基于全寿命周期成本理论的炭块质量追溯标识系统研发设计

文/王 冉 韩 栋 王兴涛

引言

“中国制造2025”规划指出，要实施覆盖产品全生命周期的质量管理、质量自我声明和质量追溯制度，保障能源产品质量安全。煤炭作为能源资源之一，建立健全质量追溯体系，实现炭块产品全生命周期质量可追溯是行业产业升级的必然要求[1]。

阳极炭块生产工艺流程较长，期间工艺参数调节和质量控制点较多。传统采用粗放式生产质量管理，给产品质量管理带来很大难度，对炭块质量进行精细化管理是当前炭素生产工厂比较迫切的问题。亟需一套系统能实现碳块的打印及定位跟踪，实现全寿命周期管理。

1、产品质量追溯概述及研究现状

国际标准化组织将可追溯性（Traceability）定义为“追溯客体的历史、应用情况或所处位置的能力，根据产品的特点采用合适的标识方式，以达到对产品标记，从而追溯产品的设计生产过程、使用情况和所处空间的能力”。在质量管理中通常采用对需要追溯的产品进行有效标识，方便追查其设计、加工、存储和销售等情况。当产品出现质量问题时，为查找质量原因提供数据。质量追溯（QualityTracking）是以质量管理为目的的产品追溯，是质量追踪和质量溯源两个概念的综合[2]，其中追踪是指从供应链上游向下游进行的质量跟踪，一旦上游发现质量问题，能够快速定位质量问题的影响范围；溯源是指从供应链下游向上游进行质量溯源，一旦下游发现质量问题，能够快速寻找质量问题的根源。

2、基于LCC 理论的炭块质量追溯概述

炭块全生命周期管理与质量追溯系统基于铝用焙烧阳极炭块从原材料、煅烧、混捏、成型、生块入库、编组、焙烧、解组、熟块入库、熟块出库阳极炭块全生命周期管理，以及扩展延伸至阳极组装、阳极导杆、电解换极、电解过程管理、残极下线等炭块及阳极导杆电解过程管理。

炭块振动成型出水后，系统对炭块进行打标，对每一块生块按照编码规则生成唯一性ID 标识，在炭块全生命周期内，本ID 标识具有唯一性，在全生命周期内可以对此唯一ID 信息进行相关生产、质量、过程等信息的查询功能[3]。系统产生的ID 标识可以在后期扩展，与其他智能系统、计质量管理系统、生产管理系统，进行对接。

3、炭块质量追溯影响因素信息分析

炭块的形成过程可分成两个阶段：设计阶段和制造阶段。目前我国的大部分炭块制造企业还处于供应链的上游。统计数据表明有超过一半的质量问题是由产品制造过程造成的。因此炭块制造企业制造阶段的质量追溯就是对从原材料采购到产品交付的整个过程的追溯。质量追溯对象可以将划分为3 大块：采购件质量信息，产品工艺信息，加工制造过程信息。

3.1 碳块采购质量信息

采购件质量信息采购件包括原材料、标准件等。采购件的质量对产品最终的质量有着决定性的影响，一旦采购件出现质量问题将导致最终成品出现更大的质量问题。因此，企业应对采购件质量严格把关。采购件质量信息的追溯对象主要是指对采购件的来源、质量情况等信息。

3.2 碳块工艺信息

碳块工艺信息是指产品工艺设计过程中产生的信息。工艺设计是产品设计与产品制造的纽带。工艺设计过程包含了产品制造所必须的物料、工艺路线、工序参数等信息的确定。工艺文件是工人生产的最重要的质量文件，是按照图纸上的要求把原材料加工成满足客户需求的产品的保障。好的工艺文件可以将制造成本降到很低，仍然可以生产出满足客户要求的合格产品。然而一旦工艺设计出现问题，将造成成批的产品出现质量问题，给企业造成巨大的损失。

