海洋工程制管車間智能制造規(guī)劃布置方案

錢蔚鑫

（中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063）

0 引 言

目前，我國的海洋工程企業(yè)正由傳統(tǒng)的勞動密集型企業(yè)成長為多功能、集成化的海洋工程總裝廠[1]。在“智能制造”的背景下，海洋工程企業(yè)對自動化和智能化的要求越來越高，由此對海洋工程產(chǎn)品生產(chǎn)車間的規(guī)劃設(shè)計和改造提出了更高的要求[2-3]。

海洋工程產(chǎn)品主要包括甲板片體、結(jié)構(gòu)管和工藝管等，其中結(jié)構(gòu)管的質(zhì)量和尺寸大，品種和數(shù)量多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。在傳統(tǒng)的工位生產(chǎn)模式下，主要的結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工作由人工完成，制管車間工人的需求量較大，導(dǎo)致工人成本和管理成本較高，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量穩(wěn)定性不易保證[4]。本文借鑒工藝管自動和半自動生產(chǎn)工藝，通過研究，提出并確定合適的制管車間智能制造規(guī)劃布置方案，使制管車間的生產(chǎn)效率得到有效提升。

1 海洋工程制管車間規(guī)劃布置方案

1.1 海洋工程結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝

海洋工程結(jié)構(gòu)管是指與海洋平臺有關(guān)的大型管件，是導(dǎo)管架、隔水套管、鋼樁管、組塊立柱和組塊拉筋管等裝置的重要構(gòu)件[5]。鋼結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝主要包括切割、預(yù)壓、卷管、縱縫焊接和環(huán)縫焊接等結(jié)構(gòu)管制作及成品存放工作，工藝流程圖見圖1。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝流程圖

在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)管過程中，部分管件需進(jìn)行相貫線切割。此外，結(jié)構(gòu)管環(huán)縫焊接完成之后的長管接長工作可在室外進(jìn)行。

1.2 制管車間規(guī)劃布置方案

為提升制管車間的生產(chǎn)效率，需在制管車間內(nèi)布置適當(dāng)?shù)闹悄芑O(shè)備，并配置信息化系統(tǒng)，以提高車間的自動化和信息化水平。對于硬件布置方案，確定以下原則：

1) 焊接工位為瓶頸工位，對制管的影響最大，且需要的工人數(shù)量最多，考慮到經(jīng)濟(jì)性，僅在焊接工位配置智能化設(shè)備，而卷管等工位暫不考慮配置智能化設(shè)備；

2) 由于結(jié)構(gòu)管的尺寸較大，生產(chǎn)工藝繁雜，且在卷板階段需進(jìn)行較長時間的報驗工作，無法在從切割到接長的所有階段都進(jìn)行生產(chǎn)線模式的生產(chǎn)，因此僅考慮在局部布置輥道裝置進(jìn)行產(chǎn)品運輸，其他環(huán)節(jié)仍采用起重機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品運輸。

根據(jù)以上原則，結(jié)合先進(jìn)企業(yè)常用的生產(chǎn)模式，提出以下3種工藝布置方案。

1.2.1 方案一

將制管車間規(guī)劃為2 條生產(chǎn)線。首先，在中間設(shè)置物流通道，鋼板從制管車間中部進(jìn)入，流向車間兩側(cè)，分別進(jìn)行切割、預(yù)壓、卷管、縱縫焊接和小組環(huán)縫焊接等工作；其次，配置輥道，進(jìn)行跨間運輸；接著在第二跨進(jìn)行相貫線切割和環(huán)縫焊接；最后，管件從中間物流通道運出。該方案中的焊接工位配置智能焊接設(shè)備。圖2 為方案一布置圖和物流方向示意。

圖2 方案一布置圖和物流方向示意

1.2.2 方案二

制管車間第一跨的功能為切割、預(yù)壓、卷管、縱縫焊接和環(huán)縫焊接，在焊接區(qū)布置輥道，用于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)管的自動化運輸；第二跨的功能為相貫線切割和環(huán)縫焊接接長。該方案中的焊接工位配置智能焊接設(shè)備。圖3 為方案二布置圖和物流方向示意。

圖3 方案二布置圖和物流方向示意

1.2.3 方案三

制管車間第一跨的功能為切割、預(yù)壓和卷管；第二跨的功能為縱縫焊接、環(huán)縫焊接和相貫線切割，在縱縫焊接區(qū)至相貫線切割區(qū)設(shè)置輥道和自動化液壓運輸裝置，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)管的自動化運輸。該方案中的焊接工位配置智能焊接設(shè)備。圖4 為方案三布置圖和物流方向示意。

