信息化管理系統(tǒng)在AP1000核燃料制造中的應(yīng)用

紀(jì)雪舟 王文濤

（中核包頭核燃料元件股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014035）

信息化管理系統(tǒng)在AP1000核燃料制造中的應(yīng)用

紀(jì)雪舟 王文濤

（中核包頭核燃料元件股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014035）

AP1000燃料元件生產(chǎn)線信息化管理系統(tǒng)是中核包頭的重大建設(shè)項目，目的是通過構(gòu)建生產(chǎn)線信息化管理模型，利用先進計算機控制技術(shù)、通訊技術(shù)和管理模式，實現(xiàn)對生產(chǎn)線各類資源的深度集成和智能化管控，使AP1000燃料元件的制造過程更加標(biāo)準(zhǔn)化、精益化和透明化。整個系統(tǒng)平臺包括企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)線制造管理系統(tǒng)（MES）、實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）以及配套的若干輔助模塊。本文將圍繞生產(chǎn)線制造管理系統(tǒng)（MES），重點介紹該系統(tǒng)的功能設(shè)計、生產(chǎn)線應(yīng)用效果以及與其他部分系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成內(nèi)容。通過信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，中核包頭將先進的信息化管理模型應(yīng)用于AP1000燃料元件生產(chǎn)線的制造管理中，實現(xiàn)了公司精益化制造管理思想的全面落地，為AP1000燃料元件制造技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新打下了堅實基礎(chǔ)。

AP1000燃料元件制造信息化管理系統(tǒng)精益化管理設(shè)備數(shù)據(jù)采集

1 引言

隨著核電燃料元件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，其制造過程趨于復(fù)雜，工藝和檢驗環(huán)節(jié)、原材料種類、質(zhì)量管控深度等都在增加，生產(chǎn)過程因此面臨諸多管理風(fēng)險。在現(xiàn)代信息技術(shù)與工業(yè)制造深度融合的大背景下，通過信息系統(tǒng)在燃料元件制造過程中的深入應(yīng)用，能夠在確保生產(chǎn)效率的同時，最大程度上保障燃料元件制造的產(chǎn)品質(zhì)量和安全管理要求，信息化系統(tǒng)也因此成為生產(chǎn)線制造的標(biāo)準(zhǔn)化管理工作，得到了廣泛和深入的應(yīng)用。

2011年間，中核包頭作為美國西屋公司AP1000燃料元件制造技術(shù)的受讓方，派遣技術(shù)人員到西屋哥倫比亞燃料廠進行了實地學(xué)習(xí)。其中，在生產(chǎn)線運行管理方面，西屋公司開設(shè)了工廠信息化管理系統(tǒng)課程。通過課堂學(xué)習(xí)和現(xiàn)場參觀，技術(shù)員們切身體會到了生產(chǎn)線信息化管理系統(tǒng)作為核心管理手段為燃料元件制造全過程提供的強大技術(shù)支持，使有著40多年歷史的西屋公司哥倫比亞燃料廠在生產(chǎn)管理上處于世界領(lǐng)先水平。

根據(jù)西屋培訓(xùn)的成果，結(jié)合未來AP1000燃料元件生產(chǎn)線的實際管理需要，中核包頭開展了“AP1000燃料元件生產(chǎn)線信息化管理平臺”的設(shè)計開發(fā)工作，整套系統(tǒng)已于2014年8月全面投入使用，服務(wù)于生產(chǎn)線的各項工藝鑒定和模擬元件制造。

2 AP1000燃料元件生產(chǎn)線簡介

AP1000核電技術(shù)是我國從美國西屋公司引進的第三代核電技術(shù)，國家核電作為AP1000核電技術(shù)的受讓方負(fù)責(zé)整體接收AP1000核電技術(shù)，而中核包頭作為國家核電燃料元件制造技術(shù)的指定用戶，負(fù)責(zé)AP1000核燃料元件制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓任務(wù)包的引進、消化、吸收和再創(chuàng)新等工作，同時建設(shè)一條AP1000燃料元件生產(chǎn)線，為核電站提供換料。

生產(chǎn)線工藝主要包括IFBA芯塊涂覆、常規(guī)燃料棒和IFBA燃料棒制造、骨架制造、燃料元件組裝、零部件制造以及配套的產(chǎn)品在線檢測系統(tǒng)和實驗室檢驗分析系統(tǒng)。工藝流程如下圖所示：

