管子智能生產線工藝布置設計

韋 剛，殷 超，吳思遠

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇海門 226100）

0 引言

在船舶建造過程中，管子制作是一個重要環節，管子的制造和安裝工時約占整個船舶建造過程一半以上的工時，船上的管子數量多、形狀復雜，萬噸級散裝船中的管子多達萬根。管子生產成為“數字化”和“綠色造船”的關鍵組成部分。因此，要實現數字化造船必然需要數字化管子生產的支持，同時數字化管子生產是解決我國目前面臨的管子加工技術與設備瓶頸的重要途徑，而管子生產線的工藝布置是其中一個重要課題。

相對于傳統的管子生產線，高柔性、高效率綜合管子智能生產線的工藝布置，能夠有效提高生產的效率、降低生產成本、提高加工精度，并且可以實現大批量、高質量地組織生產。

1 背景

1.1 行業現狀

目前國內船廠現有管子生產流水線一般分為小、中、大3條生產線，不能體現柔性生產要求，不利于統籌安排管件的生產。這3條生產線為：

1）小管生產線為公稱通徑DN 15～DN 50的無縫鋼管；

2）中管生產線為公稱通徑DN 65～DN 150的無縫鋼管；

3）大管生產線為公稱通徑 DN 200～DN 500的無縫鋼管。

1.2 傳統管子生產線存在的問題

傳統管子生產線存在如下問題：

1）生產能力不平衡

（1）小、中、大生產線每天的生產能力是不同的，如果3條線都是全負荷生產勢必會使某一產線產出過剩，從而產生庫存；

（2）生產順序不統一，在項目的不同時間和不同需求的要求下，不能滿足按需生產要求，導致成品管件配盤率低；

（3）為滿足后道安裝需求勢必會導致某一產線持續高負荷生產，產生大量加班作業。

2）對生產資料中的數據信息需多道工序拆解，耗費大量工時

（1）初步的任務分配只能對數據信息中的管徑進行區分來匹配小、中、大3條產線；

（2）在某一單一的生產線得到的生產任務中再按加工工序（是否需要彎管、對接焊等）進行工序區分；

（3）產線制作結束后再按試驗要求（探傷、密性、無需密性）再加以區分；

（4）經過以上多層拆解后還不能滿足合作廠商表面處理的要求，最后還要按表面處理方式（酸洗、鍍鋅、打砂油漆等）進行拆解，所有的分解最終在集配中心形成最終的所需托盤。

3）生產線設備的智能化程度低，不能滿足智能制造需要

（1）管子原材料庫存不能實現自動立體庫存儲，生產效率低。

（2）未進行管件表面自動沖砂管管子表面存在銹蝕情況，管子表面需要大量打磨工作來彌補不足；

（3）國內大部分智能制造設備智能化功能不夠完備，需要人工輔助操作，生產效率低；

（4）管件加工的產能大部分靠手工操作來彌補流水線加工量；

（5）不能實現自動噴碼，簡易二維碼粘貼和敲鋼印耗時多。

綜上所述，傳統的管子生產線在產能平衡控制和加工工序環節都存在一定的缺陷和不足，在精益生產理念下傳統的生產模式是產線管理人員和設計人員亟待解決的難題。

2 管子智能生產線工藝布置

針對現有技術的不足，本文設計一種兼具柔性、高效等特點的智能生產線，該產線的工藝布置能夠有效解決傳統產線的生產效率問題、降低生產成本、提高排產精度，可實現大批量、高效率的生產模式。主要設備有：管子自動立體庫、管子自動沖砂設備、管子自動鋸切機、管子自動坡口機、管子自動打碼設備、法蘭/套管組對裝焊一體機、自動數控彎管機、自動化對接焊機和軌道Panther焊機。

2.1 工藝布置

管子智能生產線工藝布置如圖1所示。

圖1 管子智能生產線工藝布置圖

如圖1所示，與上方人工工位相連接的是人工通道，下方的自動工位通過自動通道相連接。

該工藝布局方案結合產量要求，進行生產工藝的合理配置，既考慮了自動化設備和自動化物流，也考慮了人工裝配/焊接工位，確保生產線的柔性和多產品的適用性。生產線的軟件系統具有先進性，可以實現自動排產和任務自動調度，具有生產準備、生產管理、進度反饋、質量跟蹤等功能，能夠實現管件的全生命周期管理。

