探究数字化赋能铸管生产效率的提升

1 绪论

1.1 研究背景

铸造业是我国装备制造业的基础性行业，对我国高端装备工业的发展起着举足轻重的作用。《铸造行业“十四五”发展规划》明确了“质量优先”、“创新驱动”、“绿色铸造”、“智能铸造”、“专业化规模化发展”、“人才优先”等六大产业发展策略。[1]德国提出工业 4.0 战略计划，其核心要点是：通过智能化信息系统实现人、设备和产品的实时相连、互相识别和交流，建造一个智能化的制造业模式。中国在信息化程度、高科技水平等方面与世界先进国家还有很大的距离，因此，国际先进制造业企业占据了市场的主导位置。

1.2 研究目的

随着工业技术的不断发展和市场竞争的日益激烈，企业跨越式发展对现有组织架构、管理水平及信息化保障水平提出更高的要求，如何提升企业软实力，应对激烈的市场竞争是企业面临的挑战。

目前，车间集约化、数字化、智能化生产已成为提高企业生产效率和降低成本的重要手段。依托国家“十四五”智能制造发展和集团、股份“产线集约化智能化建设”规划，打造融合创新驱动、智能转型及自动化、数字化、智能化为一体的柔性化产线。通过合理规划和有效管理，可以合理优化资源配置，有效提高产品质量和用户需求响应速度，提升公司竞争能力。

1.3 理论意义

在生产效率方面，数字化赋能通过自动化、智能化和网络化技术，可以大幅提升资源配置效率。它替代了重复繁琐的任务，使人们能够更多地集中精力在高附加值的工作上，从而显著提高了生产效率。此外，数字化技术还能优化生产流程，消除瓶颈，提高生产率和质量。

2 离心球墨铸铁管概述

2.1 离心球墨铸铁管基础知识

2.1.1 球墨铸铁的定义

球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨的铸铁。石墨的球化，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，得到了比碳钢还高的强度。

球墨铸铁是 20 世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓"以铁代钢"，主要指球墨铸铁。

2.1.2 离心球墨铸铁管的定义

以离心方法生产的铁素体基体的球墨铸铁管材（可输送饮用水和污水）。离心球墨铸铁管因其具有钢的性能、铁的本质，良好耐冲击、耐腐蚀等性能，其需求量迅速增加。

3 数字化模型赋能生产效率提升

提升效率仍然是铸管股份要重点关注的，一方面要加强智能化、数字化能力建设，提高生产的供应能力，同时要把提高劳动生产率作为工作重中之重[2] 。

3.1 生产效率发展的历程

1）早期发展阶段：在早期，生产效率的提升主要依赖于生产工具的创新和改进。人们通过发明更加高效、便捷的工具和设备，大幅度提高了生产效率。不过在这一时期，尚未形成系统的生产效率理论。

2）工业化阶段及科学管理理论：随着工业化的推进，生产效率的提升进入了一个全新的阶段。在这个阶段，生产线和流水线的引入成为了生产效率提升的关键，其中亨利·福特[4]提出的流水线生产和标准化生产的概念影响深远。他将生产流程分为若干个简单的工序，每个工序由专门的工人负责完成，然后将产品传递给下一个工序，以此类推，最终完成整个生产过程。这种生产方式可以实现高度的分工和专业化，从而提高生产效率和产品质量。

与此同时，弗雷德里克·温斯洛·泰勒[5]（被后世称为“科学管理之父”）提出了科学管理理论，他强调通过科学方法来提高生产效率和工人的劳动生产率。泰勒认为，提高劳动生产率要靠科学方法，严谨的实验和精密的计算可以充分发挥人、机、物、料的潜能，包括工作标准化、工时研究、劳动动作研究以及实行差别计件工资制等。他的理论为后来的生产效率提升奠定了坚实的基础。

3）技术革新阶段：近年来，随着科技的飞速发展，生产效率的提升又迈上了一个新的台阶。在这个阶段，数字化、智能化成为了生产效率提升的新引擎。通过引入先进的数字化管理系统和智能设备，企业能够实现生产过程的实时监控、精准控制和优化调度，从而进一步提高生产效率。

3.2 提升生产效率的意义

生产效率的提高意味着在同样的时间内能生产更多的产品，或者在生产同样数量产品的情况下所需的成本更低。这包括减少生产过程中的浪费、降低原材料和能源的消耗、减少人工成本等，从而增加企业的利润空间[3]。

在市场竞争日益激烈的环境下，生产效率高的企业能够以更快的速度响应市场需求，提供更高质量的产品和服务。这有助于企业在市场中占据领先地位，提高市场份额和品牌影响力[4]。

提升生产效率有助于企业更合理地配置资源，如人力、物力、财力等。通过优化生产流程和管理方式，企业可以确保资源得到充分利用，避免资源浪费和闲置。

3.3 生产效率的痛点难点

在实际生产过程中，铸管各工序主体设备较多，受市场因素变化，保供市场，支持铸管销售工作，生产组织计划开停机频繁，高效化要求的生产节奏和设备运行状体仅凭监控画面和管理人员难以“面面俱到”，影响正常生产效能发挥和作业效率的提升。

实际机时产量的影响时间铸管前线是前线是按 5 分钟以上统计，后线是按照 10 分钟以上统计。这样统计主要是考虑工作量和准确性。比如铸管前线不在这 5 分钟内统计的效率损失 17.7%-26.3%，就是传统的线下运行模式管理，不仅工作量大、而且效率低下。没有精确的统计和全面的分析改进。

