张  亮  周全望

(云南昆钢建设集团有限公司)

摘  要  离散型的建筑钢结构制造业，因产品属于个性化订单式，其结构形式具有不定性和小批量多样性，现阶段国内制造厂多为人工半自动化加工的生产方式。随着工业技术的发展，工厂通过采用可集成的数控硬件设施，打通智能制造的工艺流，完成系统集成实现数控设备及相关运维数据信息交互，达到钢结构制造智能化是各钢构企业制造技术升级的目标。由于离散型制造业工序断点、信息采集困难、生产模式的不定性等特点，钢结构制造企业对实现智能化制造的生产组织方式及技术配置须切实结合自身特点情况，分析生产瓶颈，对关键工序完成信息化系统集成，实现企业制造技术在各工序不同深度的智能化以达到效益最大化。

关键词  离散型  钢结构  智能制造  自动化   生产管理  信息系统  

1  引言

随着社会的进步，科技技术在不断创新和突破，我国作为制造业大国，制造技术也在不断革新，然在制造业中不同具体行业的生产模式和技术水平各有差异。在钢结构制造业，我国虽然在早期对铁结构方面有卓越的成就，但直到2000年后我国进入高速发展阶段，钢结构才得以大量应用于建筑业同时得到了迅猛发展[1]，由于钢结构制造业发展时间短，且属于离散型订单式制造，目前国内外都还停留在半自动化制造阶段，相对已实现智能化制造的汽车制造业，钢结构制造技术较落后。面对我国国民经济的高速发展，对生态文明建设提出了严格要求，钢结构作为绿色建筑材料，大力发展钢结构建筑成为社会发展中的必然趋势。因此加快提升钢结构制造技术，实现智能化制造迫在眉睫。

2  钢结构制造国内外现状及发展分析

2.1  国外现状

作为引领先进制造技术代表的日、美、欧都将智能制造视为21世纪的制造技术发展目标，并认为是国际制造业科技竞争的制高点，所以他们在该领域的科技协作频繁，参与研究计划的各国制造业力量庞大，大有主宰未来制造技术的趋势。尽管如此，在建筑结构材料行业，国外发展较为领先的欧美和日本在自动化上还未形成生产线。

日本的建筑构造物中约有35％是钢结构件。为了得到高生产率以及高品质的焊接，越来越多的日本建筑结构制作公司都采用机器人焊接。但目前，日本的焊接机器人也仅仅在一些相对标准化的构件局部使用了机器人焊接，并且大部分不是全熔透的焊接要求。

与日本相比，欧美方面在建筑结构机器人焊接方面的应用要逊于日本，欧美方面的技术投入更多在于建筑结构的机械加工方面，以工业4.0的发源地德国为例，其热轧型材的使用较为广泛，其国内建筑结构在型材的二次加工上可以做到相当程度的自动化，但受建筑结构非标特性的客观条件限制，能对主要机加设备进行有机整合形成无人化智能锯钻锁生产线的应用案例仍然并不多见。

2.2  国内现状

我国的建筑结构制造企业基本仍停留在大规模依赖人工技能的阶段，尽管大部分企业也越来越感受到技工成本和生产成本的压力，但受行业非标特点的限制，智能化研发和设计的时间成本和投入成本较高，大部分企业望而却步，反而将发展重点放在单一设备的技术改造上，没有关键领域的技术突破和对工序装备的全面整合，且缺乏一套信息化控制和管理系统对全局进行整合优化，很难获得一定质的升级。目前国内钢结构制造行业仅有中建钢构广东有限公司针对重型钢结构制造建成了一个智能化程度相对较高的制造基地，其基本实现了在钢结构行业重钢加工领域的部分加工工序自动化、信息化的智能化制造技术。

2.3  发展分析

实现智能制造是制造业的发展目标，更是时代发展的趋势。钢结构作为装备制造业和建筑业的交叉产业，因其材料性能稳定、可塑性好，且可回收利用符合绿色环保理念，是建筑行业一大主体材料，并将逐渐成为砖木结构和混泥土结构建筑的替代品。在中国制造“2025”战略规划提出以后，我国钢结构产业的发展在国家的大力支持下迅猛发展。在钢结构市场需求迅速扩大的同时，我国钢结构制造技术仍停留在人工或半自动化的制造模式，没有得到质的改变。因此钢结构行业2025指出紧密围绕钢结构制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用，要求钢结构行业的制造技术逐渐向信息化、智能化转型升级[2]。但现阶段国内钢结构制造业正处于从传统的依靠人工单机向整体自动信息化的制造方式转型升级的初期，大部分企业的工业技术处于从机械自动化向信息化迈近阶段，对实现制造智能化还有很大一段技术沟壑需要跨越。

