管子智能生產線數字化管理系統設計

孫學榮，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

隨著造船行業的飛速發展，“現代總裝化造船”和“數字化造船”的實施得到了廣大船舶企業的充分重視，而管子生產成為“數字化”、“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生產技術與設備瓶頸的重要途徑。

本文設計一種高效的管子智能生產線數字化管理系統，涉及管子智能制造領域，包括設計管理、計劃管理、倉庫管理、生產管理、質量管理、設備管理、報表管理、看板管理、移動辦公、系統管理、安全管理、接口管理及數字化建模，這些管理模塊均部署在云端應用服務器上，所述數字化車間管理系統還配有數據庫服務器進行數據管理。本設計基于虛擬現實技術建立三維虛擬數字化車間，并采用基于遺傳算法優化的自組織特征映射神經網絡方法對三維模型進行輕量化處理，將三維虛擬數字化車間運用到數字化車間管理系統，能夠直觀、具體地反映車間各個流程的執行情況，使企業用戶的車間管理更加貼近車間實際場景，進一步提高企業車間的智能化水平。

1 傳統的管子生產管理模式

多年來我國造船業管子生產普遍沿用傳統生產管理模式，這種傳統生產管理模式存在諸多缺點，成為制約造船生產效率進一步提高的瓶頸之一。其主要缺點如下：

1）設計工作和管子生產流水線的數據不通，造成設計和現場生產脫節嚴重

（1）工藝數據物料清單（Bill of Material，簡稱：BOM）采集不足，工藝數據準確性差，管材套料匹配差。

（2）技術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）現場需要手工拆分小票圖和核對技術中心下料數據。

2）生產線控制系統智能化程度不足，系統不能完全自動化調度

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

（2）生產線管理軟件不能進行工位級的高級排程，不能根據現場生產實際對生產計劃進行自動調度。

（3）沒有自動化的物流系統，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，后道工序沒有實現智能軟件自動管理，無法實現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）車間生產信息不透明

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

（2）沒有車間數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，簡稱：SCADA）系統，只可以通過巡檢點檢的機制來檢測設備的參數，無法做到設備的統一檢測和維修。設備停機對生產的影響很大。

（3）只能通過紙質圖紙來指導生產，沒有指導材料配送的系統。

綜上可知，傳統的管子生產管理模式存在一定的缺陷和不足，亟待設計者解決該管子智能生產線數字化管理系統的技術難題。

2 管子智能生產線數字化管理系統設計

針對現有技術的不足，本文設計的高效管子智能生產線數字化管理系統，配合其高級排程的功能，能夠有效提高生產效率、降低生產成本、提高加工精度，可實現大批量、高質量地組織生產。

本設計采用的技術方案的主要系統包括企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，簡稱：ERP）系統、船舶中日程計劃排程系統、產品數據管理（Product Data Management，簡稱：PDM）系統、供應鏈系統、車間 MES系統、高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，簡稱：APS）系統、設備監控 SCADA系統、立體庫管理（Warehouse Management System，簡稱：WMS）系統、車間拉料（Logistics Execution System，簡稱：LES）系統等先進的信息化管理系統。

各系統符合如圖1所示的層次結構。

圖1 管子智能生產線管理系統層次結構

2.1 各主要系統功能

管子加工智能車間總體架構圖如圖2所示。

圖2 管子加工智能車間總體架構圖[2]

1）企業ERP系統

它是指建立在信息技術基礎上，集信息技術與先進管理思想于一身，以系統化的管理思想，為企業員工及決策層提供決策手段的管理平臺，包括對圖紙進行審批歸檔，對車間場地進行統籌安排，在供應鏈模塊負責材料購買和庫存管理。

2）船舶中日程計劃排程系統

船舶建造是項目制的生產，計劃的編排有其獨特性。根據企業的經營情況編排線表計劃，然后根據線表計劃編排大日程計劃，再根據技術中心對于船舶分段的劃分及其關鍵的搭載順序，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據進行輸入。

3）PDM系統

該系統是產品數據管理系統，其負責把設計的模型轉化成現場的生產 BOM，即管子的產品數據從設計BOM轉化到工藝BOM，再轉化到制造BOM的過程。在本文設計的PDM系統中，可以接收從AVEVA Marine導出的IDF文件，并進行自動的工藝拆分，最后生成生產 BOM，并傳送到負責生產的 MES系統中，并且傳送零件表給供應鏈系統，來提供采購的準確性。

4）供應鏈系統

材料是全面質量管理理論中的5個影響產品質量的主要因素之一，本文設計包含的供應鏈系統負責材料的采購和庫存管理，從PDM中獲取的零件表是其采購數據的來源，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，減少生產等待時間，提高材料利用率。

5）高級排程APS系統

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

6）車間MES系統

接收APS系統的排程結果，與WMS系統交互要料，合理安排車間內的生產。系統內管子通過四位數的編碼作為唯一追溯，通過上料防錯的模塊來提示現場管附件的使用，通過其質量模塊及時發現問題并阻止后道工序的投入。可以生成以寸徑為管理維度的生產報表，使現場工時的計算更加合理，使車間的生產更加有序。

7）設備監控SCADA系統

系統的終端畫面位于設置在車間的中控室內，通過各智能設備采集的參數做到生產線的整體監控。通過其報表系統可以系統地分析現場設備的生產效率，提升設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，簡稱：OEE）。

8）立體庫管理WMS系統

作為車間管子原材料立體庫的管理系統，配合先進的立體庫設備，應用先入先出的原則，與生產系統做接口，可以做到及時上料、材料在庫時間最短。

9）車間拉料LES系統

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

2.2 系統主要技術特點

1）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）以MES管理系統為核心，輸入經PDM系統轉化來的生產 BOM，導入由中日程計劃為依據進行的高級排程結果，讀取倉庫的庫存信息，統籌車間的生產。在生產線上可以自動為設備生成相應的數控指令，匹配相應工裝夾具、自動為管子選擇 WPS等，同時將所需物料通過物流系統自動配送到工位的緩存區。

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

（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系統的APS模塊根據導入的托盤制作計劃及供應鏈系統提供的庫存信息，自行完成加工路徑的計算及各個工位的高級排產（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ERP系統。

（4）供應鏈系統提供管子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。供應鏈系統還負責管線材料的采購，確保材料能按期入庫。

（5）管線MES系統具備生產控制、數據采集、異常預警、歷史信息、系統集成、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控設備的數據需求。具有管子從設計到管子上船安裝全生命周期的管理功能。

2）生產線控制系統智能化程度以及配備自動化物流系統

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

（2）生產線管理軟件完全可以進行工位級的高級排程，能根據現場生產實際對生產計劃進行自動調度。

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

（4）管件加工完成后，后道工序完全實現智能軟件自動管理，可以實現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 結論

管子智能生產線數字化管理系統實現了人、控制系統和設備之間的相互補充與協調。工藝數據流、加工信息流及物流系統集成使所需人工的數量大幅減小，使設備在有效時間內的工作效率和原材料的利用率均有大幅提升。更重要的是，通過數字化管理系統的應用，管理者可對項目的進行狀態實時監控，并可根據設定的目標準確地控制時間節奏和成本等。因此，管子智能生產線數字化管理系統的高效、快速、精確的優點得以充分發揮，從而滿足多品種、高效率、高質量的生產要求。隨著企業信息化和自動化應用水平的不斷提高，管子智能生產線數字化管理系統的改進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。