基于MOM的蛇形管焊缝标识追溯系统

王 川，李 勇，缪玉鸿

（1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，自贡 643001；2.东方电气集团科学技术研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

蛇形管是电站锅炉核心部件之一，其主要制造工序包括：备料、对接焊、探伤、装配、热处理、水压、油包等。其中对接焊缝质量会直接影响蛇形管产品质量。蛇形管在电站运行过程中，既受热又承压，工况条件恶劣。焊缝质量不合格会造成极大的安全隐患和无可估量的损失。蛇形管焊缝质量追溯管理一直是避免产生焊缝质量问题最重要的手段之一[1]。蛇形管制造过程属于典型离散型制造[2]，目前蛇形管对接焊缝标识与追溯，主要依靠人工标记明码和纸质单据记录的形式来实现焊接过程参数、焊接人员资质、探伤检测结果等记录。其主要缺陷包括：

1）标识介质一般采用油漆和油墨，其在粘有油污、锈迹、划痕的管子表面对比度不够，辨识难度大；

2）采用明文标记，人工识读，不支持二维码条码标记，无法实现图像视觉识别、扫码识别等自动识别技术；

3）采用人工标记的方式，无自动化设备，工作量大，容易出错；

4）焊接过程信息依靠纸质单据记录，单据容易破损、丢失，质量追溯效率低、无信息系统支持。

制造运营管理系统（Manufacturing Operation Management，MOM）是对制造车间人员、设备、物料、能源等资源进行协调管理并组织生产活动的管理系统[3]，系统主要包括：制造运营管理、库存管理、质量管理、维护运行管理等功能模块。

为解决蛇形管焊缝质量追溯问题，减少人工录入工作量，减少数据错误及丢失，提升生产运行效率。本文构建一种基于MOM的蛇形管焊缝标识追溯系统，实现蛇形管焊缝的全生命周期追溯与质量管理。

1 方案设计

系统设计包含的主要技术方案设计有：系统编码方案设计、标识方案设计、自动标记方案设计。

1.1 系统编码方案设计

根据蛇形管的产品BOM结构，其分为管屏、管圈、管段和焊缝，一个管屏由多排管圈组成，一排管圈由多根管段组成，一根管段由多节原材料对接焊组成[4]。编码按产品层次划分包括管屏码、管圈码、管段码和焊缝码，管圈按管屏进气口方向从左到右顺序编码，焊缝按管圈进气口方向顺序编码（图1）。

图1 系统编码

1.2 标识方案设计

1）管圈、管段标识

蛇形管流转过程会受到产线刮擦、设备夹持、油污沾染等，标签采用三层结构（图2）：底层标签纸、表面加强膜、中间二维码油墨标识。底层标签纸选用具有防水、防油污、耐磨的PET材质，为增强其表面附着力，采用加强型胶水；中间二维码标识油墨采用高附着、速干型油性墨水；表面加强膜采用PVT材质，厚度5丝，具有抗拉、抗磨损、抗油污的特性。

图2 标签三层结构

蛇形管管径范围29mm至89mm，为适应管子表面的各种复杂状况，确保有效附着，标签采用“腕带搭接自粘”的形式环绕管子外表面一周，根据管子直径分为6种规格型号（表1）。为保障标签在极端情况下能够被解析和识别，二维码采用两列，沿长度方向均布，且彼此错开，标签四周打印明码（图3）。

表1 标签型号规格尺寸

图3 标签示例

2）管屏标识

管屏码为明码，按“工号+零件图号+流水号”形式编码，具有唯一性。管屏标识是将明码利用气动打码机刻印在钢板牌上。钢板尺寸100×50×5，印刻深度2mm，钢板最终会焊接在管屏固定位置，保证管屏码在包装发运时不会丢失，该管屏码牌终身附着在蛇形管产品上。

1.3 自动贴标方案设计

采用一种可旋转传动机头的自动贴标机（图4），减少操作工劳动强度，提高生产效率。自动贴标机安装于蛇形管管子自动化对接焊生产线的焊机出口测后端，用于管圈标识条码的自动粘贴，可匹配不同规格的标签（见表1），可完成管子两端的自动贴标，单个标签贴标时间小于20s，贴标位置可自定义设置，具有管子水平输送、管端识别、贴标位置定位、管子旋转定位、自动贴标、条码识别、纸带回卷等功能，通过应用服务提供Webservice接口，实现与MOM系统的集成。设备组成包括左旋转传送机头、自动贴标机头、右旋转传送机头、工控系统及应用服务。

图4 自动贴标机

1）左/右旋转传送机头用于实现从自动贴标机左/右侧进入管子的水平强送和旋转运动，包括强送机构（图5）和旋转机构（图6），强送机构采用2组传送轮，传送轮采用聚氨酯软轮，增加摩擦力，保证在传送时不打滑，传送轮采用气缸和连杆机构进行夹紧，确保夹紧过程中上下对中，V型面接触，夹紧管径范围20mm～150mm,主动轮机构采用伺服电机驱动，可准确控制水平输送距离，结合管端识别光电传感器。

图5 强送机构

图6 旋转机构

旋转机构采用三抓卡盘，通过气缸推动滑道，带动圆盘转动，实现三抓同步向心夹紧，夹紧管径范围10mm～200mm；三抓末端采用聚氨酯软轮，增加摩擦力，保证不打滑，主动轮采用伺服电机加同步链条驱动，可准确控制管子旋转角度。

