精益MES在船舶管件加工车间中的应用

陆燕辉， 陈 弓

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引 言

德国提出的工业4.0强调工业生产的数字化，使制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)的重要性引起广泛关注。中国提出“中国制造2025”，明确在开展智能制造和数字化工厂的研究和示范过程中企业必须实施MES。MES是实现智能制造的重要工具和手段，作为传统制造业的船舶制造，迫切需要依靠MES降低生产运营成本，以期在高生产成本的制造环境中持续增强企业竞争力。在这样的背景下，通过自主创新将精益思维贯穿于信息系统中，推进船舶管件加工流程数字化[1]。

1 精益MES

MES旨在将物料需求计划(Material Requirement Planning，MRP)与车间作业现场控制通过执行系统联系起来，被定义为位于上层企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统与底层工业控制之间、面向车间层的生产管理系统[2]。

精益生产的思想来自丰田汽车公司，精益生产就是准时制造、消灭故障、消除一切浪费、向零缺陷和零库存进军。精益生产综合批量生产与单件生产的优点，最大限度地消除浪费、降低库存、缩短生产周期，以实现低成本准时化生产，最终达到用最少的投入(人员、设备、时间和场地等)向顾客提供满意产品的目的。

精益MES将精益生产的理念和方法与MES相结合，通过信息化手段，促进精益生产在企业中进一步落地，同时在精益思想指导下的MES更加贴近作业现场的实际需要，充分体现精准化、精细化、协调化和人性化特征。

2 船舶管件加工特点

船舶管件制造包括大量黑色金属和有色金属管件的加工与配套，约占整个造船工作量的10%，在船舶建造中素有“船脉”之称。随着压载水处理、脱硫塔等装备的广泛应用，船舶管件物料数量持续攀升，对船舶建造节点、交船周期、产品质量等的影响日益突出。船舶管件加工具有如下特点：

(1)单件大规模离散型生产。单船管件物料数量巨大，管件口径大小不等，管件材质和壁厚等差异较大，管子交付节点各异。

(2)生产制约因素多。管件加工受设备产能、原材料供给、图面改正等诸多因素的综合影响。

(3)生产信息难以准确获取。由于管件类型和形状差异较大，管件加工工艺路线复杂、工序繁多、数量庞大，因此管件加工信息难以准确和及时获取。

传统模式的船舶管件加工制造过程带来的“黑箱”化生产状态，较易引起生产不均衡、异常管多、交期滞后、质量管控缺失等后果，企业生产现状迫切需要依托信息化手段提升作业效率和管理水平[3]。

3 精益MES功能结构

精益MES向上连接企业ERP系统各子模块(含设计、采购、仓储、物流等)，向下直连车间应用层各设备系统，从而精准实现生产执行任务的跟踪管控和信息反馈。精益MES由精益生产管理、精益物料管理、精益质量管理、精益人员管理、精益安全管理、精益设备管理等6个子模块组成[4-5]，如图1所示。

图1 精益MES功能结构

3.1 精益生产管理模块

精益生产管理模块充分考虑生产精益化管理的要求，将MES和管件加工流程紧密结合，使生产管控更加精细化和精准化。该模块包括资源模型、计划排产、作业执行、生产调度、生产进度跟踪、管件加工数据等6个功能单元[6]。

(1)资源模型单元。针对船舶管件加工资源建模，形成标准化工艺路线和工序管理模型，该模型可根据实际需要对工艺路线和工序及时调整，满足市场多样化和柔性生产的需求。

(2)计划排产单元。可根据造船线表的物料数量情况，结合管件加工车间的设备和岗位加工能力进行优化排产。为应对线表变更带来的生产计划调整，系统可根据大组或分段预装计划自动调整排产计划。图2为自动负荷计算与排产界面。

(3)作业执行单元。该单元为现场作业执行和数据采集客户端。在充分考虑现场岗位作业需求和使用习惯基础上，按岗位进行定制开发，其人性化设定可使工人体会系统便利，减少等待和联络时间，提升工作效率。

