磁性材料企业数字化转型及磁性材料智能制造探索

胡乃民

(中国中钢集团有限公司，北京 100080)

中国已经成为世界最大的磁性材料生产基地和销售市场，既有良好的发展前景，又面临着巨大的挑战。我国磁性材料企业特别是铁氧体制造业企业多、小、散，集约化程度不高，生产管理粗放，难以满足高性能产品对制造过程的精确控制需求。较为粗放的管理模式以及较低的生产制造自动化程度，造成产品一致性差、成品率和产品稳定性低、资源能源消耗大、生产成本高。同时，供应链不稳定，上下游议价能力越来越强，潜在竞争者越来越多，行业内竞争加剧[1]。

磁性材料企业要实现转型升级和高质量发展，离不开场景化智能制造技术的应用。以数据为核心、以融合为抓手、以流程为驱动，推动制造执行系统(以下简称MES系统)和数据采集与监视控制系统(以下简称SCADA系统)的集成应用，实现生产过程实时监测、质量管理、可视化看板、异常预警、制造过程大数据分析等场景化智能制造应用，打造“智能工厂”是磁性材料企业实现转型升级的必经之路[2]。本文从企业实际需求出发，就磁性材料企业智能制造需要重点解决的几方面问题开展研究探讨。

1 智能制造成熟度评估

现行国家标准《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116—2020)将智能制造成熟度分为五等级，国家标准《智能制造能力成熟度评估办法》(GB/T 39117—2020)进一步明确了成熟度五等级的定量判定办法和各等级成熟度对应的评分区间(表1)。

表1 智能制造能力成熟度等级划分以及对应评分区间

围绕人员、技术、资源和制造4个能力要素，对中钢天源磁性材料厂开展智能制造成熟度评估，得分2.66(详见表2)，处于第二级规范应用阶段。其核心装备自动化、信息化程度达到较高水平，核心业务活动相对规范，基本实现单一业务活动的数据共享，具备开展装备、系统等集成应用，实现跨业务活动间的数据共享的基础条件。

表2 磁性材料厂智能制造成熟度评估

2 智能制造的核心及重点解决问题

中钢天源通过强化数智化顶层设计引领数字化转型，从工业化与信息化相融合的传统制造企业向以人工智能为特征的智慧产业升级[3]。充分发挥企业当前信息化智能化建设“5个成就”：①磁性材料厂MES制造执行系统，实现生产过程实时监测、质量管理、可视化看板、异常预警、报表统计、制造过程大数据分析等场景智能化制造应用；②推进企业内部工业互联网建设，以物联网技术+自动化数据采集，通过系统实现控制点集成在中控室显示和控制；③3D展示公司产品并线上交易，实现下单到售后闭环管理的线上销售平台；④公司园区安全环保信息系统；⑤LIMS质检中心实验室信息管理系统，涵盖业务流程、财务、样品、人员、设备、客户、采集设备管理及电子记录、各类数据统计，实现检测业务全流程的线上管理，建立业务数据和财务数据的强关联并与ERP系统对接。

磁性材料厂作为中钢天源信息化发展与建设试点单位之一，以构建新型制造体系为目标，以实施智能制造工程为重要抓手，持续优化生产工艺流程，着力提升关键技术装备自动化水平，对生产主要功能数据进行实时采集和监控，建立全面的数据分析模型，将生产状态、设备状态、班组能耗数据、设备运行状态、检测数据等实时收集，形成各类报表，实现了生产、设备、人员、品质的全方位管控和可视化管理[4]。通过破碎制浆→复合催化氧化→均化→洗涤→干燥→混匀→包装等典型生产工艺流程，将电解金属锰制成物理指标客户定制化(复合催化氧化)、高纯(洗涤)、均一性好(均化、混匀)的四氧化三锰产品。对磁性材料企业智能制造系统设计要解决的几个主要问题总结如下。

1)智能制造系统架构及业务场景设计[5]。磁性材料厂以数字化、智能化、由下而上打造的信息一体化智能车间管理平台，采用B/S和C/S相结合的三层系统架构，包括设备数据采集(SCADA)、现场管理执行层(MES)，以及企业资源调度管理层(ERP)，通过企业服务总线(ESB)实现各层之间数据的互联互通[4]，磁性材料厂工厂系统整体架构见图1。

