管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計

孫學(xué)榮，黃捷春，卞正偉

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇海門 226100）

0 引言

隨著造船行業(yè)的飛速發(fā)展，“現(xiàn)代總裝化造船”和“數(shù)字化造船”的實施得到了廣大船舶企業(yè)的充分重視，而管子生產(chǎn)成為“數(shù)字化”、“綠色造船”的關(guān)鍵組成部分。因此，要實現(xiàn)數(shù)字化造船必然需要數(shù)字化管子生產(chǎn)的支持，同時數(shù)字化管子生產(chǎn)是解決我國目前面臨的管子生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備瓶頸的重要途徑。

本文設(shè)計一種高效的管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)，涉及管子智能制造領(lǐng)域，包括設(shè)計管理、計劃管理、倉庫管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、報表管理、看板管理、移動辦公、系統(tǒng)管理、安全管理、接口管理及數(shù)字化建模，這些管理模塊均部署在云端應(yīng)用服務(wù)器上，所述數(shù)字化車間管理系統(tǒng)還配有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。本設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立三維虛擬數(shù)字化車間，并采用基于遺傳算法優(yōu)化的自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對三維模型進(jìn)行輕量化處理，將三維虛擬數(shù)字化車間運用到數(shù)字化車間管理系統(tǒng)，能夠直觀、具體地反映車間各個流程的執(zhí)行情況，使企業(yè)用戶的車間管理更加貼近車間實際場景，進(jìn)一步提高企業(yè)車間的智能化水平。

1 傳統(tǒng)的管子生產(chǎn)管理模式

多年來我國造船業(yè)管子生產(chǎn)普遍沿用傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式，這種傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式存在諸多缺點，成為制約造船生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高的瓶頸之一。其主要缺點如下：

1）設(shè)計工作和管子生產(chǎn)流水線的數(shù)據(jù)不通，造成設(shè)計和現(xiàn)場生產(chǎn)脫節(jié)嚴(yán)重

（1）工藝數(shù)據(jù)物料清單（Bill of Material，簡稱：BOM）采集不足，工藝數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，管材套料匹配差。

（2）技術(shù)中心出圖與實際物資托盤的匹配不符合要求，托盤完整性低。

（3）現(xiàn)場需要手工拆分小票圖和核對技術(shù)中心下料數(shù)據(jù)。

2）生產(chǎn)線控制系統(tǒng)智能化程度不足，系統(tǒng)不能完全自動化調(diào)度

（1）生產(chǎn)線管理軟件核心功能不完善，只進(jìn)行管子分組的表面管理，未進(jìn)行深層次的生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱：MES）管理開發(fā)，缺乏足夠的管子全流程的工藝管理。

（2）生產(chǎn)線管理軟件不能進(jìn)行工位級的高級排程，不能根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際對生產(chǎn)計劃進(jìn)行自動調(diào)度。

（3）沒有自動化的物流系統(tǒng)，工件的傳輸只能采用人工控制或者半自動控制。

（4）管件加工完成后，后道工序沒有實現(xiàn)智能軟件自動管理，無法實現(xiàn)不同流程管子配不同托盤，無法做到自動抽檢探傷比例、自動抽檢試壓、表面處理等。

3）車間生產(chǎn)信息不透明

（1）管子生產(chǎn)沒有MES系統(tǒng)管理，不能獲取管子實時生產(chǎn)情況，無法用寸徑來管理工人的工時。

（2）沒有車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，簡稱：SCADA）系統(tǒng)，只可以通過巡檢點檢的機(jī)制來檢測設(shè)備的參數(shù)，無法做到設(shè)備的統(tǒng)一檢測和維修。設(shè)備停機(jī)對生產(chǎn)的影響很大。

（3）只能通過紙質(zhì)圖紙來指導(dǎo)生產(chǎn)，沒有指導(dǎo)材料配送的系統(tǒng)。

綜上可知，傳統(tǒng)的管子生產(chǎn)管理模式存在一定的缺陷和不足，亟待設(shè)計者解決該管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)的技術(shù)難題。

2 管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計的高效管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)，配合其高級排程的功能，能夠有效提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工精度，可實現(xiàn)大批量、高質(zhì)量地組織生產(chǎn)。

本設(shè)計采用的技術(shù)方案的主要系統(tǒng)包括企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，簡稱：ERP）系統(tǒng)、船舶中日程計劃排程系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，簡稱：PDM）系統(tǒng)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)、車間 MES系統(tǒng)、高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，簡稱：APS）系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控 SCADA系統(tǒng)、立體庫管理（Warehouse Management System，簡稱：WMS）系統(tǒng)、車間拉料（Logistics Execution System，簡稱：LES）系統(tǒng)等先進(jìn)的信息化管理系統(tǒng)。