(4)生产调度单元。作为生产线发生异常状况的应对方案，使加工线不会因局部异常造成停滞，从而提高生产系统的柔性。

图2 自动负荷计算与排产界面

(5)生产进度跟踪单元。扭转“黑箱”化生产乱象，管件加工进度跟踪实现完全可视化，将跟踪单元细化至每根管子的每道工序，并包括每根管子的组成附件(如枝管、弯头等)，精细化跟踪将生产现场的等待、不匹配等问题点均实时显现并提醒管理者及时进行改善，从而进一步提升精益管理水平。

(6)管件加工数据单元。将所有管件加工信息录入数据库，所有加工信息和纸面图纸均实现电子化，便于对管件加工历史信息进行检索，使管件加工各环节具备可追溯性，为产品售后服务及质量追踪提供支持。

3.2 精益物料管理模块

精益生产的明显特点是准时化生产，物料准时配送是实现准时化生产的前提。精益物料管理模块实现对管件加工物料的全程准时化跟踪管理、消除浪费。该模块包括物料预警、物料拉动、送料跟踪等3个功能单元[7]。

(1)物料预警单元。对管件加工物料需求进行提前计算与入库的自动跟踪预警。物料提前预警，提醒管理者提前对物料进行跟踪确认，提前处置可能出现的缺料异常，从而确保船舶管件按计划准时生产交付。

(2)物料拉动单元。根据管件加工物料实际消耗需求形成准时制(Just In Time，JIT)MRP和配料清单，提前做好配料准备。

(3)送料跟踪单元。根据物料拉动计划实施全程配料跟踪，确保每个管件金属在需要的时间准时配送至对应的作业岗位，满足精准生产的需要。

3.3 精益质量管理模块

产品质量是企业生存的命脉，精益质量管理模块监控制造和质量检证过程，在制造过程中尽早发现管件原料、制造工具、加工设备和工艺过程的质量问题，避免废品的产生，实现精益生产的初衷。该模块包括物料质量控制、工艺质量控制、误操作跟踪和控制、质量自检与报检、管件加工过程追溯、质量提醒与基准学习等6个功能单元。

(1)物料质量控制单元。实时跟踪各生产工位上的物料质量问题，并通过看板实时显示报警以提醒管理人员关注。所有物料质量问题点的处理流程在系统内进行全程跟踪，确保问题点得到及时处理。

(2)工艺质量控制单元。实时跟踪各生产工位上的工艺质量问题，并通过看板实时显示报警以提醒管理人员关注。所有工艺质量问题点的处理流程在系统内进行全程跟踪，确保问题点得到及时处理。

(3)误操作跟踪和控制单元。详细记录误操作信息并跟踪原因分析、处理对策和损失情况，通过精准跟踪和对策制订，最大限度地避免误操作的再发生、消除浪费。

(4)质量自检与报检单元。对管件加工关键步骤进行自检确认与记录管理，从而控制影响质量的关键因素。系统在作业工位执行端将质量自检嵌入作业流程，适时提醒作业者对关键步骤和尺寸进行重点确认并记录。

(5)管件加工过程追溯单元。管件加工的物料数量巨大，依靠纸面记录生产过程信息的传统方式效率低下，且在出现质量问题时查找较为困难，而MES则具有强大的追溯功能。

(6)质量提醒与基准学习单元。将关键质量要点和作业标准实时推送至对应作业工位，避免在关键环节上产生误操作并提高员工的质量意识。

3.4 精益人员管理模块

在制造企业中人力资源是较重要的资源，精益生产为达到以最少的投入向顾客提供满意产品的目的，关键在于依靠人员管理。精益MES实施人员上岗资质管控，将合适的人配置于需要的岗位，通过人员时间管理有效管控作业时间，精确记录与分析人员作业绩效，实时监控人员动态。该模块包括上岗资质管理、人员时间管理、人员绩效管理、人员动态监控等4个功能单元。

