基于WMS系统的核电厂工具管理系统开发及应用

吴 敏，苏海北

（山东核电有限公司，烟台 265116）

为了保证核电厂维修工作的安全性、规范性和质量的可追溯性，国内大多数核电厂都采用向检修单位、检修人员提供检修工具的工作方式。一般情况下核电厂工具的使用高峰期为停机换料大修期间，同时开展数千项工作、投入使用数万件工具，这就要求核电厂要有一套准确、高效的工具管理系统，对工具的采购、入库、借用、归还、保养、维修、检定、盘点、报废等全部过程内的状态进行跟踪管理，并形成真实、有效的存档记录。工具管理体系至少要实现高效服务于生产活动、精细管理工具资产和准确的质量数据溯源三大功能。

国内某三代核电厂的工具管理系统在电厂投运初期依托MAXIMO 系统进行开发，形成了较为完备的工具管理体系。随着工业自动化的发展和精细化管理的需求，智慧化仓储管理系统的作用越来越突出，它具有提高作业管理效率、提升仓库管理员管理水平、缩减劳动工作量、降低误差概率、提升空间利用率等多方面的优点［1］，已经成为核电行业仓储管理的主要发展趋势。在集团公司ERP（Enterprise Resource Planning）项目建设的大背景下，核电厂检修工作对工具管理的精细化、智能化和协同化提出了更高的要求，原本依托MAXIMO 系统开发的工具管理系统无法更好地实现功能需求，转而进行基于WMS 系统（Warehouse Management System）的全新工具管理系统开发，以实现工具的出入库管理、库内管理、报表管理、权限管理等［2］全方位的智能化提升。同时核电厂物料主数据、采购、成本等相关管理系统由CMIS（Contemporary Integrated Manufacturing System）迁移至SAP（Systems Applications and Products）进行同步开发。

1 功能需求与系统接口

工具管理是物资管理的一部分，作为可重复性使用的物资要在不同工作场景中进行流转，物资状态随场景变更而变更并形成有效的循环。工具类物资从提出需求到退出使用主要经历的环节如图1 所示，采购管理和资产管理分别是工具管理的上、下游管理接口，遵循上下游管理要求，在管理系统中表现为工具管理系统开发的协同性。

图1 工具类物资管理的主要环节Fig.1 The main link of tool material management

1.1 工具管理系统功能要求

工具管理的目的是持续、高效地向生产维修工作提供安全、可靠、充足、准确的工具。工具管理功能的所有要求都是围绕着服务生产这一目标展开的，因此功能要求主要有以下三个方面。

（1）每件（套）工具具有唯一识别码。工具作为物资的一种，在SAP 中由物料主数据系统进行数据管理，同一种规格型号描述的物资拥有相同的物资属性，用同一个数字编码标识，称为物资编码。每件（套）工具作为一种有形的资产，可重复性使用，具有一定的使用寿命，而且核电厂生产工作要求部分特殊工具在使用寿期内要进行多次检定、校准、测量、保养、维修等工作，会形成大量的与单个工具个体相匹配的数据记录。核电工具的这一特性要求每件（套）工具要有一个身份识别信息，称为资产编码。这一系统功能要求工具使用寿期内所有的使用、操作记录和个体匹配的业务活动数据［3］都要与资产编码进行有效关联。

（2）用户权限管理。工具管理用户分为两种：一种是工具管理员，一种是工具借用人。对工具管理员来说，除了工具库房内的常规仓储管理外，还要对借出的工具进行使用跟踪，对安全工具、计量工具、起重工具、电动工具等有使用有效期限制的工具进行有效管控。对于借用人来说，工具借用归还界面操作应简单、便捷，界面信息准确、有效。对于使用技术难度大、危险系数高的工具应对借用人设定有效的权限控制，并有效管理借用人权限的时效性。

（3）质保信息追溯。每件（套）工具都有唯一识别码，对应每件（套）工具全寿期内产生的质量保证记录具备可追溯性，为维修活动提供工艺质量保证［4］。例1：某个工单中某个关键步骤产生的数据是由A 工具测量所得，可查询信息包括：A 工具在此时间段是由B 工作人员在C 工具库中借用的，A 工具在X 年X 月X 日由D 计量检定机构检定，检定结果合格，有效期至Y 年Y 月Y 日；例2：a 工具在最近的一次计量检定中判定不合格，a 工具在上一个使用周期自×年×月×日至送检之间的时间段内，有b、c、d 等人借用过，分别使用在工单e、f、g 的工作中，a 工具的检定不合格对工单e、f、g 的工作是否造成质量影响可以进行评估。

（4）数据报表及数据分析。工具管理过程中产生的数据是生产维修工作对工具需求的具体体现，工具管理系统可以利用一定周期内的数据进行分析，智能化地判断工具的使用情况：配置是否平衡、型号是否需要调整、数量是否需要补充。通过智能判断给出工具配置的调整意见，持续优化工具配置。