3  钢结构制造工艺流程及工序组织管理的特点、难点

3.1制造工艺原理

钢结构制造属于订单式离散型制造，制造工艺原理如图1所示。

因其制造产品不同，从建筑规模上分为重钢结构和轻钢结构，重钢结构多为采用板材加工为多个零部件装配焊接而成，主要的产品结构有焊接H型钢、焊接十字型钢、焊接箱型体、焊接圆筒等形式的梁或柱；轻钢结构多为采用型材二次加工后与板材零部件装配焊接而成，主要的产品结构有热扎H型钢、热扎矩形管、焊接H型钢、圆管等形式的梁或柱。重钢结构制造的特点是零部件种类数量多、质量重、制造工序相对多且复杂、焊接量大，轻钢结构制造的特点相对重钢结构简单且大多产品主体部件为型材。二者制造工艺路线如图2、3所示。

3.2  设备现状与自动化水平

钢结构制造涉及的制造设备主要有板材切割类、组装校正类、型材钻锯锁类、焊接类、抛丸喷涂类，物流运输类等。各类设备的品种规格较多，自动化程度不同，企业为满足自身利益最大化，针对不同工序设备配置性能不同。部分工序制造技术繁琐复杂、弹性大，均依靠技术工人人工完成（如复杂构件的装配、焊接），部分相对定性的制造工序采用自动化数控进行生产（如零件下料、型材二次加工），部分工序依靠人工操作半自动化完成（如H型钢、箱型体组立）。钢结构制造涉及的加工设备情况如表1所示。

3.3  工序组织管理

钢结构制造的车间生产组织模式均以制造工序划分，主要分为下料、组装、焊接、抛丸涂装四大类，车间生产班组以此四类工序划分，形成各自专业技术和管理的制造单元。通过物流把各单元串联起来形成完整生产工艺。车间制造班组以工序划分，相互任务和职责明确，生产过程中班组之间任务交接为工序交接，各班组之间均为一对一的前后道工序关系，便于生产管理和任务安排。

3.4  生产计划及物料管理

钢结构生产方式为订单式生产，因此在生产前公司需要合理安排生产任务，具体工作是根据所承接的项目订单情况，明确各项目的合同工期、物料采购周期、产品加工难易程度等，同时参照自身生产能力，做出生产计划。目前国内钢结构制造厂仅有少数大型企业具备通过ERP管理系统的生产计划管理和物料管理两个功能模块对生产计划进行粗略排产和物资统计管理，实际生产模式均为大量依靠技术性工人以半自动化和自动化单元体进行生产，各种设备品牌性能参差不齐，生产数据采集为人工报表形式，对数据准确性和及时性有限，不能预先明确设备产能，同时存在项目工期零时变动以及插单现象，导致企业只能通过人工依靠生产管理经验安排生产计划。由此存在的问题便是生产安排不严谨，计划难以具体细化，工作量大且繁琐，人机生产能力得不到有效释放，且对生产计划的合理性无法经过科学计算，缺乏一套系统科学的计划排产系统。

物料管理涉及生产制造整个阶段，包括订单合同签订后的提出物资采购计划、物资采购、物资收发货管理、仓储管理等。目前极少部分企业已实现通过基于物联网管理技术的仓储管理系统的信息化物资管理技术。但在大多钢结构制造企业因生产规模和投资成本有限，对物资管理仍停留在传统的人工纸质报表统计完成物资管理。

3.5  物料信息传递及跟踪

目前国内外大部分钢结构制造企业对零部件及产品的信息标记均通过在物料表面打钢印或写编码，其信息传递和跟踪依靠工序交接时的物料交接和相关的人工报表清单，通过人工肉眼核实明确构件信息。产品信息标记和识别存在出错误、被损毁、看不清等情况，信息传递不及时、不准确，人工核实工作量大，信息跟踪任务繁琐且易出错，管理者很难具体掌握生产情况，影响整体进度和生产效益。