3.3 碳块制造过程信息

在产品制造过程中影响产品质量的因素有很多，具体来说主要有:人、机、料、法、环、测,简称为“5M1E”[4]。企业只有在生产加工过程中如实地记录下这些信息，当产品发生质量问题时，才能如实还原出问题产品加工时的实际车间生产情况，分析产品实际加工情况，找出问题原因，实现产品质量追溯。因此产品制造过程信息是质量追溯信息的重要组成部分。产品加工过程中会有大量的质量信息产生，这些信息将会被记录在不同的质量文件上。如采购件的质量信息就记录在来料检验记录表、来料检验报告、外协申请入库单等记录上，企业通过对这些记录的查询可以追溯到采购件的供应商（外协加工商）信息、采购件质检信息、采购件属性信息等；产品工艺信息主要记录在工艺过程卡等文件上，企业通过对这些文件的查询可以追溯到产品的每步工序的具体内容、工艺的制定人和审核人等信息。产品的制造过程信息主要记录在施工记录卡和首检、自检、巡检、终检记录上，企业通过对这些记录的查询可以追溯到产品加工过程中的具体工人、车间、加工设备和夹具量具等信息[5]。及时完整地填写质量文件是实现产品质量追溯的第一步，要实现产品质量追溯还需要利用批号将全部质量信息串联起来，形成完整的质量信息链条，企业获得质量信息链条的任意一点批次信息，就可以通过向后溯源找到该批次产品制造阶段所有的质量信息，还原出该批次产品的实际加工过程，找出引发质量问题的零部件或原材料批次。然后按照批次清单向前追踪使用了问题原材料或零部件的产品批次，划定质量问题范围，提前采取措施解决质量问题。因此，为了保证质量数据的精确性，企业需要合理设计质量文件，利用批次信息将质量文件上的质量信息串联起来，组成完整的信息链条。质检工人需要按照要求及时、有效地填写全部质量文件。

4、炭块质量追溯系统设计

4.1 系统实现目标

考虑到质量管理信息系统的建设既要对原有的质量管理流程进行信息化，也要对存在的问题质量管理流程进行优化，针对碳块制造企业在质量管理中存在的问题和对质量管理信息系统的设计要求，质量管理信息系统需实现如下目标：

1）质量管理过程制度化、规范化。识别质量管理工作过程与各个过程之间的关系与相互作用，优化问题过程，做到管理过程的制度化和规范化。

2）实现质量信息在部门之间共享。

3）减轻质量工人工作量。质量工作人员通过质量管理信息系统对质量数据进行高效、实时的采集，然后利用系统对质量数据进行统计分析，减轻质量工作人员的统计和整理工作。

4）为企业决策者提供决策依据。分析质量数据，为企业质量改进和质量预防工作指明方向，查找质量问题产生原因，实现产品质量追溯。

4.2 炭块质量追溯系统结构

系统核心是设计一套系统，能实现炭块的激光打码和炭块定位。炭块自动定位系统

用于在打标环节的产品精准定位，提高作业精度。炭块自动标示系统即从生块成型后即进行唯一性编码。电气控制系统及采用PLC 集中控制，实现炭块的激光打印。系统对应硬件打印设计模型如图1 所示，三个部分分别为激光打码模块、炭块定位模块及电气控制模块。

图1 炭块质量追溯系设计模块

4.3 炭块质量追溯系统界面设计

该系统通过控制模块实现打码速度、打码深度，字体线条宽、炭块对焦、伺服模组运动方向、激光测距等调控，并考虑特殊使用环境，例如冬季现场出现水雾时，可辅助激光测距实现自动对焦等功能。本系统采用数字双胞胎技术，实现虚拟生产与实际生产的完美展现，使数据流完全反映实际生产状况。虚拟生产与实际生产数据相互啮合。根据生产数据，配合其它相关生产管理系统，可实现精益化生产，并可根据虚拟生产数据指导生产过程工艺参数持续优化。下图是本设计系统对应的软件应用界面，详见图2。

图2 炭块激光蚀刻操作界面设计

4.4 系统质量管理与生产过程数据交互

本设计采用激光蚀刻技术对炭块进行ID 号码标识，表面光洁漂亮，标识规整统一。通过本系统，可以对产品质量进行全生命周期及全流程的管理，可以管理到每一块炭块的生产工号、生产日期、生产工艺参数、生产责任人、生产设备号等，从而可以更加优化生产要素，使产品质量进一步提高。通过本系统，可以对产品的原材料进行追溯，严把质量源头，使产品质量得到保障。通过本系统后期使用效果的反馈，可以对本系统的整个生产流程进行追溯，找出问题根源，包括对物料、工艺参数、设备、人员等生产要素的分析与考核，配合管理流程，达到精益化生产和持续改进的目的。