另外工序实际作业时间报表“计算式”上报影响时间的现象普遍存在，导致当前生产管理中未能真实统计出设备有效作业运行时间，对具体的生产效率管理产生阻碍。

3.4 建立生产节拍模型

为进一步提高精益生产管控能力，实时准确监控铸管各工序生产计划执行情况，快速发现和处理异常，并利用节拍数据进行分析、闭环，从而达到提高整体生产效率的目的。

能够真实反馈出按计划组织生产和非计划生产的状态，以及生产线上的异常区域能快速凸显出，结合相关专业快速进行组织进行恢复，从而达到整体生产效率的提升和异常管理。

通过借助智能化赋能采集设备开停机信号和节拍分析，全面掌握设备作业时间，发现影响生产效率不足的短板加以攻关。通过借助数字化优势，进一步提高对重点设备生产计划的实时管控跟踪，从而掌握各产线的整体生产情况。

通过从设备运行节拍的角度，统计出设备实际有效作业时间，测算出设备的真实作业率和生产效率，找到影响效率提升的问题点、环节。同时从设备运转大数据中依据生产效能最高时的节拍点制定出节拍动作标准值，从更细微的角度分析影响生产作业时间的因素。

以涂衬机为例，对生产一支管的整个生产动作循环分解，有堵头安装（对中伸出、对中缩回、对中拨管、涂衬步进梁进管、承口插口堵头安装、涂衬步进梁进管），布料（布料车前进，布料车后退，布料工位托轮启动，布料泵启动，步进梁上升，步进梁前进，步进梁下降，步进梁后退），离心机涂衬（1#压轮下降，一次离心，2#压轮下降，二次离心）形成生产节拍分析模型。如表 1.

3.5.1 劳效提升

为有效提高单台设备的作业效率，更加精细化管控影响单台设备效率发挥不足的具体因素，从生产节拍分析的角度找出某一个或某几个节拍环节速度慢造成的效率不足，进而制定下一步措施。如有共有 10 台离心机，解决每台机约 20%的效率损失，可以少开两台离心机，最少减少 24 人/年，工资 7.2 万/人，每年人工费用节约 172.8 万元。

3.5.2 节拍异常进一步分析

通过对设备运行数据包大量数据进行统计，采集单个动作用时最短的值作为此节拍标准值，与当班平均动作节拍进行对比分析。如下图，点击节拍分析生成对比分析图表。

图 2 实际节拍与标准节拍对比图

对实际节拍与标准节拍差值最大的前 3 项动作进行罗列展示，便于后续分析。

1）、主机上行

2）、管模高速启动

3）、主机下行保持根据节拍数据异常点的分析比对，可以从设备功能下降、成本影响、工艺控制等角度进一步分析。比如1）主机上行异常可能编码器故障、齿条杠故障、电机故障、行走轨道变形、粘杂物等设备问题造成。带来质量缺陷气孔、模粉堆积等缺陷需要重点检查。

2）管模高速启动异常可能是主电机故障、信号丢失、皮带磨损超标等设备故障造成。会带来质量缺陷，如：淋落、重皮、壁厚不均等。

3.6 生产效率与绩效管理协同

巩固铸管股份科学、严谨的经营管理体系；巩固铸管股份这些年在科技创新上的成果等。巩固了这些已经被实践验证，被职工认可的物质、管理、精神财富，铸管股份就会充满自信，信念坚定。

五个体系管理：

指标体系：OEE 提升指标分解为三级子指标。

跟踪体系：定期收集 OEE 各项指标数据、分析趋势、发现潜在问题。

评价体系：在跟踪的基础上，对 OEE 各项指标的完成情况进行评价责任体系：定好 OEE 各项指标的责任人。

考核体系：对各级管理人员和员工进行考核和奖惩。

4 总结与展望

本论文从公司培育数字化赋能角度出发，针对目前生产存在的薄弱点，结合信息化和自动化，构建了生产节拍模型。

生产节拍模型的核心在于提升生产效率，通过精确计算节拍时间，能够优化生产线布局，提升铸管生产速度，从而消除线下生产模式关注不到的等待浪费和制约环节，实现生产的高效率与灵活性；也能高效化监控生产秩序，保供市场，支持铸管销售工作，积极配合销售把产品转换为价值；也能对生产动作节拍异常进一步分析，尤其是对设备和产品质量的分析，能提前发现设备部位的劣化，设备劣化可能带来的质量缺陷等问题。也能实现异常推送功能，比如：生产指标可设置预警值，建立生产工序的异常告警标准库，当发生异常时，提供报警信息推送，设备异常停机也可推送相关负责人。

参考文献

[1]闫嘉芮.H 公司数字化铸造工厂系统营销策略研究[D].河北大学，2024（04）.

[2]王迪.中国制造业企业数字化转型效率研究[D].吉林大学，2023（11）.

[3]韦庄禹.数字技术发展对中国制造业生产效率的影响研究[D].广西大学，2022（05）.

[4]蒿润涛､杨磊.浅谈铸管生产线数字化工厂建设[J].中国铸造装备与技术 .2024 （05）：101-106.

[5]李振杰､张艳､宋彦.数字孪生驱动的离心铸管机服务机器人虚拟调试的研究[J].铸造.2023（08）：1056-1062.

作者简介：董小宏（1991—），男，汉族，甘肃白银人，本科，研究方向为材料成型及控制工程