3.6  系统软件支持及数据采集

作为离散型制造业，钢结构制造业现阶段应用较多的管理系统有ERP企业级管理系统、WMS仓储管理系统、能源管理系统及相关制造设备的管控系统等，软件类有TEKLA建模及图纸深化软件、AutoCAD/CAM绘图软件、FASTCAM/SinoCAM/SigmaNEST套料仿真软件等。制造设备规格种类繁多，各工序可能涉及不同的物料、设备、工具及文档等资源，这些资源分散于企业中没有得到统一管理，各种设备的接口协议种类差别较大，通讯接口之间兼容性差，且部分设备无法直接实现数据采集，需要人工填报，因此数据采集难度较大。

4  实现制造智能化的工序装备及生产组织

4.1  实现智能化制造的手段

为实现钢结构智能化制造，需要从制造源头着手，采用自动化设备和可通过集成手段完成自动数据采集或方便人工读取填报实时生产数据的设备，打通生产各环节信息流，整合整体生产工艺路线，采用自动化物流技术，打通制造环节工艺流，在此基础上通过信息集成打通控制流，实现生产制造能通过企业上层管控系统进行智能化管控。但对实现智能化制造的硬件设施和软件系统研究应用所需资金成本较大，基于企业自身利益，需要综合考虑，分析各制造环节的信息采集集成难易程度、人工作业劳动强度、作业重复率、软硬件投资等，合理规划各工序的生产组织方式，提高生产信息化程度。

4.2  智能制造装备选择及生产组织

以轻钢结构制造为例，受钢结构构件加工件尺寸大、板厚多为厚板和中厚板、重量重、单件小批量离散制造的特点限制，包括焊接机器人、搬运机器人在内的常见自动化装备一直难以在这个行业进行推广应用。采用数控等离子切割机、等离子钻切一体机、搬运机器人、立体仓库、AGV、程控行车、智能分拣机器人、数控等离子坡口机、自动传送辊道、自动化数控钻锯锁生产线、焊接机器人、喷涂机器人等关键技术数控装备经过研发工厂级数据信息系统集成，对各设备进行有机整合实现钢结构制造智能化。

围绕着四大类工序工艺布局，这些关键技术装备各自或联合承担着重要的作用。

4.2.1  板材下料工序

在板材下料工序，关键的自动化设备主要有等离子钻切一体机、全自动切割机、数控平面钻床等数控下料设备，AGV、智能分拣设备、智能立体仓库、全自动电平车、程控行车等仓储物流设备。通过对下料工序设备系统的集成整合，共同构成一套智能化“相对无人”下料体系，承担整个工厂板材的下料任务。数控下料设备在集成系统控制下对所下板料按物料管理软件的信息要求自动进行物料标识，并自动下料。自动化分拣设备为无人操控的视觉分拣机器人，主要对切割完成后的小板件从切割平台上运输到分拣区域，分拣机器人对零件板进行外形尺寸拍照扫描，并与套料软件所提供板件尺寸和位置信息比对，计算抓取路径和抓取点，自动将小件抓取并放置在系统所设定的托盘中，托盘上附有信息集成（RFID）芯片[3-4]，可对物料信息时时更新传递，但由于零件板规格尺寸和重量差异较大，且零件单件标记缺陷大，下料完成后的零件坐标位置在割床上会产生偏差等原因，实现零件自动分拣尚需投入大量成本进行研究。数控高数平面钻配合钻切一体机完成部分小件钻孔，加工效率高且可自动化管控。AGV车为无人操作的激光导航自动无轨小车，可任意方向行驶，主要负责智能下料中心的小件物流运输，其运输定点位置精准，与立体库配合集成使用提高零件仓储物流效率[5]。立体库是零件件的智能管控中心，主要由堆垛机、货架、出入库站台组成，可通过立体库对小件统一管理，实现了小件精确配套和生产精益管理。

在零件下料工序，一个最大的特点就是可实现切割机区域无人化，通过程控行车实现板料自动上料至切割机，但是考虑到程控行车成本较高，在切割机区域可布置普通行车，人工辅助板料上料。同时零件的物流及仓储可实现无人化，零件下料装盘后，通过AGV自动运输，配合立体库完成自动化无人仓储物流。