圖4 方案三布置圖和物流方向示意

1.3 規(guī)劃布置方案比較

對上述3種方案進(jìn)行對比分析，從有效工作面積比率和工藝方案優(yōu)缺點2 個方面進(jìn)行比較選擇。

1.3.1 有效工作面積比率

為衡量車間面積的有效利用率，將有效工作面積比率η定義為

式(1)中：EA為實際生產(chǎn)占用的面積（不包括物流通道）；A為車間的軸線面積。

由式(1)計算得到有效工作面積比率結(jié)果見表1。

表1 有效工作面積比率計算結(jié)果

通過比較可知，方案三的有效工作面積比率最大，即可用于實際生產(chǎn)的面積最大。

1.3.2 工藝方案優(yōu)缺點

1) 方案一：將車間分為左、右2 條生產(chǎn)線，生產(chǎn)過程中的物流路徑變短，有助于縮短運輸周期，但設(shè)置中間通道會造成一定的面積浪費，且相同功能的生產(chǎn)區(qū)域被分成左、右兩側(cè)，與“成組技術(shù)原理”有一定的偏差，會造成人員調(diào)度的難度增大，同時公用動力等配置必須分開布置，會導(dǎo)致車間建造成本增加。

2) 方案二：將鋼板切割、預(yù)壓、卷管、縱縫焊接和環(huán)縫焊接等工位布置在同一跨，設(shè)備較密集，車間第一跨面積使用率較高，但若生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，比如結(jié)構(gòu)管圓度不夠需重新壓制，第一跨可能會存在返工所需使用面積不足的問題，返工難度大。因此，若選擇方案二，需在生產(chǎn)各階段嚴(yán)格保證生產(chǎn)質(zhì)量，這對企業(yè)生產(chǎn)和管理等方面的要求非常高。

3) 方案三：將鋼板切割、預(yù)壓和卷管工位布置在第一跨，設(shè)備布置較分散；將縱縫焊接和環(huán)縫焊接工位布置在第二跨，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間配置輥道和自動化液壓運輸裝置進(jìn)行產(chǎn)品運輸。一旦在報驗過程中發(fā)現(xiàn)圓度不夠等問題需返工，可在第一跨的緩存位置進(jìn)行臨時調(diào)度。

3種方案的優(yōu)缺點匯總見表2。

表2 3種方案的優(yōu)缺點匯總

通過比較可知，方案三的有效工作面積比率最大，工藝環(huán)節(jié)布置比較合理。此外，國內(nèi)企業(yè)在焊接縱縫前對結(jié)構(gòu)管進(jìn)行報驗一般會消耗較長的時間，且因圓度問題返工的產(chǎn)品存在一定的比例，因此在卷板區(qū)域預(yù)留空間符合企業(yè)的要求。綜上分析，方案三為最佳方案。

1.4 海洋工程制管車間信息化方案

為提高生產(chǎn)過程中的信息傳遞效率，制管車間需布置制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES），建立制管車間、生產(chǎn)線和焊接設(shè)備等主要工作單元的信息化聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)，將上級部門下發(fā)的工作任務(wù)分解為對應(yīng)生產(chǎn)線和設(shè)備的工作序列，并實現(xiàn)與設(shè)備的自動對接，下發(fā)生產(chǎn)程序，從而提高生產(chǎn)管理水平。

2 方案實施和仿真驗證

2.1 方案實施

以某一典型現(xiàn)代化海洋工程總裝廠為例，其制管車間的3m 管段年產(chǎn)量約8700 段。通過分析該制管車間的生產(chǎn)物量，按方案三的布局方法進(jìn)行車間布置。在車間的焊接區(qū)域布置智能焊接設(shè)備，其中：布置智能縱縫焊接設(shè)備，用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)管縱縫焊接；布置智能內(nèi)環(huán)縫焊接設(shè)備和智能外環(huán)縫焊接設(shè)備，用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)管環(huán)縫焊接。在焊接區(qū)域之間配置輥道和自動化液壓運輸裝置，用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)管運輸，工藝布置圖見圖5，焊接設(shè)備配置見表3。智能焊接設(shè)備配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)和焊縫跟蹤系統(tǒng)，可實現(xiàn)對自動焊接和焊接過程的實時監(jiān)控，從而提高焊接質(zhì)量和焊接效率。在焊接過程中可實現(xiàn)對焊接電流、焊接速度和焊接時間等參數(shù)的統(tǒng)計和上傳，通過大數(shù)據(jù)分析得出最優(yōu)的焊接參數(shù)決策。

圖5 焊接區(qū)域工藝布置圖

表3 焊接設(shè)備配置

2.2 仿真驗證

根據(jù)設(shè)備的布置情況，結(jié)合產(chǎn)品在各工位的工時數(shù)據(jù)，基于Plant Simulation 平臺建立仿真模型，對8700 個管段進(jìn)行生產(chǎn)仿真，仿真模型見圖6。仿真結(jié)果顯示，生產(chǎn)這些產(chǎn)品所需時間為208d，少于每年的250 個工作日，說明該布置方案的生產(chǎn)能力能滿足生產(chǎn)需求。

圖6 仿真模型

3 結(jié) 語

本文研究了海洋工程結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝，提出了制管車間規(guī)劃布置方案，并通過對比分析確定了最優(yōu)方案。此外，以某一典型現(xiàn)代化海洋工程總裝廠為例，根據(jù)其生產(chǎn)物量實施了設(shè)備布置方案，通過仿真驗證了該方案的優(yōu)越性。本文提出的制管車間智能制造規(guī)劃布置方案對國內(nèi)海洋工程基地建設(shè)有示范性意義，可供后續(xù)海洋工程基地的升級改造參考。