2.2 主要工藝流程

管子智能生產線工藝流程如下：

1）管子自動立體庫原材料進料按照系統的材料需求清單進行，操作人員通過系統自動排產進行理料，將核對無誤的管子吊運到上料緩存區，并將管子規格、爐批號等信息掃描或輸入到系統，管子由緩存料架上料系統自動放入立體庫。

2）系統根據各生產工位的任務工作包，生成各工作站需要的管附件托盤清單，管附件倉儲人員將各工作站需要的管附件根據計劃安排配送至各個設備工位及人工裝配/焊接工位。

3）管子按照“先進先出”的方式，從管子自動立體庫自動輸出，通過物流輥道自動進入管子自動沖砂設備進行自動沖砂，再進入管子清砂機進行自動清砂作業，全程無人操控。

4）管子沖砂后，根據系統自動調度進入不同的管子自動鋸切機和管子自動打碼設備，其工作順序為先打碼再進行切割。管子打碼采用自動噴墨方式，管件號上采用打碼易被智能線工位智能識別所有管件相關生產信息。

5）管子通徑規格為DN 40～DN 400都通過帶鋸（配相應的坡口機，管子兩端打坡口），切割后需要進行自動焊接的，必須采用冷加工方式確保坡口滿足對接自動化焊接的要求。

6）切割工位的各類切割設備可以從管線信息化管理系統自動接收任務指令和切割的數控程序，切割完成后自動進行完工任務的反饋確認，原則上不需要人為干預自動化作業，僅在系統出現報警時，由巡檢人員進行相關處理工作。切割產生的短料＜600 mm自動落入預先放置的托盤內，根據系統排產指令，通過人工物流輸送方式自動將短管托盤送往短件制作區。產生的余料可在管線旁設置臨時區域進行存放，但原則上盡量通過系統自動套料進行優化，盡量減少余料的產生。

7）一部分管子切割完成后，需要進行自動化對接焊，由物流輥道系統自動運輸到自動化對接焊接工作站的緩存平臺，同時系統將對接管子的各種相關生產信息及指令自動發送到對接焊接的設備的上位機上。

8）一部分管子切割完成后，需要進行裝焊平法蘭、焊接套管等角焊縫，由物流輥道系統自動運輸到法蘭/套管組對裝焊一體機的緩存平臺，同時系統將對接管子的各種相關生產信息及指令自動發送到法蘭、套管焊接的設備的上位機上。法蘭（套管）可采用半自動、自動方式放置組對，實現自動化定位焊以及自動化焊接法蘭（套管）。

9）管子裝焊完法蘭后，如需要彎管，由物流輥道系統自動運輸到彎管工作站的緩存平臺，系統將管子的各種相關生產信息及指令自動發送到彎管設備的上位機上。彎管機在人員監控情況下，可以實現管子帶法蘭（套管）的自動彎管。

10）管子在切割、彎管、一次裝焊完成后，根據管線系統指令的工藝安排，由物流輥道系統自動運輸到半自動、人工作業工作站的緩存平臺，同時系統將對接管子的各種相關生產信息及指令自動發送到各工位的電腦終端上。為提高人工工位效率，減少物流次數，人工工位應盡可能一次形成2D/3D完工管。

11）系統根據各生產工位的任務工作包，生成各工作站需要的管附件托盤清單，提前由管附件倉儲人員將各工作站需要的管附件根據計劃安排，采用人工物流方式配送至各個工作站。

12）焊接完成后的完工管子，通過吊機吊運的方式放置到管件完工托盤內，管線信息化管理系統應生成后續各工序的托盤裝盤清單，并針對托盤的存儲、運輸、集配等全過程進行管理。

13）管子完工后，系統仍然要對后續的管子進行無損探傷試驗、壓力試驗、沖砂、油漆、外場安裝、船上安裝最終提交等全過程進行管理，生成各種試驗清單、測試清單和檢驗報告，通過手機、移動終端或電腦等對這些過程進行記錄和確認，以便完成對整個管子制作的全生命周期管理。采用手機等移動終端兼顧酸洗磷化、鍍鋅等外協工序的進度記錄和確認。車間管理數據流通機制如圖2所示。

圖2 車間管理數據流通機制[2]

2.3 主要工藝特點

管子智能生產線工藝特點如下：

1）打破國內船廠現有管子生產流水線的小、中、大3條線設置

（1）管子智能生產線適應范圍管子直徑范圍為“DN 40～DN 400”，涵蓋一般管子的小口徑、中口徑及大口徑管子的生產范圍，體現柔性生產要求，利于統籌安排管件的生產。