4.2.2  型材下料工序

型材下料工序，目前国内外均有通过各数控设备串联在一起形成的半自动化生产线，生产线的运行均为单机人工操作生产，尚未实现信息系统集成完成生产线智能化运作。企业需要使用数控三维钻、数控转角带锯、数控机械锁和机器人等离子锁口机四类设备通过自动辊道传输系统串联成一条全自动化生产线，通过控制软件的自动化调配，实现对不同类型工件的全自动智能化加工。因型材上下料的物流方式考虑智能化采用程控行车成本投入较大，需人工对型材上下料，生产过程无需人工操作全自动化。工件生产可按照系统软件编排好的路径进行锯、钻、锁三道工序高精度、高效率不间断地生产，减少人工接料量。但型材余料接料相对柔性化，还需人工进行组对点焊。

4.2.3  组装、焊接工序

在组装、焊接工序，采用搬运机器人、焊接机器人和C型变位机三类设备通过RGV、自动辊道等物流系统连接，以控制软件联通整个工作站，实现构件自动上下件、全自动装配和焊接过程。其主要用于板材小件及牛腿部件与大部分相对规整的主结构件的总装焊接。主要为牛腿与柱身以及加劲板、连接板与柱/梁身的装配和焊接，由自动变位机配合装配机器人和焊接机器人进行零部件的自动装配定位、厚板不清根多层多道全熔透焊接。但对于钢梯、工艺结构复杂的构件目前还需设置人工柔性装配焊接工位来完成。

4.2.4  抛丸、涂装工序

在抛丸涂装工序，采用喷涂机器人、自动供漆系统、工件自动传输系统以及流平、烘干、强冷、漆雾处理、废气处理等系统构成的智能抛丸喷涂生产线完成不同类型构件的自动喷涂。但由于构件特性，在油漆喷涂过程中，部分产品表面需要保持一定的粗糙度和原有金属面无需喷涂，且需做表面保护。产品规格种类繁多、重复率低，形成特定的保护装置不可行，尚需人工进行处理。且在产品部分封闭角落，喷漆机器人无法喷涂，需人工进行补漆处理。

5 钢结构智能制造信息系统集成

5.1  信息系统集成架构

实现钢结构智能制造，在信息系统建设方面，需全面建立企业级——工厂级——过程级系统集成应用架构，如图4所示。

通过把车间相关设备层、采集适配层、数据集成层（SCADA）、统一对外进行系统集成，实现数据信息交互，完成集成。

5.2  企业级信息系统建设

企业级信息系统应用主要包含企业资源计划管理系统（ERP）、产品全生命期信息化管理系统（PLM）、供应链管理系统（SCM）、仓库管理系统（WMS）、其他管理系统（如办公信息系统）等。

5.2.1 ERP系统

企业资源计划管理系统（ERP）实现了企业自身内部资金流、物流、信息流的三流合一，使资源在购、存、产、销、人、财、物等各个方面能够得到合理地配置与利用，提高经营效率。可通过数据总线实现与工厂级和过程控制级信息系统的集成应用。工厂级和过程控制级信息系统能直接获取企业的计划、资源等多方面信息，同时下游向ERP系统反馈更加切实丰富的动态制造过程数据，辅助管理层优化调度生产制造资源，制定最优化的产品制造策略[6]。系统交互如图5所示。

5.2.2  产品全生命期信息化管理系统（PLM）

钢结构装配式建筑项目的施工包括深化设计、材料管理、构件制造、项目安装四大阶段，各阶段又可以按照管理需要划分为若干个子阶段（如构件制造阶段又可以划分为零件加工、构件加工等子阶段），每个（子）阶段又可以划分为若干个工序（如图纸审核、材料采购、下料、组立、装配、运输、现场验收、吊装等）。

产品全生命期信息化管理的核心价值就是要解决施工各阶段的协同作业和信息共享问题。使不同岗位的工程人员可以获取、更新与本岗位相关的信息，既能指导实际工作，又能将相应工作的成果更新到系统中，使工程人员对钢结构施工信息做出正确理解和高效共享[7]。PLM系统管理示意图如图6所示。