(1)上岗资质管理单元。按照不同工位对人员作业能力的需求自动甄别人员上岗权限，确保岗位作业者具备该岗位作业能力，从而保证船舶管件的加工质量和作业效率。

(2)人员时间管理单元。准确记录人员上岗和离岗时间，自动计算在岗时长，实现精准考勤与作业跟踪。

(3)人员绩效管理单元。准确记录人员或加工线在某时间区间的工作绩效数据，系统可自动绘制绩效曲线，为绩效考核和绩效分析与改进提供准确的数据基础。

(4)人员动态监控单元。实时跟踪车间各岗位的人员分布与工作状态信息，系统自动展示人员流动情况与当前完工作业物料数量情况。

3.5 精益安全管理模块

精益MES的管控维度已拓展至安全领域。高效高质的生产必须以安全保障为前提，安全管理贯穿于管件加工生产全流程，精益MES为安全管理提供强有力的信息化支持手段。该模块包括上岗安全提醒、作业安全提醒与安全基准学习、安全绩效跟踪等3个功能单元。

(1)上岗安全提醒单元。针对不同作业岗位作业特点，在员工上岗作业前给出风险提示，使员工了解该岗位安全要点，并在作业中予以关注。

(2)作业安全提醒与安全基准学习单元。实现安全信息实时推送和分享，员工可在作业岗位快速了解该岗位安全提醒并可随时对该岗位安全作业标准进行查阅学习，从而提高员工的风险辨识能力和安全意识。

(3)安全绩效跟踪单元。实现对班组安全管理状态的动态跟踪，可一目了然地了解车间安全业绩。

3.6 精益设备管理模块

船舶管件加工越来越依赖于自动化设备，为提高船舶管件生产的精益化水平，必须以良好的设备保障和提高设备利用率为基础。精益MES充分利用信息化手段，在加强对设备实时监控和故障管理的同时，强化与设备的互联互通功能，从而进一步挖掘设备潜能，提高设备利用率。该模块包括设备监控、设备维保与耗材管理、设备互联互通等3个功能单元。

(1)设备监控单元。实时监控车间管件加工设备的工作状态，在设备发生异常时系统在第一时间发出报警，提醒管理人员进行关注，并对设备故障处理过程进行全程跟踪。

(2)设备维保与耗材管理单元。实现对设备日常点检、维保和关键耗材库存跟踪管理，有效降低设备故障率与停机等待时间，提高设备利用率。

(3)设备互联互通单元。使系统与管件加工车间的自动化设备实现互联互通，包括机器人自动焊接设备、相贯线切割机、管子切断机、智能喷码机、智能扫码枪等，一方面系统将相关数据和作业任务信息直接下达至设备，另一方面系统可从设备可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)中实时获取管件加工过程信息，利用其强大的数据分析功能为生产决策提供支持。

4 结 论

作为智能制造的核心，MES在企业数字化和智能化转型升级中发挥越来越重要的作用。精益MES的创新价值主要体现在如下各方面：

(1)精益MES的提出不仅充分发挥MES强大的信息采集和数据处理功能，而且深入推进企业生产管理各领域精益水平，两者相得益彰。

(2)将精益MES与船舶管件加工全流程深度融合，利用精益生产的思想方法改造传统流程，优化生产资源配置，促进管件加工生产高效与精益。

(3)突破传统MES的定义和管控范围，涵盖企业生产管理多领域，高度集成和精益化的系统体系设计成为其显著特征，确保企业生产的高效、高质运行。

(4)实现系统与船舶管件加工车间智能化装备的互联互通，在实时采集装备运行数据基础上，初步完成加工指令下发，为设备全自动运转夯实基础。

系统应用带来的生产模式变更直接提升管件加工生产效率，随着深入推广，必将为企业提质增效注入新的活力。