工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下造船廠數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 亮

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院,江蘇 南通 226011)

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、銷售、服務(wù)與管理等全部環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化與智能化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展不僅可以提高企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,還能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)更多的商業(yè)機(jī)會(huì)與變革。目前,各國(guó)政府都在推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在中國(guó),自從國(guó)家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展推進(jìn)委員會(huì)成立以來(lái),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展迅速。經(jīng)過(guò)近幾年的努力探索,我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)及安全領(lǐng)域方面取得了一定成就,并在實(shí)踐中初步形成了4大應(yīng)用架構(gòu),分別是智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制及服務(wù)化延伸[1]。

但是當(dāng)前在某些行業(yè)中,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及程度還較低,例如船舶制造行業(yè)。這是因?yàn)榇爸圃爝^(guò)程工藝流程復(fù)雜,產(chǎn)品呈現(xiàn)多品種、小批量的特點(diǎn),從而導(dǎo)致船舶制造業(yè)仍處于數(shù)字化起步階段,制造車間信息化建設(shè)落后,智能化程度不高,傳統(tǒng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)已經(jīng)不能滿足從車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集到生產(chǎn)管理全過(guò)程管控。因此,亟需開(kāi)發(fā)新技術(shù)與傳統(tǒng)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行融合,提升船舶制造整體信息化水平,助力船舶制造產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)[2]。

本文首先通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料和信息的收集分析當(dāng)前船舶制造業(yè)中存在的問(wèn)題及原因,然后研究如何在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下建設(shè)造船廠數(shù)字化管理系統(tǒng),以集成化、數(shù)字化、智能化手段解決生產(chǎn)控制、生產(chǎn)管理和企業(yè)經(jīng)營(yíng)的綜合問(wèn)題,打造服務(wù)于企業(yè)、賦能于工業(yè)的“智慧大腦”。

1 造船廠數(shù)字化系統(tǒng)當(dāng)前存在的問(wèn)題及原因

1.1 當(dāng)前存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn),我國(guó)一些造船廠雖然擁有較為成熟的工藝體系,部分工段和車間也已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè),正在逐步實(shí)現(xiàn)“造船標(biāo)準(zhǔn)化,管理數(shù)字化”的目標(biāo)。在這個(gè)過(guò)程中,MES作為智能制造體系的核心,在實(shí)現(xiàn)船廠數(shù)字化和全供應(yīng)鏈協(xié)同上發(fā)揮了不可替代的作用[3]。然而,面對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷出現(xiàn)的各種新技術(shù)、新概念,傳統(tǒng)的造船MES已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代需求,在實(shí)施過(guò)程中主要面臨以下主要問(wèn)題。

(1)MES主要實(shí)現(xiàn)信息的管理與“上傳下達(dá)”,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)感知能力薄弱,對(duì)制造過(guò)程中生產(chǎn)狀態(tài)、物流配送以及產(chǎn)品壽命周期等實(shí)時(shí)監(jiān)控能力較弱,沒(méi)有充足的信息來(lái)支撐 MES數(shù)據(jù)進(jìn)行決策。

(2)MES通常只關(guān)注造船廠的內(nèi)部管理,這對(duì)于中小企業(yè)可能足夠,但是對(duì)于大型造船企業(yè),存在多工廠協(xié)同、與客戶協(xié)同、與研究院所協(xié)同、與外部供應(yīng)商協(xié)同等需求,需要對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行優(yōu)化和管理,現(xiàn)有MES架構(gòu)無(wú)法支撐。

(3)傳統(tǒng)MES的功能范圍模糊不清,給企業(yè)信息化建設(shè)帶來(lái)很大困擾,往往需要通過(guò)質(zhì)量管理系統(tǒng)和智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等來(lái)彌補(bǔ)MES系統(tǒng)功能的不足,容易導(dǎo)致信息孤島、集成困難,造成生產(chǎn)協(xié)同困難和低效。

(4)在企業(yè)信息集成3層業(yè)務(wù)模型下,MES系統(tǒng)獲取產(chǎn)品定義相關(guān)數(shù)據(jù)的途徑局限于與ERP系統(tǒng)進(jìn)行集成,無(wú)法滿足個(gè)性化生產(chǎn)需求。

1.2 問(wèn)題出現(xiàn)的原因

(1)造船屬于邊設(shè)計(jì)邊生產(chǎn)模式,數(shù)據(jù)多次迭代,精益化造船對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精細(xì)化要求高,依靠人工處理,成本高、周期長(zhǎng),生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息多,數(shù)據(jù)量大,人工采集難度大。

(2)項(xiàng)目執(zhí)行層的協(xié)同要求高,在管理層協(xié)調(diào)效率低。

(3)目前雖然在部分工段和車間已經(jīng)通過(guò)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè),但還難以界定每次偏差的原因,缺乏知識(shí)積累,以便提出及時(shí)有效的解決措施和改進(jìn)措施。

造船廠建設(shè)數(shù)字化系統(tǒng)能夠通過(guò)有效的信息采集、運(yùn)作檢測(cè)以及安全保障來(lái)使整個(gè)車間的運(yùn)作保持穩(wěn)定,從而在現(xiàn)代化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作中,推進(jìn)車間建設(shè)的高效化、智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)[4]。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在造船廠數(shù)字化系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)分析