PLM系统可通过数据总线实现与工厂级和过程控制级信息系统的集成应用。MES系统需要从PLM系统中获取材料清单、物料描述、生产加工工艺路线、质量检验要求等信息，同时MES系统需要向PLM系统反馈加工过程的过程信息[8]。系统交互如图7所示。

5.2.3  供应链管理系统（SCM）

供应链管理系统（SCM）基于企业实际的库存管理业务，包括了物资库存管理全流程中的每一个环节：计划与合同、入库、出库、盘点、废旧物资处理，并通过业务流程与项目管理、资产管理、财务管理进行集成应用。实现工程部钢材、辅材、零星物资采购与库存管理；制造厂的钢材采购与库存管理；制造厂辅材、零星物资、备品备件采购与库存。SCM系统架构如图8所示。

SCM系统通过数据总线实现与工厂级和过程控制级信息系统的集成应用。MES系统需要从SCM系统中获取物料计划、合同执行情况、质量检验要求等信息，同时MES系统需要向SCM系统反馈加工过程的过程信息。系统交互如图9所示。

5.2.4  仓库管理系统（WMS）

仓库管理系统（WMS）主要解决原材料库存、盘点、生产、发货、验收，以及实施环节中涉及的项目管理、采购管理、堆场原料、余料管理等业务流程, 实现材料管理从端到端的信息化[14-15]。系统功能管理如图10所示。

WMS系统通过数据总线实现与工厂级和过程控制级信息系统的集成应用。在准确的需求时间将准确的制造资源配送至准确的地点，并执行准确的制造执行，同时向系统汇报准确的执行状态与制造流程数据。系统功能示意图如图11所示。

5.2.5  其他管理系统

包含办公信息化系统等在内的其他管理系统，支撑相关业务的信息化管理。

5.3  工厂级信息系统

工厂级信息系统应用主要包含制造执行系统（MES）、能源管理系统（EMS）。

5.3.1  生产执行系统（MES）

MES系统从企业级信息系统中获取相关主数据信息和订单信息，用于制造过程的执行控制。其应用架构如图12所示。

5.3.1.1  制造执行层

在制造执行层主要包括：

（1）系统集成层

面向与MES系统外部的应用系统的集成[11]。在该层次将使用集成工具（Iface），支持多种通信协议（如TCP/IP、数据库及文件等），适应系统功能扩展。

（2）订单管理层

在订单管理层又包括：主数据管理、文档管理、项目管理、订单管理、仓库管理、设备管理、质量管理、物料管理、物流管理、追溯管理、能源管理、环境管理、制造成本管理等部分。

5.3.1.2  计划管理层

排产计划系统（APS）可以依据生产能力、工艺要求等制约因素对生产订单进行详细计划排产：根据工艺要求将工序安排到具体的设备。此外它也根据工艺顺序，在排产时考虑工序的前后关系，实现不同工序之间生产计划的联动[12]。这样的排产可以考虑到两方面情况：产能限制（有限产能计划）和工艺要求。

（1）计划优化

APS提供多种计划评估功能，并支持订单优先级、紧急程度的设置，在生产限制条件的情况下帮助企业满足订单交付并最大化综合设备效率。

APS可以识别生产流程中的瓶颈。对识别的瓶颈，APS提供易用的功能，支持计划员消除复杂工艺的瓶颈。

APS支持生产计划预编制和模拟仿真功能，对未来的产能与订单交付情况进行评估，支持企业的决策。

（2）生产过程控制

APS提供用户车间的实时情况（当前生产工序，生产进程，工序进程，异常等信息）及其对计划的影响。通过可视化的计划以及计划执行情况，使车间透明化。这样就可以最小化工区到计划部门的反馈时间，同时APS支持根据车间现场执行完成情况实时更新生产计划。计划员的排产结果会自动传递回工区，以此提升生产管理的灵活性[13]。

