管子智能生产线数字化管理系统设计

孙学荣，黄捷春，卞正伟

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏海门 226100）

0 引言

随着造船行业的飞速发展，“现代总装化造船”和“数字化造船”的实施得到了广大船舶企业的充分重视，而管子生产成为“数字化”、“绿色造船”的关键组成部分。因此，要实现数字化造船必然需要数字化管子生产的支持，同时数字化管子生产是解决我国目前面临的管子生产技术与设备瓶颈的重要途径。

本文设计一种高效的管子智能生产线数字化管理系统，涉及管子智能制造领域，包括设计管理、计划管理、仓库管理、生产管理、质量管理、设备管理、报表管理、看板管理、移动办公、系统管理、安全管理、接口管理及数字化建模，这些管理模块均部署在云端应用服务器上，所述数字化车间管理系统还配有数据库服务器进行数据管理。本设计基于虚拟现实技术建立三维虚拟数字化车间，并采用基于遗传算法优化的自组织特征映射神经网络方法对三维模型进行轻量化处理，将三维虚拟数字化车间运用到数字化车间管理系统，能够直观、具体地反映车间各个流程的执行情况，使企业用户的车间管理更加贴近车间实际场景，进一步提高企业车间的智能化水平。

1 传统的管子生产管理模式

多年来我国造船业管子生产普遍沿用传统生产管理模式，这种传统生产管理模式存在诸多缺点，成为制约造船生产效率进一步提高的瓶颈之一。其主要缺点如下：

1）设计工作和管子生产流水线的数据不通，造成设计和现场生产脱节严重

（1）工艺数据物料清单（Bill of Material，简称：BOM）采集不足，工艺数据准确性差，管材套料匹配差。

（2）技术中心出图与实际物资托盘的匹配不符合要求，托盘完整性低。

（3）现场需要手工拆分小票图和核对技术中心下料数据。

2）生产线控制系统智能化程度不足，系统不能完全自动化调度

（1）生产线管理软件核心功能不完善，只进行管子分组的表面管理，未进行深层次的生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，简称：MES）管理开发，缺乏足够的管子全流程的工艺管理。

（2）生产线管理软件不能进行工位级的高级排程，不能根据现场生产实际对生产计划进行自动调度。

（3）没有自动化的物流系统，工件的传输只能采用人工控制或者半自动控制。

（4）管件加工完成后，后道工序没有实现智能软件自动管理，无法实现不同流程管子配不同托盘，无法做到自动抽检探伤比例、自动抽检试压、表面处理等。

3）车间生产信息不透明

（1）管子生产没有MES系统管理，不能获取管子实时生产情况，无法用寸径来管理工人的工时。

（2）没有车间数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，简称：SCADA）系统，只可以通过巡检点检的机制来检测设备的参数，无法做到设备的统一检测和维修。设备停机对生产的影响很大。

（3）只能通过纸质图纸来指导生产，没有指导材料配送的系统。

综上可知，传统的管子生产管理模式存在一定的缺陷和不足，亟待设计者解决该管子智能生产线数字化管理系统的技术难题。

2 管子智能生产线数字化管理系统设计

针对现有技术的不足，本文设计的高效管子智能生产线数字化管理系统，配合其高级排程的功能，能够有效提高生产效率、降低生产成本、提高加工精度，可实现大批量、高质量地组织生产。

本设计采用的技术方案的主要系统包括企业资源计划（Enterprise Resource Planning，简称：ERP）系统、船舶中日程计划排程系统、产品数据管理（Product Data Management，简称：PDM）系统、供应链系统、车间 MES系统、高级计划与排程（Advanced Planning and Scheduling，简称：APS）系统、设备监控 SCADA系统、立体库管理（Warehouse Management System，简称：WMS）系统、车间拉料（Logistics Execution System，简称：LES）系统等先进的信息化管理系统。

各系统符合如图1所示的层次结构。

图1 管子智能生产线管理系统层次结构

2.1 各主要系统功能

管子加工智能车间总体架构图如图2所示。

图2 管子加工智能车间总体架构图[2]

1）企业ERP系统

它是指建立在信息技术基础上，集信息技术与先进管理思想于一身，以系统化的管理思想，为企业员工及决策层提供决策手段的管理平台，包括对图纸进行审批归档，对车间场地进行统筹安排，在供应链模块负责材料购买和库存管理。

2）船舶中日程计划排程系统

船舶建造是项目制的生产，计划的编排有其独特性。根据企业的经营情况编排线表计划，然后根据线表计划编排大日程计划，再根据技术中心对于船舶分段的划分及其关键的搭载顺序，编排搭载计划，从而推算出中日程计划，中日程计划作为管子高级排程的原始数据进行输入。