各系統(tǒng)符合如圖1所示的層次結(jié)構(gòu)。

圖1 管子智能生產(chǎn)線管理系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.1 各主要系統(tǒng)功能

管子加工智能車間總體架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 管子加工智能車間總體架構(gòu)圖[2]

1）企業(yè)ERP系統(tǒng)

它是指建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，集信息技術(shù)與先進(jìn)管理思想于一身，以系統(tǒng)化的管理思想，為企業(yè)員工及決策層提供決策手段的管理平臺，包括對圖紙進(jìn)行審批歸檔，對車間場地進(jìn)行統(tǒng)籌安排，在供應(yīng)鏈模塊負(fù)責(zé)材料購買和庫存管理。

2）船舶中日程計劃排程系統(tǒng)

船舶建造是項目制的生產(chǎn)，計劃的編排有其獨特性。根據(jù)企業(yè)的經(jīng)營情況編排線表計劃，然后根據(jù)線表計劃編排大日程計劃，再根據(jù)技術(shù)中心對于船舶分段的劃分及其關(guān)鍵的搭載順序，編排搭載計劃，從而推算出中日程計劃，中日程計劃作為管子高級排程的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。

3）PDM系統(tǒng)

該系統(tǒng)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)把設(shè)計的模型轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場的生產(chǎn) BOM，即管子的產(chǎn)品數(shù)據(jù)從設(shè)計BOM轉(zhuǎn)化到工藝BOM，再轉(zhuǎn)化到制造BOM的過程。在本文設(shè)計的PDM系統(tǒng)中，可以接收從AVEVA Marine導(dǎo)出的IDF文件，并進(jìn)行自動的工藝拆分，最后生成生產(chǎn) BOM，并傳送到負(fù)責(zé)生產(chǎn)的 MES系統(tǒng)中，并且傳送零件表給供應(yīng)鏈系統(tǒng)，來提供采購的準(zhǔn)確性。

4）供應(yīng)鏈系統(tǒng)

材料是全面質(zhì)量管理理論中的5個影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一，本文設(shè)計包含的供應(yīng)鏈系統(tǒng)負(fù)責(zé)材料的采購和庫存管理，從PDM中獲取的零件表是其采購數(shù)據(jù)的來源，配合其高效的物資需求計劃（Material Requirement Planning，簡稱：MRP）計算和庫存管理，可以做到及時合理購買材料，減少生產(chǎn)等待時間，提高材料利用率。

5）高級排程APS系統(tǒng)

利用遺傳算法等高級算法，通過中日程計劃的數(shù)據(jù)，庫存數(shù)據(jù)的讀取以及生產(chǎn)工位、工藝路線及其定額的主數(shù)據(jù)，可以編排車間的工位級生產(chǎn)數(shù)據(jù)，達(dá)到最大產(chǎn)出量、瓶頸資源使用率最高及前置時間最短等生產(chǎn)策略。

6）車間MES系統(tǒng)

接收APS系統(tǒng)的排程結(jié)果，與WMS系統(tǒng)交互要料，合理安排車間內(nèi)的生產(chǎn)。系統(tǒng)內(nèi)管子通過四位數(shù)的編碼作為唯一追溯，通過上料防錯的模塊來提示現(xiàn)場管附件的使用，通過其質(zhì)量模塊及時發(fā)現(xiàn)問題并阻止后道工序的投入?？梢陨梢源鐝綖楣芾砭S度的生產(chǎn)報表，使現(xiàn)場工時的計算更加合理，使車間的生產(chǎn)更加有序。

7）設(shè)備監(jiān)控SCADA系統(tǒng)

系統(tǒng)的終端畫面位于設(shè)置在車間的中控室內(nèi)，通過各智能設(shè)備采集的參數(shù)做到生產(chǎn)線的整體監(jiān)控。通過其報表系統(tǒng)可以系統(tǒng)地分析現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)效率，提升設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，簡稱：OEE）。

8）立體庫管理WMS系統(tǒng)

作為車間管子原材料立體庫的管理系統(tǒng)，配合先進(jìn)的立體庫設(shè)備，應(yīng)用先入先出的原則，與生產(chǎn)系統(tǒng)做接口，可以做到及時上料、材料在庫時間最短。

9）車間拉料LES系統(tǒng)