（2）使用管子綜合生產線后，管子的適用范圍為DN 40～DN 400，可以覆蓋80%以上的生產量，生產線的柔性進一步加強，使得管子生產線可以適應船型多樣化的需要。

2）設計工作和管子生產流水線的數據聯通，設計和現場緊密貼合

（1）管線信息化 MES管理系統，可從設計/企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，簡稱：ERP）按照各船型分段托盤分批次導入設計信息、計劃信息和物料信息，設計修改信息，自動進行管子生產任務包的創建，并進行自動高級排產，任務包釋放到車間生產后，可以自動為設備生成相應的數控指令，匹配相應的工裝夾具，自動為管子選擇工作包（Work Packages，簡稱：WPS）等；同時為半自動和手動工位即時生成任務隊列，并自動進行各自動化工位的生產調度，并將所需要的物料通過物流系統自動配送到工位的緩存區。

（2）從技術軟件（AVEVA Marine，簡稱：AM）中導出含有管子加工必要工藝信息的IDF文件，并進行歸檔管理。管線MES系統訪問歸檔后的IDF文件，并讀取IDF文件以獲取管子的模型及工藝數據，形成管子加工物料清單（Bill of Material，簡稱：BOM）。

（3）ERP系統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系統需要根據導入的托盤制作計劃及管子加工 BOM，自行完成加工路徑的計算及各個工位的高級排產（滿足托盤完成計劃的前提下，自動確定每個加工任務在各工位的加工時間，自動平衡各工位的作業負荷，可根據插單、設備故障、原材料問題等自動調整產線的計劃時間），并將生產過程中將每根管子的完工狀態反饋給現有的ERP系統。

（4）ERP系統提供管加工所需材料的庫存信息，用于管線 MES系統進行產前材料滿足情況的檢查。

（5）管線MES系統應具備生產控制、數據采集、異常預警、歷史信息、系統集成和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控設備的數據需求。

（6）綜合生產線的自動化程度大幅度提高，達到國際智能制造水平，相對于之前規劃的生產線，生產線的立體庫、管子沖砂機、鋸切機、坡口機、自動焊機、彎管機等主要設備均為在線設備。

（7）管理軟件具有高級排程功能，具有與生產硬件信號交互控制實現即時自動調度功能，具有管子從設計到管子上船安裝全生命周期管理功能。

3）生產線控制系統智能化程度以及物流系統可完全自動化調度

（1）全流程的工藝管理。生產管理軟件核心功能具有深層次的MES管理開發功能。

（2）工位級的高級排程。生產管理軟件能根據產線的實際產能對生產計劃進行自動調度。

（3）配備自動化的物流系統。工件自動識別軟件系統指令，自動化的物流系統使工件通過物流輥道自動調配傳送到下一工序。

（4）對管件加工完成之后的工序完全實現智能軟件自動管理，包括自動抽取探傷比例、自動抽取試壓方式、表面處理等，實現不同流程管子配不同托盤。

4）生產線設備的智能化程度高，滿足智能制造需要

（1）管子原材料庫存可以實現自動立體庫存儲，生產效率高。

（2）對表面存在銹蝕情況的管件進行自動沖砂，無需打磨工作來彌補管子表面的不足。

（3）國內大部分智能制造設備智能化功能比較完備，僅需少量人工輔助。

（4）管件加工的產能大部分是靠手工操作來彌補流水線加工量。

（5）管子自動打碼設備可以實現自動噴碼，解決人工貼碼的問題。

3 結論

本文設計一種具有高柔性高效率綜合管子智能生產線的工藝布置，滿足多元化船舶產品特點，采用行業智能制造先進技術，在硬件上符合DN 40～DN 400管徑碳鋼管加工工藝流程要求，在軟件上與公司現有的ERP系統對接，并自帶MES系統，實現全自動區和半自動區的信息及物流順暢貫通。利用自動化立體倉庫、自動沖砂、自動切割、先焊后彎、自動彎管、法蘭/套管組對裝焊一體機、高級自動化排產、全自動物流、人工裝配/焊接工位等先進工藝技術，配合生產線軟件和全自動物流系統將這些自動化設備以及人工工位連接在一起，提高工效和質量。

綜合管子智能生產線的工藝布置兼顧智能、高效、柔性的生產特點，工藝適應范圍廣，產能可擴展，管子智能生產線規劃方案理念及配置先進，符合智能化發展方向。