3）PDM系统

该系统是产品数据管理系统，其负责把设计的模型转化成现场的生产 BOM，即管子的产品数据从设计BOM转化到工艺BOM，再转化到制造BOM的过程。在本文设计的PDM系统中，可以接收从AVEVA Marine导出的IDF文件，并进行自动的工艺拆分，最后生成生产 BOM，并传送到负责生产的 MES系统中，并且传送零件表给供应链系统，来提供采购的准确性。

4）供应链系统

材料是全面质量管理理论中的5个影响产品质量的主要因素之一，本文设计包含的供应链系统负责材料的采购和库存管理，从PDM中获取的零件表是其采购数据的来源，配合其高效的物资需求计划（Material Requirement Planning，简称：MRP）计算和库存管理，可以做到及时合理购买材料，减少生产等待时间，提高材料利用率。

5）高级排程APS系统

利用遗传算法等高级算法，通过中日程计划的数据，库存数据的读取以及生产工位、工艺路线及其定额的主数据，可以编排车间的工位级生产数据，达到最大产出量、瓶颈资源使用率最高及前置时间最短等生产策略。

6）车间MES系统

接收APS系统的排程结果，与WMS系统交互要料，合理安排车间内的生产。系统内管子通过四位数的编码作为唯一追溯，通过上料防错的模块来提示现场管附件的使用，通过其质量模块及时发现问题并阻止后道工序的投入。可以生成以寸径为管理维度的生产报表，使现场工时的计算更加合理，使车间的生产更加有序。

7）设备监控SCADA系统

系统的终端画面位于设置在车间的中控室内，通过各智能设备采集的参数做到生产线的整体监控。通过其报表系统可以系统地分析现场设备的生产效率，提升设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，简称：OEE）。

8）立体库管理WMS系统

作为车间管子原材料立体库的管理系统，配合先进的立体库设备，应用先入先出的原则，与生产系统做接口，可以做到及时上料、材料在库时间最短。

9）车间拉料LES系统

根据PDM系统对图纸的分解，合理调配车间内的物流资源，把各管附件及时配送到各装配工位，确保材料配送的准确性，减少人员因配料而浪费时间。

2.2 系统主要技术特点

1）设计工作和管子生产流水线的数据联通，设计和现场紧密贴合

（1）以MES管理系统为核心，输入经PDM系统转化来的生产 BOM，导入由中日程计划为依据进行的高级排程结果，读取仓库的库存信息，统筹车间的生产。在生产线上可以自动为设备生成相应的数控指令，匹配相应工装夹具、自动为管子选择 WPS等，同时将所需物料通过物流系统自动配送到工位的缓存区。

（2）从技术软件AM 中导出含有管子加工必要工艺信息的IDF文件，通过PDM系统解析成管子生产的小票图和材料清单，企业ERP系统下载小票图并进行审批归档，材料清单用于供应链的采购。

（3）ERP系统提供每个托盘管子制作的计划开工和计划完工时间。管线MES系统的APS模块根据导入的托盘制作计划及供应链系统提供的库存信息，自行完成加工路径的计算及各个工位的高级排产（满足托盘完成计划的前提下，自动确定每个加工任务在各工位的加工时间，自动平衡各工位的作业负荷，可根据插单、设备故障、原材料问题等自动调整产线的计划时间），并将生产过程中将每根管子的完工状态反馈给ERP系统。

（4）供应链系统提供管子加工所需材料的库存信息，用于管线MES系统进行产前材料满足情况的检查。供应链系统还负责管线材料的采购，确保材料能按期入库。

（5）管线MES系统具备生产控制、数据采集、异常预警、历史信息、系统集成、各种报表分析等功能，所有报表模板可以自行配置，并能够满足中控室各类监控设备的数据需求。具有管子从设计到管子上船安装全生命周期的管理功能。

2）生产线控制系统智能化程度以及配备自动化物流系统

（1）生产线管理软件核心功能完善，可进行深层次的 MES管理开发，能够进行管子全流程的工艺管理。

（2）生产线管理软件完全可以进行工位级的高级排程，能根据现场生产实际对生产计划进行自动调度。

（3）配备自动化的物流系统，工件可以通过软件系统指令配合物流辊道自动调配传送到所需工位。

（4）管件加工完成后，后道工序完全实现智能软件自动管理，可以实现不同流程管子配不同托盘，可以做到自动抽检探伤比例、自动抽检试压、表面处理等。

3 结论

管子智能生产线数字化管理系统实现了人、控制系统和设备之间的相互补充与协调。工艺数据流、加工信息流及物流系统集成使所需人工的数量大幅减小，使设备在有效时间内的工作效率和原材料的利用率均有大幅提升。更重要的是，通过数字化管理系统的应用，管理者可对项目的进行状态实时监控，并可根据设定的目标准确地控制时间节奏和成本等。因此，管子智能生产线数字化管理系统的高效、快速、精确的优点得以充分发挥，从而满足多品种、高效率、高质量的生产要求。随着企业信息化和自动化应用水平的不断提高，管子智能生产线数字化管理系统的改进和推广将会对船舶管道加工制造能力和水平的提高作出重大贡献。