船舶分段制造執行系統模型研究

俞 峰

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

現代造船模式下，為實現“以中間產品為導向”原則組織生產和編制生產計劃，將生產進行空間上分道，并優化資源分配，達到生產連續、負荷均衡的目標，國內各主要船廠紛紛通過實施部署 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems，計算機集成制造系統）或 ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源規劃）作為管理工具，以支撐企業資源與計劃管理體系的科學運行，并取得一定效果。但由于缺乏企業級計劃管理層與底層車間控制層之間的“橋梁”，CIMS或ERP往往無法實現對企業生產現場信息進行及時有效的管理。近年來，借鑒其他行業制造執行系統 MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）的研究與實踐成果，國內船舶行業也開展了大量關于船舶MES系統的應用研究。MES系統可以有效地幫助船舶企業解決公司層面生產計劃與車間生產調度管理聯系不緊密的問題，是船舶企業推動管理向車間控制層延伸的關鍵管理工具，本文依托廈門船舶重工股份有限公司承擔的工信部智能制造新模式項目和某型郵輪型客滾船建造項目，開展船舶分段制造執行系統模型研究。

1 船舶分段建造計劃層次與信息流模型研究

在制造企業中，MES系統幾乎不可能獨立運行，美國先進制造研究機構（AMR）將MES系統定義為：“位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統”，為操作人員、管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等方面）的當前狀態。

船舶分段建造是總裝造船模式的關鍵，船廠的自動化/標準化生產主要集中在分段制作階段，故將本次研究的主要范圍定位為分段制造車間MES系統研究。參考國際儀表學會（ISA）編制的ISA-SP95企業控制系統集成標準功能層次模型（見圖1），結合生產實踐建立了船廠MES系統集成信息流模型，如圖2所示。

圖1 企業控制系統集成標準功能層次模型

圖2 船廠MES系統集成信息流模型

從模型中可以看出，MES系統位于計劃管理層和底層控制之間，是企業計劃管理信息、物流信息、工藝信息和車間班組級生產數據信息的交匯點。車間級生產管理是MES系統的根本任務，MES系統實現了對車間級生產信息的實時掌握和反饋，是支撐公司級計劃正常運行的關鍵層級。

為支持自身的正常運行，MES系統要從上層系統獲取必要的數據信息。以船廠分段制作車間生產為例：MES進行生產調度需要以ERP系統提供的分段建造計劃信息為約束，并考慮鋼材物資到貨集配等信息；PDM系統為MES系統提供實際生產所需的生產物量、零件表信息、組立信息、套料信息、圖紙等；從數字式切割、加工、焊接設備、數字式生產線控制系統、人工采集等多個途徑反饋的生產數據，由MES系統用于生產監控、物量考核與分析評估。

從時間因素分析，船廠的計劃管理層ERP系統考慮的問題域集中在公司級的中長期計劃管理方面，具體應是線表計劃、主計劃/搭載計劃、中日程計劃、生產管理部月度計劃層級，時間因子=100X，執行層 MES系統的問題域集中在車間班組層級的生產任務協調安排問題，時間因子=10X，控制層系統則必須實時下達生產指令和接收生產狀態信息，時間因子=1X。3個層面互聯互通共同實現企業信息流的連續運轉，支撐企業正常運行，如圖3所示。

圖3 ERP、MES、PCS這3層時間因素

2 船舶分段制造執行系統功能模型研究

現代造船企業一般是按訂單生產的離散型制造模式，傳統的MES系統實際上無法滿足船廠生產的敏捷性、特異化要求，在實際應用中需要充分結合船廠生產特點構建MES系統，以確保MES系統能真正為企業生產管理帶來實效。

研究目前主流的MES功能模型，參考ISA提出了8個功能的模塊模型（產品定義管理、產品資源管理、詳細生產排程、生產調度、生產執行、生產跟蹤、產品數據采集分析），結合對船廠PDM、ERP系統運行基礎和分段制作車間生產管理模式的理解，構建了基于船廠實踐的船舶分段制造執行系統功能模型，力求能夠直接推動MES系統在船廠分段制造車間落地執行。

2.1 產品數據模塊

對應ISA模型的產品定義管理模塊，主要內容是與產品設計相關的信息，包括產品基礎信息（號船/分段）、制造BOM、工藝文件、圖紙等。如圖4所示。

圖4 產品數據模塊功能模型

2.2 車間資源數據模塊

對應ISA模型的產品資源管理模塊，主要內容是生產過程中所使用的各類生產要素，包括車間組織架構/人員信息、加工制造設備/生產線信息、工裝設備信息、物料集配信息。如圖5所示。

圖5 車間資源數據模塊功能模型

2.3 生產計劃與調度管理模塊

涵蓋了ISA模型的詳細生產排程、生產調度、生產執行、生產跟蹤、產品數據采集分析5個模塊功能。該模塊是 MES系統的核心模塊，主要內容（見圖6）如下。

圖6 生產計劃與調度管理功能模型

1）作業標準定義：對分段建造的標準工序、標準作業類型進行定義，并據此生成號船作業任務清單。

2）車間計劃管理：根據物料集配和圖紙下達計劃/實際情況，將ERP下達的分段建造中日程計劃根據作業任務分類分解為車間級各工序月度計劃、周計劃，如下料月計劃、小組立月計劃、小組立周計劃等；

3）作業派工管理：按車間級計劃安排，以標準作業對象為維度，班組為對象進行作業派工，如根據車間下料計劃按單元給某個預處理班組派工；

4）內托集配管理：為準確實現對車間內物流的跟蹤，以零/部件類型、工藝流向為依據，由系統自動生成標準虛擬托盤，車間班組在轉序環節選取虛擬托盤的零/部件，登記到車間實物托盤；

5）生產跟蹤統計分析：車間管理層根據計劃反饋、作業反饋、托盤信息反饋掌握車間日、周、月的計劃、物量完成情況、車間物流情況，分析計劃實際完成信息、車間生產效率信息，及時進行生產計劃和派工調整，保障車間物流順暢、生產連續。

2.4 質量管理模塊

在ISA模型中沒有涉及質量管理的功能，但車間管理有必要覆蓋設計質量管理、制造質量管理以及設備運行記錄信息的分析管理功能，為企業實現全面質量管理、進行產品質量追溯提供基礎數據。

2.5 基礎管理模塊

主要包含國家、船級社、船東、船型、日歷定義，用戶管理、權限管理、日志管理等功能。

3 關鍵信息集成基礎研究

船舶分段制造執行系統的模型研究，必須以車間工序標準化、制造工藝信息標準化為基礎，關注關鍵信息集成的研究，重點應包括PDM與MES集成標準研究、ERP與MES集成標準研究、MES與設備物聯的集成標準研究等方面內容，本文限于篇幅不再展開。

4 結論

本文通過研究MES的相關理論以及模型，結合對造船企業分段建造相關業務流程以及造船設計、PDM、ERP等信息系統集成信息的研究，提出了船舶分段制造執行系統集成信息流模型。目前，相關模型已用于指導企業MES系統開發部署實踐。MES系統的實施應用可以逐步幫助船廠車間管理人員從繁重的現場“救火式”調度和手工作業中解脫出來，真正提升船廠車間的生產管控水平。