图1 磁性材料厂工厂系统整体架构

磁性材料厂智能制造系统建设按照总体规划分步实施的原则，明确数字化是实现智能制造的第一步，进而分步开展设计工艺系统集成、作业计划导入和排产、生产过程控制、智能物流配送集成、数字化看板与分析数字化质量检验、全程质量追溯与分析、设备状态监控与数据采集。磁性材料厂智能制造业务场景见图2。

图2 磁性材料厂智能制造业务场景

2)生产制造执行与工艺管控设计。通过MES系统将生产工艺各工序生产参数和工艺标准进行数字化、图形化管理。在生产执行过程中，技术、工艺人员可以随时根据实际需要修改工艺参数，系统会将修改信息推送到相关工序，通过MES系统工序报工界面，以红底色预警方式提醒现场人员该工艺已经发生了改变。同时，在生产作业标准化的基础上，通过研究和应用连续化和自动化工艺与设备，实现生产制造流程的自动化。在此基础上推进各生产工序远程自动化控制，如自动加水加药、投料、放料等工序已实现一键启动操作。MES系统中依据生产工艺图形化建模示例参见图3。

图3 磁性材料厂生产工艺图形化建模示例

3)产品质量优化设计。磁性材料厂产品生产过程中质量检验的数据通过MES质量模块快速实现质量检验记录电子化，减少纸质单据记录和检验人员大量数据统计工作。通过正向和反向追溯查询功能，能够实现对人、机、料、法、测等产品生产全过程、全要素的追溯管理，车间生产产品的质量状况可通过车间看板进行反馈，大幅提升质量管理效率和品控水平。磁性材料厂MES质量检验看板见图4。

图4 磁性材料厂MES质量检验看板

4)智慧能源管理设计。磁性材料厂能源管理系统规划设计主要考虑数据采集管理、实时数据显示、秒级数据存储、实时异常报警等内容，以实现能源实绩管理、能源分析与预测。智能生产线投产前由相关管理人员定期抄表，通过统计分析，形成报表，根据当月产量，算出单吨产品能耗；智能生产线投产后实时自动采集能耗设备数据，并对能耗数据进行统计分析，实时监管，以往的异常停机、设备空载得以改善，电能消耗节约取得明显效益。磁性材料厂能源管理规划设计见图5。

图5 磁性材料厂能源管理规划设计

3 实施效果与评价

磁性材料厂智能制造系统建设，突破了我国磁性材料传统的制造模式，采用先进的自动化、信息化、智能化的生产模式，不仅提升了磁性材料厂自身工艺、技术、装备和制造水平，也为磁性材料行业探索了未来制造技术的发展方向，具有一定的示范带动作用。智能生产线投产以来，劳动生产率、生产效率与产品质量、客户满意度和经济效益4个方面都取得了较大程度的提升[6]。

1)全员劳动生产率大幅提高。磁性材料厂在智能生产线投产前，现场操作人员80人，投产后减少至60人。随着生产现场自动化水平的不断提升，现场作业人员的工作强度大大降低，全员劳动生产率大幅提高。

2)生产效率与产品质量双提升。磁性材料厂在智能生产线投产后生产效率提升了37.5%，产品合格率由96%提升至100%，达到了效率、质量双提升。生产过程制造能力指数由1.28提升至1.49，品质管控水平提升显著。

3)客户满意度不断提高。智能制造系统实施后，客户投诉减少了80%，满意度提升了9.43%、达99.85%，更重要的是增强了客户信任度，减少了人为干预而引起的产品质量的不稳定性。

4)经济效益显著提升。销售收入增涨了60%，毛利率提升了3%。

智能制造系统的建设，实现了生产过程的高度自动化，自动生产排程、生产参数固化、主动防错机制，使小批量、个性化的柔性制造效率大幅提升，批量生产加工过程更加稳定。生产过程数据自动采集和全程可追溯，辅以强大的数据分析功能，实现价值链横纵向一体化，减少浪费，降低成本，全面提升产品质量和客户满意度。

4 结 语

磁性材料研发、制造具有典型的离散制造特征，通过企业数字化转型升级，不断提升磁性材料产品批产的稳定性、可靠性，提高生产效率，降低制造成本，缩短研发周期，满足用户需求。更重要的是通过智能制造体系管控和数据积累，提升磁性材料研制企业的自主正向研发能力，加速新材料的研发和迭代升级，支撑磁性材料企业的可持续发展。相信未来智能制造在磁性材料生产中的应用，必将给行业发展带来巨大的推动力。