圖1 AP1000燃料元件制造工藝流程圖

生產(chǎn)線工藝管理具有以下一些難點：

①流水線制造與離散制造共存且相互交織，產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中既存在單個序列號管理情況，也存在批次號管理情況

②物料流轉(zhuǎn)和追溯難度較大。

③生產(chǎn)線工藝環(huán)節(jié)和檢驗環(huán)節(jié)相互穿插，質(zhì)量管控要求較為復(fù)雜，多種放行條件相互作用，增加了管理難度。

④部分關(guān)鍵崗位的人工操作風(fēng)險很大，操作過程需記錄的信息量較大，人工方式費時費力，且對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求極高。

⑤大量自動化生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備的使用，導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)據(jù)的采集和匯總難度增加；而多種類設(shè)備控制系統(tǒng)和多品牌可編程控制器的混合使用，也給生產(chǎn)線自動化制造帶來諸多困難。

⑥除了工藝管理要求外，產(chǎn)品制造過程中還包括核物料衡算、工裝卡具管理、運輸容器管理、人員崗位操作權(quán)限管理、廢料管理和產(chǎn)品成本統(tǒng)計等方面的內(nèi)容，形成了非常復(fù)雜的管理體系。

因此，中核包頭在AP1000燃料元件生產(chǎn)線建設(shè)之初，就確定了信息化系統(tǒng)設(shè)計工作與生產(chǎn)線建設(shè)同步開展，圍繞信息化系統(tǒng)的藍(lán)圖設(shè)計、業(yè)務(wù)流程設(shè)計和功能開發(fā)工作，將生產(chǎn)線管理的各項內(nèi)容融入其中，進而實現(xiàn)精益制造管理思想的全面落地。

3 系統(tǒng)構(gòu)架與功能設(shè)計

3.1 西屋公司信息化管理系統(tǒng)簡介

美國西屋公司運用生產(chǎn)管理系統(tǒng)的歷史比較悠久，可以追溯到上世紀(jì)80年代。當(dāng)時西屋還沒有一個具體的IT部門負(fù)責(zé)整個公司的信息化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，只是在局部開展了一些計算機與日常管理業(yè)務(wù)的應(yīng)用嘗試。

隨著信息技術(shù)應(yīng)用的不斷成熟和業(yè)務(wù)發(fā)展需要，從ERP系統(tǒng)到MES系統(tǒng)，西屋開始了較大規(guī)模的信息系統(tǒng)建設(shè)。首先組裝工藝開始應(yīng)用工藝管理系統(tǒng)，收到良好效果后，化工工藝、燃料棒制造工藝也先后推廣了系統(tǒng)應(yīng)用。通過這些系統(tǒng)的應(yīng)用，西屋技術(shù)人員將所有的產(chǎn)品工藝流程固化在了信息系統(tǒng)中，使得工藝操作更加標(biāo)準(zhǔn)化、流程化；信息系統(tǒng)提供了更加完備、翔實的工藝數(shù)據(jù)，極大提高了生產(chǎn)線管理效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

目前，通過多年的信息化建設(shè)，西屋已經(jīng)擁有了一套較為完備生產(chǎn)線管理系統(tǒng)，所有產(chǎn)品的工藝信息、檢測信息、物料信息、設(shè)備運行信息及人員操作信息等全部存儲在系統(tǒng)中。如圖2所示為西屋生產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)整體功能設(shè)計。

圖2 西屋信息化管理系統(tǒng)構(gòu)架圖

由于各功能系統(tǒng)在開發(fā)和使用上存在一定的時間間隔，故部分功能系統(tǒng)采用了不同的系統(tǒng)構(gòu)架和程序語言，有的則直接采購了成品軟件程序，之后通過開發(fā)各種類型的接口程序以實現(xiàn)各功能系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)銜接和數(shù)據(jù)集成。

3.2 中核包頭信息化系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

相比較西屋公司以工藝體系為劃分標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計方式，中核包頭則設(shè)計了統(tǒng)一的、集成的生產(chǎn)工藝管理平臺，涵蓋了所有的生產(chǎn)制造和檢驗環(huán)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和接口設(shè)計，再通過將產(chǎn)品標(biāo)識條碼化，實現(xiàn)了產(chǎn)品零部件或原材料在生產(chǎn)線各工藝崗位上的自由流轉(zhuǎn)和全面管控。同時，配套設(shè)計了ERP企業(yè)資源管理（生產(chǎn)計劃、財務(wù)成本、采購銷售等）、倉庫管理、實驗室數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，最終形成了燃料元件制造全過程的信息化管理體系。