APS模块作为集成在MES系统中的专业的计划工具需具备以下功能模块：

a.图形化的计划编制界面，支持在甘特图上进行计划，且计划可以限定在一定的时间范围内（月度，周、或自定义时间范围）；

b.APS能够承接来自上层系统的主数据信息（项目号、生产批号、工号、材料情况等），并支持对车间现场的设备能力进行建模，包括设备数量、设备产能信息等；

c.按照实际订单与生产能力数据，APS可以支持用户进行无限产能、有限产能、订单优先级等多种排产策略的生产计划编制；

d.提供生产计划预编制和模拟仿真功能；

e.提供多种决策支持功能，包括产能平衡分析、生产完成周期评估、生产瓶颈分析；

f.支持根据车间完成情况实时更新详细生产计划；

g.支持工位生产日历与班次的管理；

h.编制计划时可以考虑各种约束条件，如当前时间，前序工序、后继工序关系，指定的工序可选执行工位；

i.根据车间现场反馈的数据实时显示工序和订单的执行进度；

j.用不同的颜色显示工序的生产状态（开始、结束、部分完成、已完成）；

k.车间布局图展示车间现场工位状态、工艺参数与生产执行情况。

5.3.1.3  生产管理层

生产管理层主要面向车间管理层，包括面向车间层的基础数据、生产工单、派工、报工及工时的管理；作业执行管理主要针对工序的作业执行进行管理。

车间层基础数据主要分为两类：人员主数据和终端数据。人员主数据主要指现场的所有作业人员，即所有需要在现场终端上进行操作的人员。终端数据指针对现场操作终端的管理数据，通过终端的定义，可从终端的维度进行操作权限的控制。基础数据的具体内容如下：

当订单管理层的生产工单状态变为释放状态，则车间层就可以对这里的生产工单进行派工操作，工单中的工序作业时间也会及时得到来自作业排程模块的更新数据。通常，车间层应该严格根据排程结果执行工单，但车间层有时也会发生计划无法料及的情况，因此车间管理人员也可以在本模块中对生产工单的执行或工单相关信息进行调整，如调整信息与其他模块相关，系统也会将信息向其他模块进行传递，以实现信息的同步。通过月计划、周计划和日计划，分厂、工区和工段的工作都分配到班组。

5.3.1.4  作业执行层

作业执行管理主要针对工序的作业执行过程，这些功能主要面向车间中的具体作业人员，功能主要包括了工序作业状态的采集、关键物料信息采集、质检作业信息采集、设备信息采集、人员信息采集、工时信息采集、工艺参数采集等等，这些信息根据实际现场情况可能自动采集，也可能是来自现场作业工人的反馈；也包括了作业辅助信息的查询，如相关电子作业文件及指导书等。

（1）报工。每位员工都要根据他每天的工作任务将所有动作详细的反馈到系统中。报工操作类型：上班打卡、下班打卡、工序开始、工序中断、工序继续/重启、休息开始、休息结束、绝对数量报工、相对数量报工、集体作业等。

（2）追溯信息采集。基于质量追溯管理的要求，需要对产品制造过程建立信息可追溯体系，因而需要对生产作业过程中的追溯相关信息进行采集，相关信息的采集活动往往伴随着作业活动。追溯的信息通常包括人员信息、产品信息、物料信息、设备信息、工装器具信息和工艺参数信息等。

（3）质检反馈。根据在订单管理层质检策划的要求，在作业执行时，系统可获取到具体工序所对应的质检要求信息，作业人员或质检人员需要对相应质检项点进行检验结果的反馈。当工序上所要求的所有质检项点全部质量检验合格后，该工序在可以进行完工操作。

（4）设备维护/维修。设备维护计划在订单管理层进行管理。当根据已批准的设备维护计划在相应设备上执行维护作业时，可以在该设备对应的软件终端中进行维护作业的相关操作，以反馈维护作业的状态，及记录维护作业过程信息。

（5）异常报告。当在生产作业过程中，不可避免的会遇到一些异常情况，当这种情况发生时，即可以第一时间在终端中记录异常事件信息。该信息会被通过预先定义的传播方式发送给相关的处理人员。

（6）转序控制。在作业过程中，为保证生产过程质量控制，可以为工序转序操作定义相关规则，以控制质量。

（7）实动工时。基于工人必须对所处工序进行反馈，无论是生产性工序，还是非生产性工序，则系统可以准确的计算出工序作业所消耗的实际工时数据。

（8）移动设备。支持现场移动作业人员的系统操作需求，通常为仓库作业人员和质检作业人员。但基于移动设备屏幕大小的限制，相应所使用的功能力求简单、明确。

5.3.2  能源管理系统（EMS）

节能、环保是当今企业营运的目标和国家环保要求之一。通过建立能源信息采集与能源信息管理两个功能层次构成的能源管理网络，实现对本项目工厂电能、天然气等可燃性气体（乙炔等）、压缩空气、循环水、自来水等能源介质的自动检测与调度管理，优化能源分配结构，提升能源使用效率与能源使用安全，从而实现降低能源消耗与制造成本[14]。系统架构如图13所示。

