工业4.0变革中特种线缆制造模式探索

工业4.0变革中特种线缆制造模式探索

梅霞兵徐丰张永

宁波容众电气有限公司浙江省余姚市315400

摘要：线缆是传输信息及能量的重要媒介，线缆装配得好坏对机电产品的性能、质量、成本和开发周期具有极大的影响。如果线缆的布局不合理，将会对产品的电磁兼容性、散热性、可靠性及抗振性等性能造成不良影响，给产品安全带来极大的隐患，甚至会导致产品在性能方面存在各种缺陷，严重影响到产品的开发周期、研发成本以及质量，造成重大的经济损失。鉴于此，本文对工业4.0变革中特种线缆制造模式进行了分析探讨，仅供参考。

关键词：工业4.0；特种线缆；信息物理融合系统

一、线缆的建模

线缆的离散控制点建模。线缆的离散控制点建模方法，就是将柔性线缆表示成由一系列离散的截面中心点连接而成的三维空间连续折线段，并且将这些中心点作为线缆空间位置及空间姿态的控制点，同时通过操作这些控制点来实现线缆在虚拟环境下的布线。

基于弹性细杆力学模型的线缆建模。基于弹性细杆力学模型的线缆建模主要分为两部分：建立线缆物理特性模型和求解线缆物理特性模型。建立线缆物理特性模型包括建立坐标系，对线缆微分单元进行受力分析，构建弹性细杆静力学平衡方程。求解线缆物理特性模型是根据数值分析的相关理论对连续的线缆进行离散并对弹性细杆静力学平衡方程进行理论上的数值求解。

二、信息物理融合系统（CPS）

1、营销平台

营销平台作为一个前端系统，以互联网为基础，利用数字化的信息和网络媒体的交互性来辅助营销，以客户为中心、以网络为导向实现在线市场营销。该平台可对潜在客户的需求订单进行离线生产预排，待订单签订后，可在线实时跟踪订单生产进度，了解产品质量控制标准和实时质量信息。

2、虚拟工厂

虚拟工厂实现车间运行过程的三维可视化，通过几何图形与逻辑规则的定义，准确反映车间的物理布局、工艺流程、物流调度等特性。以产品全生命周期实时物理数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行在线仿真、评估和持续优化。

三、物理工厂

物理工厂为实际的线缆生产场地，按工厂、车间、生产线、制造单元（工位和设备）进行物理区域划分。其中车间被定义为挤出区域、复绕区域、成缆区域、绕包区域、烧结区域、编织区域和辐照区域等。物理工厂的生产、工艺、物流和质量信息实时反馈到虚拟工厂和销售平台。

四、业务模式变革

1、工艺单元化

为保证信息系统和线缆设备的深度融合，工艺环节均进行单元化处理。该模式下没有固定的生产线概念，采取了可以动态、有机重构的单元化生产方式。单元化工艺包含单层挤出、双层挤出、护套挤出、辐照、复绕、火花测试、印字、条纹印字、扭绞、成缆、编织、绕包、烧结、铠装、束线、绞线等细分工艺。挤出工艺单元化样例见表1，单元操作明确每一类专用设备的工艺属性、生产过程中的温度属性和压力属性等，属性值取决于工艺类别和原材料特征，与实际的挤出设备没有直接关联。该模式下的单挤生产线，具备了挤出、复绕、火花测试、印字、成本核算等单元功能。

2、设备虚拟化

现场设备及其控制系统的多样性，即使同规格的线缆在不同的机器上生产，工艺控制要求和方法也不完全一致。如意大利桑普挤出设备采用WonderWare系统，美国戴维斯挤出设备采用Ifix系统，两种挤出机组的温区控制数量也不一样。这种差异性导致即使生产同样的产品，不同机器上也需要工艺员重复维护不同的配方。特种线缆小品种多批量生产要求，无疑增加了工艺员的重复劳动，不利于工艺单元化操作。设备虚拟化的内涵，就是将设备改造成能够支持工艺单元化操作的运行模式。通过统一设备的OPC接口，将CPS下发的工艺单元化参数转变成设备本身支持的工艺参数。单挤设备虚拟化的人机交互界面如图4所示，里面包含3部分信息，即订单信息、物料信息和工艺信息。操作工通过“任务执行”将设备切换到相应订单的生产准备状态，实现制造资源的虚拟化。

3、物理生产过程

物理生产是实际的线缆生产现场，线缆生产以长度为基本计量单位，“定长生产”也是精益生产的目标之一。就特种线缆而言，尤其航空航天用途的线缆，无论是原材料还是半成品的成本都非常昂贵。通过监控工厂的物理生产过程，对实现产品质量有效管控有着重要意义。传统意义上质量信息体现在火花仪、凹凸仪、冷热端外径和偏心仪检测手段方面。考虑到该类质量检测方式属于事后检测，难以满足“不生产缺陷”的目标，通过物联网和传感器技术，将挤出设备增加图5中实线框所示的传感器件。例如桑普单挤设备，工况监控点高达到120个，涵盖了收放线牵引力、各区域温度分布、绝缘材料混合比、熔融温度压力、干燥机状态、设备异常警报等。通过生产过程的全方位实时监控，及时规避质量隐患，保证质量零缺陷。

五、实施效果

为了适应激烈的市场竞争，特种线缆企业尝试解决单一品种（少品种）大批量生产方式向多品种、小批量和多品种、多批量生产方式转变所带来的离散/连续混合型模式的生产管理问题，需要及时根据订单调整生产计划，满足客户需求。CPS项目上线试运行后，车间调度通过大屏幕了解订单、设备、质量的实时情况，杜绝以往紧急订单靠“现场救火”的管理方式；全过程进行工艺参数监控，对于超过工艺标准的设备进行预警或远程停机处理，现场管控能力显著增强，保障了在线产品质量，且避免原材浪费；系统为销售提供售前支持，科学客观的生产能力评估及销售策略的制定提供决策依据和辅助支持，既保证交货期，又大幅度降低成品和在制品库存；支持产品设计过程的信息化管理和数据追踪，有效控制产品设计成本，缩短产品设计周期；通过对物料标识和业务环节的有效定义及过程数据采集，保证正确的物料供应，实现生产过程的有效控制和跟踪追溯。

从后期业务扩展和系统运维来看，以下几点有待持续优化：1）设备智能改造不彻底。线缆设备总体上属于低端自动化设备，尚未实现工艺信息全面感知。2）知识驱动机能待加强。线缆工艺数据全部来自PLM系统，依靠工艺员手工维护，需通过机器学习实现产品动态质量标准全过程自动优化。3）三网合一存在瓶颈。受生产网工控防病毒等技术限制，系统前端销售信息依靠销售员手工转录到CPS系统，未能实现真正意义上的社会网络、生产网络和信息网络一体化。

结束语

通过对线缆设备自动化程度升级，实现特种线缆设备的实时感知、动态控制和信息服务，在信息物理融合的基础上，打造由智能化的机械、存储系统和生产手段转变后的智能CPS系统。我国作为世界线缆第一大生产国，通过3C技术的有机融合与深度协作，对提高线缆生产的全球竞争力具有积极的借鉴意义。

参考文献

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