圖3 中核包頭信息化管理系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計與應(yīng)用

3.3.1 生產(chǎn)物料的條碼化及信息追溯管理

①物料標(biāo)識的條碼化

在燃料元件的生產(chǎn)過程中，物料信息的準(zhǔn)確傳遞是關(guān)系到生產(chǎn)線能否按照產(chǎn)品圖紙和BOM要求開展工藝制造的關(guān)鍵。所有的物料信息都在事前進行了精確的定義（例如：類型、規(guī)格、用途、BOM結(jié)構(gòu)、存儲倉庫和價格等）和統(tǒng)一編碼，當(dāng)帶有條碼標(biāo)識的物料進入到生產(chǎn)線后，可以被各工藝崗位自動識別并顯示其工藝加工狀態(tài)。

圖4 燃料元件包殼管物料條碼標(biāo)簽及手持式條碼識別器

圖5 條碼化的物料領(lǐng)料單

例如：從常規(guī)芯塊的采購入庫開始，信息系統(tǒng)中就建立了完整的芯塊庫存臺帳，所有批次芯塊的重量信息、富集度信息、粉末批信息、氫含量有效期和檢驗信息等都作為芯塊原料的產(chǎn)品特性被記錄在系統(tǒng)中，之后通過芯塊唯一的標(biāo)識條碼，上述信息可以被后續(xù)不同的崗位所共享和使用，幫助崗位人員快速的完成物料識別和狀態(tài)判定。下圖所示為芯塊信息在各工藝間的傳遞：

圖6 芯塊物料信息的傳遞和追溯

通過對燃料元件所有生產(chǎn)原材料的條碼化追溯管理，實現(xiàn)了產(chǎn)品物料信息的全面追溯、精確定位和單體管理，為后續(xù)整個生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)提供了基礎(chǔ)。

3.4 生產(chǎn)管控功能

3.4.1 生產(chǎn)計劃和制造執(zhí)行的無縫集成

從生產(chǎn)計劃的下達(dá)開始，通過ERP模塊的產(chǎn)品BOM設(shè)計功能，系統(tǒng)會自動根據(jù)訂單數(shù)量計算出燃料元件制造所需零部件的種類和數(shù)量，訂單編號生成后直接傳送給車間MES系統(tǒng)，確保了每個生產(chǎn)訂單的準(zhǔn)確和及時。

對于一些帶有特殊工藝要求或客戶要求的訂單，MES系統(tǒng)會根據(jù)訂單中產(chǎn)品物料號自動加載設(shè)定的詳細(xì)制造參數(shù)。操作人員只需要按照系統(tǒng)的提示，選擇正確的生產(chǎn)訂單就可以開始生產(chǎn)；如果操作人員選擇錯誤，系統(tǒng)也會自動阻止根據(jù)訂單領(lǐng)用的原材料投入到生產(chǎn)線上，極大降低了人為管理失誤的概率。

圖7 生產(chǎn)計劃下達(dá)和執(zhí)行流程示意圖

3.4.2 生產(chǎn)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化、精益化管理

流程化：所有類型的成品或半成品在MES系統(tǒng)中都有自己特定的工藝路線，每一步工藝操作也都有自己準(zhǔn)確的定義，當(dāng)某種產(chǎn)品被賦予一條特定的工藝路線后，必須按照工藝路線的要求完成所有加工和檢驗后（結(jié)果合格）才可以下線。

圖8 燃料元件管準(zhǔn)備工藝流程示意圖

精益化：在整個制造過程中，MES系統(tǒng)通過與生產(chǎn)線掃描槍集成的方式，記錄產(chǎn)品的每一步工藝動作。而產(chǎn)品在每一個崗位上的信息（如工藝信息、檢測信息、人員操作信息、設(shè)備信息、物料信息等）都被記錄在系統(tǒng)中。

圖9 管準(zhǔn)備工藝稱重崗位信息記錄界面

圖10 燃料棒制造工藝芯塊裝管崗位信息記錄界面

圖11 格架組裝過程中的PEER CHECK功能界面

圖12 骨架脹接崗位儀表管裝載布局界面

圖13 燃料棒制造狀態(tài)信息查詢

在自動化生產(chǎn)線和條碼掃描設(shè)備的幫助下，產(chǎn)品的所有工藝加工環(huán)節(jié)都被精確記錄，完全替代了紙質(zhì)產(chǎn)品流通卡的記錄方式，在提高生產(chǎn)效率的同時，也保證了產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時，由于其信息類型更加多樣和豐富，為技術(shù)人員的工藝改進和設(shè)備改造提供了強大數(shù)據(jù)支持。