本文針對(duì)上述問(wèn)題,在當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下提出建設(shè)造船廠數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用方案。該方案將數(shù)字化車間管理系統(tǒng)的建設(shè)分為4個(gè)模塊,分別是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)和質(zhì)量管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)車間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理;生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能包括工單管理、任務(wù)分配、生產(chǎn)報(bào)工和實(shí)績(jī)上報(bào)等,可以實(shí)現(xiàn)從下單到上報(bào)的一體化管理;工藝管理系統(tǒng)功能包括圖紙接收和下發(fā)以及工藝卡維護(hù)和打印等,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化管理;質(zhì)量管理系統(tǒng)功能包括送檢管理、檢驗(yàn)作業(yè)和品質(zhì)分析等,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的智能化管理。

2.2 數(shù)字化系統(tǒng)各模塊功能

造船廠數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)主要分為以下4個(gè)功能模塊。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、能耗及運(yùn)行狀態(tài)分析、設(shè)備維保和設(shè)備稼動(dòng)分析等部分。數(shù)據(jù)采集部分用來(lái)采集設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù),主要包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、停止時(shí)間、故障時(shí)間、稼動(dòng)率和產(chǎn)量等;能耗及運(yùn)行狀態(tài)分析部分可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備能耗及運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控分析;設(shè)備維保部分通過(guò)終端對(duì)設(shè)備的日常點(diǎn)檢、維修和保養(yǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,建立設(shè)備履歷信息;設(shè)備稼動(dòng)分析部分則通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集,實(shí)時(shí)分析設(shè)備稼動(dòng)率,從而提高設(shè)備利用率。

2.2.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括工單管理、任務(wù)分配、生產(chǎn)報(bào)工、實(shí)績(jī)上報(bào)和生產(chǎn)進(jìn)度分析等部分。工單管理部分是根據(jù)零件工序產(chǎn)生生產(chǎn)工單,定義工單數(shù)量及預(yù)計(jì)開(kāi)完工時(shí)間,根據(jù)工藝模型自動(dòng)產(chǎn)生工藝流程卡;任務(wù)分配部分可以支持根據(jù)派工任務(wù)手動(dòng)或自動(dòng)產(chǎn)生任務(wù)分配至各生產(chǎn)機(jī)臺(tái)終端或人員;生產(chǎn)報(bào)工部分是根據(jù)生產(chǎn)人員在機(jī)臺(tái)終端掃碼接收任務(wù),確認(rèn)開(kāi)始生產(chǎn),支持生產(chǎn)首檢、調(diào)機(jī)管理、任務(wù)暫停、分批報(bào)工、機(jī)臺(tái)完工數(shù)量和工時(shí)自動(dòng)采集等功能;實(shí)績(jī)上報(bào)部分通過(guò)工序生產(chǎn)遺失數(shù)量、報(bào)廢數(shù)量和非加工工時(shí)等異常數(shù)據(jù)終端上報(bào),以供生產(chǎn)實(shí)績(jī)統(tǒng)計(jì)分析;生產(chǎn)進(jìn)度分析部分是根據(jù)生產(chǎn)工單按車間、班組達(dá)成狀態(tài)實(shí)時(shí)追蹤分析各工藝卡片式狀態(tài)分布。

2.2.3 工藝管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是工藝員根據(jù)一體化系統(tǒng)下發(fā)的圖紙建立工藝數(shù)據(jù)、工藝路線、工藝參數(shù)、工藝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序(Standard Operating Procedure,SOP)等生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建模,具體流程如圖1所示。

圖1 工藝管理系統(tǒng)流程

2.2.4 質(zhì)量管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括送檢管理、送驗(yàn)作業(yè)和品質(zhì)分析等部分。送檢管理部分是根據(jù)工藝流程卡的工單工藝參數(shù)自動(dòng)產(chǎn)生送檢任務(wù),并自動(dòng)將檢驗(yàn)任務(wù)推送至各檢驗(yàn)終端;檢驗(yàn)作業(yè)部分是送檢任務(wù)根據(jù)品質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)產(chǎn)生需檢驗(yàn)的項(xiàng)目及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)人員可以在終端記錄檢驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行判定;品質(zhì)分析部分是對(duì)零件加工過(guò)程的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集和分析,自動(dòng)產(chǎn)生檢驗(yàn)報(bào)告,針對(duì)品質(zhì)異常進(jìn)行追溯分析。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)[5]。本文以數(shù)字化手段為突破口,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下研究如何在造船廠建設(shè)數(shù)字化車間,構(gòu)建以工單為核心的非標(biāo)產(chǎn)品車間管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將為數(shù)字化、智能化船廠建設(shè)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái),通過(guò)安裝網(wǎng)關(guān)和采集設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)圖紙自動(dòng)下發(fā)、加工任務(wù)分配、生產(chǎn)任務(wù)報(bào)工、工人績(jī)效自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析等多種功能,提升設(shè)備利用率,降低設(shè)備能耗,從而提高生產(chǎn)效率。