根據(jù)PDM系統(tǒng)對圖紙的分解，合理調(diào)配車間內(nèi)的物流資源，把各管附件及時配送到各裝配工位，確保材料配送的準(zhǔn)確性，減少人員因配料而浪費時間。

2.2 系統(tǒng)主要技術(shù)特點

1）設(shè)計工作和管子生產(chǎn)流水線的數(shù)據(jù)聯(lián)通，設(shè)計和現(xiàn)場緊密貼合

（1）以MES管理系統(tǒng)為核心，輸入經(jīng)PDM系統(tǒng)轉(zhuǎn)化來的生產(chǎn) BOM，導(dǎo)入由中日程計劃為依據(jù)進(jìn)行的高級排程結(jié)果，讀取倉庫的庫存信息，統(tǒng)籌車間的生產(chǎn)。在生產(chǎn)線上可以自動為設(shè)備生成相應(yīng)的數(shù)控指令，匹配相應(yīng)工裝夾具、自動為管子選擇 WPS等，同時將所需物料通過物流系統(tǒng)自動配送到工位的緩存區(qū)。

（2）從技術(shù)軟件AM 中導(dǎo)出含有管子加工必要工藝信息的IDF文件，通過PDM系統(tǒng)解析成管子生產(chǎn)的小票圖和材料清單，企業(yè)ERP系統(tǒng)下載小票圖并進(jìn)行審批歸檔，材料清單用于供應(yīng)鏈的采購。

（3）ERP系統(tǒng)提供每個托盤管子制作的計劃開工和計劃完工時間。管線MES系統(tǒng)的APS模塊根據(jù)導(dǎo)入的托盤制作計劃及供應(yīng)鏈系統(tǒng)提供的庫存信息，自行完成加工路徑的計算及各個工位的高級排產(chǎn)（滿足托盤完成計劃的前提下，自動確定每個加工任務(wù)在各工位的加工時間，自動平衡各工位的作業(yè)負(fù)荷，可根據(jù)插單、設(shè)備故障、原材料問題等自動調(diào)整產(chǎn)線的計劃時間），并將生產(chǎn)過程中將每根管子的完工狀態(tài)反饋給ERP系統(tǒng)。

（4）供應(yīng)鏈系統(tǒng)提供管子加工所需材料的庫存信息，用于管線MES系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)前材料滿足情況的檢查。供應(yīng)鏈系統(tǒng)還負(fù)責(zé)管線材料的采購，確保材料能按期入庫。

（5）管線MES系統(tǒng)具備生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)采集、異常預(yù)警、歷史信息、系統(tǒng)集成、各種報表分析等功能，所有報表模板可以自行配置，并能夠滿足中控室各類監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)需求。具有管子從設(shè)計到管子上船安裝全生命周期的管理功能。

2）生產(chǎn)線控制系統(tǒng)智能化程度以及配備自動化物流系統(tǒng)

（1）生產(chǎn)線管理軟件核心功能完善，可進(jìn)行深層次的 MES管理開發(fā)，能夠進(jìn)行管子全流程的工藝管理。

（2）生產(chǎn)線管理軟件完全可以進(jìn)行工位級的高級排程，能根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際對生產(chǎn)計劃進(jìn)行自動調(diào)度。

（3）配備自動化的物流系統(tǒng)，工件可以通過軟件系統(tǒng)指令配合物流輥道自動調(diào)配傳送到所需工位。

（4）管件加工完成后，后道工序完全實現(xiàn)智能軟件自動管理，可以實現(xiàn)不同流程管子配不同托盤，可以做到自動抽檢探傷比例、自動抽檢試壓、表面處理等。

3 結(jié)論

管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)實現(xiàn)了人、控制系統(tǒng)和設(shè)備之間的相互補(bǔ)充與協(xié)調(diào)。工藝數(shù)據(jù)流、加工信息流及物流系統(tǒng)集成使所需人工的數(shù)量大幅減小，使設(shè)備在有效時間內(nèi)的工作效率和原材料的利用率均有大幅提升。更重要的是，通過數(shù)字化管理系統(tǒng)的應(yīng)用，管理者可對項目的進(jìn)行狀態(tài)實時監(jiān)控，并可根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)準(zhǔn)確地控制時間節(jié)奏和成本等。因此，管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)的高效、快速、精確的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，從而滿足多品種、高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求。隨著企業(yè)信息化和自動化應(yīng)用水平的不斷提高，管子智能生產(chǎn)線數(shù)字化管理系統(tǒng)的改進(jìn)和推廣將會對船舶管道加工制造能力和水平的提高作出重大貢獻(xiàn)。