信息系统架构的能源管理系统主要负责能源信息的采集以及能源信息预处理，通过企业数据总线与ERP系统进行数据集成，由ERP系统进行能源消耗成本核算、能源预测与集中采购等相关操作。

5.3.2.1  数据采集

能源管理系统的功能实现是建立在基础能源数据采集的基础之上。因此，需要对能源介质测量仪表（包括水、电、气）进行必要的能源仪表改造，完善数据采集系统，以下以电能的数据采集为例进行说明：

企业需对电表内部的显示、电源、通信方式等功能进行重新设计，并集成WIFI通信模块，可将采集的电能数据基于WIFI无线传输于后台服务器进行统计分析，各功能区形成简单的独立模块，可按需进行拼接组合，24小时不断电实时传输，方便用电的自动化管理。  

5.3.2.2  集中监控

企业还需建立完备的能源（包括水、电、气（天然气）等）集中一体化监控系统。调度人员和专业能源管理人员就能实时掌握系统运行情况。以电能监控为例：

（1）通过系统数据能反映设备真实利用率：从对单台设备开关机、待载、负载等信息的分析，到对整个生产线核心设备信息的集成，为单个设备如何更有效使用以及如何提高生产线的设备加工产能提供数据支撑。

（2）通过系统数据能监控设备状态：通过图表、图形等可视化形式仿真模拟设备运行状态，对电流、电压等进行监控，为设备如何更有效的开展预防性维护提供数据支撑：

（3）通过系统数据能发现用电规律：通过对制造厂生产、办公、生活用电量的统计，对峰谷平用电占比的分析，为如何更有效的用电提供数据支撑。

5.4  过程级数据采集系统

5.4.1  工业物联网操作系统

智能网关通过RS485、PPI、MPI、ProfiBus、MC等总线协议连接工业现场PLC，分别采集各个装配工位的设备运行状态信息如链条实时速度、线体各工位运行状态等[15]。智能网关会将采集到的数据进行分类筛选，通过工业现场总线Modbus Tcp、OPC、UA等一些传输至MES系统做处理。物联网架构如图14所示。

 5.4.2  工业SCADA系统

数据采集通常有两种，一种是从数据源收集、识别和选取数据的过程。另一种是数字化、电子扫描系统的记录过程以及内容和属性的编码过程。数据采集系统包括了：可视化的报表定义、审核关系的定义、数据填报、数据预处理、数据评审、综合查询统计等功能模块。通过信息采集网络化和数字化，扩大数据采集的复盖范围，提高审核工作的全面性、及时性和准确性；最终实现相关业务工作管理现代化、程序规范化、决策科学化，服务网络化[16-17]。系统功能网络架构如图15所示。

数据采集系统（设备）：从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程，结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集系统（网络）：用来批量采集网页等的内容，直接保存到数据库或发布到网络的一种信息化工具。可以根据用户设定的规则自动采集原网页，获取格式网页中需要的内容，也可以对数据进行处理。

其主要功能如下：

（1）实时采集来自生产线的产量数据或是不良品的数量、或是生产线的故障类型（如停线、缺料、品质），并传输到数据库系统中；

（2）接收来自数据库的信息：如生产计划信息、物料信息等；

（3）传输检查工位的不良品名称及数量信息；

（4）连接检测仪器，实现检测仪器数字化，数据采集仪自动从测量仪器中获取测量数据，进行记录，分析计算，形成相应的各类图形，对测量结果进行自动判断，如在机械加工零部件的跳动测量、孔径等测量。

6  结束语

钢结构制造业属于高度离散型制造业，因其自身制造模式和产品特性，对其生产制造过程的系统集成必然只能实现一定程度的智能化，在制造关键工艺、高重复性工序，劳动强度大等环节可通过采用自动化数控设备进行数据集成和系统集成，实现车间整体生产制造过程通过企业统一信息化管理，完成生产制造一定程度的智能化，将能够大大提升生产效率和管理效益。

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