提升。

依托精冲产业链的精冲“云生产”虚拟技术平台

企业生产自动化系统与管理信息化系统的建立可以提高企业生产效率、规范企业管理行为，从而整体提升精冲企业的核心竞争力。但是中小型精冲企业面临着更为险恶的外部竞争环境：为了获取市场订单采取的同行价格竞争导致行业利润整体下降的恶性循环；不可控的原材料价格上涨和下游企业产品压价进一步压缩了利润空间；大型精冲企业的市场扩张以及外资同行企业的强势介入抢占了更多的市场份额。

采用精冲产品替代普冲产品和部分机加工产品是提升产品质量、降低加工成本的可靠途径，因此，可以预测未来的汽车、钟表、军工等产业的精冲市场会越来越大，而目前我国精冲企业的产能还远远不能满足市场的需求。但是精冲行业的准入技术门槛和员工素质要求相对较高。因此，如何进行整个精冲产业链的资源整合，整体提升我国精冲产业的产能和技术水平以应对国际竞争是一个亟待解决的问题。我们认为，在“云设计”虚拟技术平台的支持下，构建依托于整个精冲产业链的“云生产”模式，进一步地细分产业市场，才能在现有条件下提升我国精冲产品产能，从根本上优化精冲产业链，提高精冲行业的整体技术水平和生产能力。依托精冲产业链的“云生产”虚拟技术平台构建方案如图4所示。

图4 依托精冲产业链的“云生产”虚拟技术平台

“云生产”虚拟技术平台的核心是“云生产”服务平台，它是产品需求方、产品供应链和技术支持方的中间纽带和协调中心。“云生产”服务平台在“云设计”管理平台的技术支持下，根据产品需求方的具体需求组织模具的生产和研发、原材料的组织和供给、产品的云端生产和物流配送的优化等，从而以最优、最快和最经济的方式完成产品的生产和供给，从而实现精冲生产单元最小化、运营管理集中化、准入门槛低端化、行业利润最大化的目标。

“云设计”和“云生产”是一项战略性系统工程，它的发展将是一个渐进式长期过程，需要“政、产、学、研”紧密结合，共同努力。从实际国情出发，面向未来，采用需求牵引导向，技术融合升级，自主创新研发，应用示范开路的总体指导思想。我们认为在现有条件下“云设计”和“云生产”的实现分成三个主要的模式：1)企业内部的 “云设计”。依赖于广域网建立，整合企业内外部资源，将“层层上报”的垂直管理模式，变更为“平行管理”，即每一个节点既是任务的执行者，也是任务的发布者，使任务能在多个节点同时展开，提升效率与反应速度。2)企业间的 “云设计”与“云生产”。基于资产互换，实现企业联合，通过订单/管理/技术/资源的共享，盘活闲置设备，挖掘企业潜力，实现共赢。3)行业内部的“云设计”与“云生产”。基于利益互换，实现行业联盟，通过行业的政策指引开拓精冲产品的应用领域，形成新的增长点；分级协作避免恶性竞争，高低组合，应对国际竞争。

结束语

本文全面分析了中小型精冲企业在新形势下面临的主要问题和生存发展的瓶颈。针对目前中小型精冲企业生产中劳动强度高、人力成本日益增高的情形，提出以模具保护和精冲件质量为前提的生产工艺过程自动化改造方案，达到提高生产效率、降低劳动强度、节约人力成本的目的，实现企业从劳动密集生产型向产研结合转化；针对目前中小型精冲企业生产管理和产品供求脱节、模具故障事后维修、企业信息人工传递等问题，提出以订单管理和精冲成品仓库管理为核心的企业管理信息系统实现方案，达到按订单组织生产，实现产品“零库存”或少量库存，按精冲件数量组织模具制造和模具维修，按订单数量组织原材料采购等一体化信息管理的目的，从而在最大程度上为企业节约生产成本和运营成本；针对中小型精冲企业模具设计技术力量薄弱的现象，提出了依赖行业专家的“云设计”网络化虚拟设计管理平台的思想，期望构建一个模具设计领域专家与精冲生产企业紧密联系的虚拟设计平台，实现领域专家“智力”与生产企业“实践”紧密结合，达到快速提高中小型企业的技术水平和生产能力的目的。

实现生产企业自动化和信息化是企业发展的必由之路，通过自动化和信息化的实施，在技术层面和管理层面上给中小型精冲企业的发展提供了一种新的契机，最终为我国在精冲领域技术水平的提高奠定基础。