5、炭块质量追溯系统的实现

5.1 系统参数设计指标

考虑应用环境多处于复杂环境，系统工作环境温度设计范围：-30～70 摄氏度。系统工作电压为220V，打标线速不大于8000m/s，雕刻深度：1.2mm

5.2 电气控制系统的实现

电气控制系统采用西门子S7 系列PLC 对整个系统的检测、测量、控制、IO、通讯等进行管理，系统设计预留扩展接口3-4 个，可与其他生产管理系统对接；

电气元器件均需采用国标产品。防护级别为IP56，国标2mm 厚度，双层柜门设计。多套系统可在多个炭素生产车间使用，电气系统防护等级及安全可靠性得到验证。

5.3 定位系统设计的实现

采用机械定位方式，对生产线上的炭块进行定位。炭块到位后，通过机械结构顶升，对炭块进行定位。软定位通过控制打标机构振镜运动使加工对象与加工内容（图形或文字）保持和相对静止状态下所能达到的加工效果。人眼看到的效果就是产线上连续移动的产品被固定不动的雕刻机构打上标识，形成不等待打标。

流水线连续模式：在飞行标刻中一般我们使用光电开关作为传感器检测打标对象，有时会出现光电开关一直处于检测到物体的状态（打标机标刻完全部内容后，物体还没有移出光电开关监测点），即光电开关一直返回一个高电平信号，这时就需要我们通过程序控制激光器的出光条件。未在程序中设置此项时，软件接收到持续的高电平信号时控制激光器只出光标刻一次，即只标刻打标对象一次，需要在中间间隔一个低电平信号才会第二次出光。当在程序中设置此项时，对于持续的高电平信号，激光器会反复标刻打标对象，直到高电平信号消失。

图3 炭块定位系统设计

5.4 追溯系统软件模块的设计实现

本系统编码形式采用ID 编码形式。

雕刻设备的组成：控制系统、计算机控制系统、光学系统等

控制器：

控制系统控制整台设备的运行，包括对光学系统部件、冷却系统的供电及控制，报警系统的控制及指示。

计算机控制系统：计算机控制系统包括计算机、D/A转换接口电路和打标控制软件。D/A 转换接口电路将计算机发出的数字信号转换为模拟信号，驱动光学系统部件按照打标控制软件所设定的参数动作，发出脉冲激光，从而将所要标记的内容精确地刻蚀在加工对象表面。打标控制软件以 WINDOWS 系统为操作平台，全中文接口，可兼容AUTOCAD、CORELDRAW、PHOTOSHOP、CAXA 等多种软件输出的文件，可进行条形码、二维码、图形文字等打标，支持 PLT、PCX、DXF、BMP 等檔格式，直接使用 SHX、TTF 字库，能够自动编码，打印序列号、批号、日期等。软件界面模块设计如下：

（1）文档菜单：对该打印文档进行了新建、打开、另存为、保存等设计；

（2）编辑菜单：进行了复制、多重复制、重做、群组/分离群组、组合/分离组合、阵列、填充、对齐、分布/排序等设计；

（3）设置菜单：对激光校正、振镜、红光预览、激光测试、激光参数、光纤激光器、YAG 激光器、IO 配置、告警配置、默认协议、权限等设计；

（4）对象列表：对资源管理、工具栏、时间、日期、文本、序列号、条形码/二维码、直线.、矩形、椭圆、矢量图、组合文本、静态文本、日期、扫描枪、序列号、数据库、换行符、挂接文本、随机码、图片、延时器、数据库、VIN 码、删除、撤销、登录等设计；

6、碳块追溯系统应用案列

本系统自动化程度高，全程不增加人工操作工位。在河南S 厂进行了现场可行性应用。炭块全生命周期管理与质量追溯系统设计采用全程无人化设计，即整个流程无需增加人力岗位，也无需增加相关人员工作劳动量，全程采用自动控制。通过实验，验证了本系统的可行性，能满足行业针对碳块管理需要。

图4 炭块激光蚀刻应用效果图

7、结束语

目前国内碳素厂普遍采用机械打码或人工更换码头进行标识，安全隐患大、信息记录不全及故障率高等特点，采用激光自动打码技术可彻底解决以上难点，同时为企业实施MES（生产执行系统）提供了工具，企业能实现车间生产计划和调度、生产任务查询、生产过程监控、智能数据采集、质量检测与控制、物料跟踪、原辅料消耗控制、车间考核和管理、统计分析、人力资源和设备管理等功能，彻底帮助企业改善生产现场管理的暗箱操作，提升企业质量管控水平，创造经济效益。