模塊化：針對不同零部件制造工藝，信息化系統(tǒng)采用了與之相配套的模塊化設(shè)計，各模塊之間功能各異，相對獨立，被授權(quán)操作人員只能完成模塊內(nèi)事先設(shè)定的產(chǎn)品工藝加工和檢驗項目。每個系統(tǒng)模塊中，根據(jù)產(chǎn)品工藝路線的不同，既包含生產(chǎn)線的自動化制造，也包含崗位人員的手工組裝，直到零部件完成系統(tǒng)模塊內(nèi)的全部設(shè)定步驟，產(chǎn)品才能流轉(zhuǎn)入下一段工藝環(huán)節(jié)。

模塊化的設(shè)計方式，使各段工藝路線相對獨立，既可以統(tǒng)一協(xié)作完成一類產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，也可以開展不同類型產(chǎn)品的并行混線生產(chǎn)，使前段的生產(chǎn)計劃和組織方式更為靈活，為柔性生產(chǎn)模式奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)某一模塊發(fā)生工藝路線變動或檢驗技術(shù)條件變化時，只需要更改該模塊的設(shè)計或配置，而不會影響到其他系統(tǒng)模塊的運行，對后續(xù)系統(tǒng)功能的優(yōu)化和調(diào)整更加有利，具體包括以下主要模塊：

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3.4.3 產(chǎn)品檢驗狀態(tài)管理

（1）生產(chǎn)線樣品采集的自動化管理

在燃料元件制造過程中，所有分析樣品的種類和數(shù)量都提前在系統(tǒng)中進行了設(shè)置，系統(tǒng)會自動控制傳輸線或者提示崗位人員完成樣品采集工作，否則傳輸線會停止動作，產(chǎn)品也無法流轉(zhuǎn)到下一個工藝崗位。在MES系統(tǒng)的控制下，燃料元件制造會嚴(yán)格按照“制造質(zhì)量計劃”的要求執(zhí)行樣品采集操作并記錄樣品的相關(guān)信息。

圖14 包殼管下端塞環(huán)焊崗位的樣品數(shù)據(jù)采集界面

例如：啟動管準(zhǔn)備制造工藝，系統(tǒng)界面中會顯示焊接工位進入樣品采集模式，提示操作人員完成取樣操作。當(dāng)首個包殼管的焊接完成后，系統(tǒng)自動將其定義為班前首樣（金相或腐蝕樣品），之后生產(chǎn)線才能夠進入到正式自動生產(chǎn)模式，后續(xù)焊接的包殼管會自動歸屬于該樣品區(qū)間。

（2）制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）的數(shù)據(jù)集成

LIMS系統(tǒng)作為MES系統(tǒng)的配套模塊，管理著燃料元件生產(chǎn)過程中的各類樣品信息。通過實驗室信息系統(tǒng)（LIMS）的設(shè)計應(yīng)用，實現(xiàn)了AP1000核燃料元件生產(chǎn)過中實驗室樣品分析數(shù)據(jù)的全面、精確管理。所有樣品的創(chuàng)建記錄、分析過程、結(jié)果發(fā)布、分析統(tǒng)計等都在信息系統(tǒng)中設(shè)計了嚴(yán)格的管理流程，確保所有的樣品分析結(jié)果是有效和準(zhǔn)確的。

圖16 MES系統(tǒng)與LIMS系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成

通過LIMS系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的無縫數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了實驗室樣品分析結(jié)果的自動反饋，生產(chǎn)線也會根據(jù)樣品分析結(jié)果自動控制產(chǎn)品的工序流轉(zhuǎn)。

3.4.4 高效率的質(zhì)量放行管理

針對不同制造階段的燃料元件，質(zhì)量保證人員要對燃料元件或零部件進行全面的質(zhì)量審查，只有滿足工藝、產(chǎn)品、檢驗技術(shù)條件和其他管理要求的燃料元件或零部件才能進入到下一階段的制造流程，該項工作復(fù)雜且細(xì)致，需要進行大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集和質(zhì)量判定。