2）自动贴标机头（图7）布置于左/右旋转传送机头中间，实现标签剥离、自动贴标、纸带回卷及条码识别，其包括标签卷料夹持机构、条码扫描头、剥离机构、负压标掌、回卷机构及驱动私服电机；首先布置于机头的条码扫描头识别标签信息，在回卷机驱动下，标签通过剥离机构剥离，被负压标掌吸附，气缸带动标掌下压，将标签与待贴标的管子压紧，然后旋转传送机头带动管子旋转，实现管子一周的标签附着。

图7 自动贴标机头

3）工控系统采用西门子PLC及HMI，负责整个系统的运行控制，包括伺服电机驱动、气缸运动控制、扫码头集成等。

4）应用服务：应用服务通过工业以太网与工控系统通信，实现控制指令下达，获取标签信息；应用服务采用BS架构，向制造运营管理系统MOM提供Webservice接口，实现系统集成。

5）自动贴标流程：自动贴标机的应用服务接收到MOM下达的贴标请求后，解析请求信息，辨别贴头/尾端标签，通过以太网与工控系统通信，下达控制指令，工控系统按照指令控制各个执行机构运动，首先旋转传送机头的强送机构夹紧管圈，水平慢速送管，管端识别光电传感器识别到管圈端部后，继续送管200mm后停止，强送机构松开，旋转机构夹紧，带动管圈旋转，同时自动贴标机头完成条码识别、标签剥离、标掌下压，完成贴标后，自动贴标机头抬起，旋转机构松开，强送机构夹紧送管，完成贴标。

2 系统集成

蛇形管焊缝标识追溯软件系统以制造运营管理系统为基础，通过工业以太网，连接硬件设备系统（图8）。硬件设备包括蛇形管自动对接焊生产线、自动贴标机、蛇形管焊缝探伤系统、蛇形管管屏装配平台等。

蛇形管自动对接焊生产线实现管子自动化对接焊，提供管子输送、管子对齐、自动焊接等功能。

自动贴标机安装于蛇形管自动对接焊生产线的焊机出口测后端，用于管圈、管段标识条码的自动粘贴，可匹配不同规格的标签，通过应用服务提供Webservice接口，实现与MOM系统的集成。可完成管子两端的自动贴标。

蛇形管焊缝探伤系统由传送料架、翻转料架、扫码设备、RT探伤室、控制室等组成。蛇形管管段或管圈在自动对接焊完成后，由料架传送至探伤室附近，扫码设备读取管段或管圈头尾码，获取焊缝信息。控制室逐个对焊缝进行RT拍片，并在制造运营管理系统质量功能模块上完成对焊缝质量的判定。制造运营管理系统在线收集焊缝质量信息。

蛇形管管屏装配平台的作用是将管圈及其附件组成完整管屏。基于制造运营管理系统，管屏具有唯一识别身份码。操作者在制造运营管理系统内完成生产任务接收、管圈上料、生产任务关闭等操作，最终在系统内形成完整的焊缝质量追溯链。

制造运营管理系统MOM属于系统应用层，实现车间制造过程的信息化、数字化管控，MOM系统通过二维码标签识别物料身份信息，关联焊接参数、加工人员信息、质检信息等，系统功能配置如表2所示。

表2 功能配置

3 应用实例

以某锅炉制造厂蛇形管车间为例。生产管理人员通过制造运营管理系统MOM下达加工任务到对接焊工位（图9）。

图9 自动焊派工MOM系统界面

焊工通过MOM系统领取加工任务，依次完成管子对接焊加工，形成管圈，同时MOM系统记录每一个焊缝的焊接参数及焊工信息。焊工依据施焊顺序（从头到尾/从尾到头），通过MOM系统下达自动贴头/尾端条码指令，自动贴标机接收到指令，依次完成管圈传送、端部识别、贴标位置定位、自动贴标及条码识别后，向MOM系统回传条码信息，MOM系统实现条码、管圈、焊缝的关联绑定（图10）。

图10 自动焊报工MOM系统界面

在管圈/管段探伤阶段，MOM系统通过扫码设备，扫描头尾码，获取管圈/管段焊口信息，并在MOM系统中对每条焊缝质量逐一判定并在系统中维护质量检测参数及检测结果（图11）。

图11 蛇形管RT探伤MOM系统界面

在管屏装配环节，将管屏码牌焊接到管屏固定位置（图13），再通过MOM系统手机APP扫码上料功能实现管屏与管圈的关联记录（图14），从而实现焊缝的逆向追溯。在生产过程中，生产人员可随时通过识别二维码标签获取焊缝身份信息，然后关联加工信息、焊接参数与质检数据等。

图12 管屏码牌实物

图13 MOM系统手机APP上料报工界面

4 结语

蛇形管焊缝标识追溯系统是制造运营管理系统在质量追溯方面的扩展应用，在车间生产过程信息化、数字化基础上，通过二维码标签识别物料身份信息，关联记录焊接参数、加工人员信息、质检信息等，实现蛇形管焊缝的全生命周期追溯与质量管理，减少人工录入工作量，减少数据错误及丢失，提升产品质量和生产运行效率。本文构建的蛇形管焊缝标识追溯系统，以制造运营管理系统为依托，融合各种信息化、自动化关键技术，对原有管理模式进行了创新，是离散型智能制造模式下一种数字化车间系统的应用，对推进传统企业转型升级具有重要意义，在国家重大装备制造行业具有推广价值。