通過MES系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)收集和自動判定功能，質(zhì)量放行工作由原來的復(fù)雜、繁瑣變得極為簡單。質(zhì)量管理人員根據(jù)信息系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的產(chǎn)品質(zhì)量放行條件是否滿足直接判定是否可以執(zhí)行相關(guān)放行操作，如滿足則可以直接打印質(zhì)量放行報告，且質(zhì)量放行數(shù)據(jù)的全面性和及時性有了大幅提高。

圖17 產(chǎn)品質(zhì)量放行界面

圖18 中間產(chǎn)品放行單打印界面

圖19 燃料元件質(zhì)保放行證書打印界面

3.4.5 生產(chǎn)線設(shè)備的智能化集成

為了實現(xiàn)在MES系統(tǒng)管控下的生產(chǎn)線自動化制造，中核包頭對生產(chǎn)線設(shè)備實施了全面的系統(tǒng)集成，將工藝設(shè)備、檢測設(shè)備、傳輸線與MES系統(tǒng)通過控制接口和數(shù)據(jù)接口進行集成，實現(xiàn)MES系統(tǒng)對生產(chǎn)線設(shè)備的動作控制和數(shù)據(jù)采集，總計33臺（套）。

工藝及檢測數(shù)據(jù)集成

圖20 進口TIG焊機數(shù)據(jù)采集界面（電流、電壓和焊接時間）

圖21 管氧化設(shè)備數(shù)據(jù)采集界面（溫度曲線和氧化時間）

圖22 IFBA芯塊涂覆爐數(shù)據(jù)采集界面（真空度、溫度和功率）

圖23 TIG焊機和傳輸線系統(tǒng)集成示意圖（自動焊接和數(shù)據(jù)采集）

圖24 包殼管氧化設(shè)備和傳輸線系統(tǒng)集成示意圖（自動上料和氧化溫控）

通過對生產(chǎn)線設(shè)備的系統(tǒng)集成，進一步加強了燃料元件制造過程的工藝管控，使得產(chǎn)品的工藝數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)更加及時、準(zhǔn)確和完整；同時，通過將采集的數(shù)據(jù)信息與產(chǎn)品一一匹配，形成了完整的產(chǎn)品質(zhì)量證明文件，為燃料元件制造質(zhì)量提供保證。

4 結(jié)束語

通過信息化系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，中核包頭整合了生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)物料信息、人員操作記錄、產(chǎn)品工藝路線以及各種輔助設(shè)施管理等內(nèi)容，實現(xiàn)了燃料元件制造過程的信息化和智能化管控。整個燃料元件的制造過程更加標(biāo)準(zhǔn)化、精益化和透明化，圍繞產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過信息系統(tǒng)分類處理并共享，為各項管理工作提供基礎(chǔ)，形成了多客戶訂單、多產(chǎn)品類型、多工藝路線的柔性生產(chǎn)管理模式，也為企業(yè)管理水平和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升創(chuàng)造了良性循環(huán)發(fā)展的環(huán)境。

[1]顧新建.制造業(yè)服務(wù)化和信息化融合技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2010(11).

[2]高巍.基于信息化水平的制造業(yè)企業(yè)工藝創(chuàng)新能力體系研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2011.

[3]宋加升.信息化制造技術(shù)應(yīng)用效果評價研究[J].科技與管理, 2008(03).

[4]劉思明.制造類企業(yè)的CRM系統(tǒng)建設(shè)[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用,2012(24).

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Information Management System used in AP1000 Fuel Assembly Manufacturing

JI Xue-zhou,WANG Wen-tao
(China Baotou Nuclear Fuel plant Inner Mongolia，Baotou Neimenggu 014035,China)

The AP1000 Nuclear Fuel Assembly production line information management system is one of the major construction projects in CBNF.Through designing the CBNF digital management model,using advanced computer controlling technology,the communication technology and the information management methods to realize that information management system could collect, transfer and analyze process and inspection data from production line automatically during the whole time of AP1000 Nuclear Fuel Assembly manufacturing.This way could reduce human mistakes and give the greater guarantee for product quality.Base on the huge data of product;manager could develop various production management researches.At last,summarizing the digital information management model for AP1000 nuclear fuel assembly production,building-up the experience for process management system design. With the support of system,CBNF will improve the depth,breadth and efficiency of management,build the stable basement for enterprise development.

AP1000 Fuel assembly manufacturing；Information Management；Process data collection；Lean management

A

1008-1739（2015）09-59-7

定稿日期：2015-04-12