1.2 工具管理与采购和资产管理的接口

原有的采购管理和资产管理系统在CIMS系统中，而原有的工具管理系统在MAXIMO 系统中，数据不共享，造成工具物资的采购信息只能依靠人工进行输入，即工具物资在完成采购与入库流程后，工具管理人员在采购管理系统中完成验收与领用审批，生成领用单，以领用单为数据依据，录入工具管理系统，生成并打印工具资产标签，完成资产上架。

工具管理系统迁移至WMS 系统的同时，物料主数据、采购、成本等相关的采购管理和资产管理系统迁移至SAP 系统中。WMS 与SAP两个系统之间采用接口集成的方式进行数据传输，实现信息传递及交互，将后端操作与前端业务关联，实现精细化管理的同时也做到一体化管理。WMS 与SAP 系统都具有物料仓储管理的功能，相较于SAP 系统的仓储管理功能，WMS 系统主要负责仓库内物料存放货位的管理，既可记录库存数据，又可控制自动化设备的运行，其不仅关注结果，也注重过程指导和控制，更为灵活及适用［5-6］。

1.3 工具管理与工单管理的接口

该核电厂生产管理系统在MAXIMO 系统中，所以与生产直接相关的工单管理和新开发的工具管理分别在不同的系统中工作，这样造成工单与工具相关联的数据需要预设接口并允许部分数据的相互调用。工具管理系统与工单管理系统之间的关联关系如图2 所示。

图2 工具管理系统与工单管理系统之间的关联Fig.2 The relationship between the tool management system and the work order management system

（1）在核电厂中，按照质量保证、工业安全和计量管理的要求：工作中使用的计量工具、电动工具、吊装工具和安全工具等，应在工作记录中详细记录工具资产号、名称、规格型号及有效期；若某计量工具在周期性检定中结果为不合格，应当追溯其上次检定合格到本次检定的时间区间内，有哪些工作使用了此工具，是否对工作造成影响，是否需要数值复测。

（2）按照此核电厂工单管理的相关要求：工单准备阶段要填写工具需求，即可以在工单中的工具需求栏中直接读取并选择需要使用的工具（形成物资编码列表）；工具管理系统中创建的工具借用单可以实现一键调用工单中工具需求栏的内容；通过调用工单工具需求触发的工具借用单，实际借用的工具清单（形成资产编码列表）可以反传给工单形成工具记录，最终体现在完工报告中。

（3）在核电厂中，虽然专用工具是按照工具管理进行物资管理的，但因其具有功能特殊性高、性能要求高、可替代性低等特点，要求用户需要对专用工具进行周期性的维护保养，以保证其可用性。简单专用工具维护保养工作在工具管理系统中工具保养模块周期性开展，形成维护保养记录。但有些专用工具的保养工作作业相对复杂、风险较高、有质量控制要求或者是对在线运行设备有一定的风险影响时，保养执行人员会采用工单执行的方式由生产管理相关流程的审批进行。这一系统功能要求工具管理系统中工具保养模块可以读取工单相关信息以保证专用工具保养周期性执行记录的连贯性。

1.4 新旧数据衔接

为了保证工具管理使用的衔接性，原有的MAXIMO 系统中的工具数据需要迁移至新的WMS 系统中。MAXIMO 系统工具管理模块使用约10 年，资产数据6 万余条，借用数据55 万余条，另有数万条检定和保养信息。新旧系统切换需要对数据进行重新整理和迁移，工作量较大。

而且因为主数据系统变更的缘故，原有物资编码在SAP 系统中发生了变化，新旧物资编码对照与关联在使用新系统后会成为一个新的挑战：新系统中的数据是否能与原系统中的历史数据形成有效的数据链保证数据的追溯性。

因此新系统投用时原系统停止服务但不删除数据，以停用时刻的数据作为新系统的初始数据，历史数据在原系统查询，新产生的数据在新系统查询。因主数据系统变化而造成的物资编码发生变化，新系统中要同时存在新旧两套物资编码以方便用户查询使用，因此需要开发新旧物资编码对照关联功能，新旧编码同时可用。

2 工具管理功能升级

本次工具管理系统的开发，是在已有的工具管理模式下通过更换管理系统进行的管理升级，在已成熟的管理流程的基础上增加了移动化工作终端、精细化库位规划、智能化数据分析等功能，另做了无人化功能的拓展规划。下文将针对新增功能开发进行论述。

2.1 移动化工作终端

由于核电厂内部办公业务所用的信息内网与外部网络是隔离开的，因此在移动终端开发和信息数据上会受到一些限制。随着网络技术的发展和内部网络信息管理技术的不断提升，在此次的工具管理系统开发中，操作模块采用了PDA 和企业APP 两种移动化工作终端的形式。移动化工作终端极大地提升了工作效率，相较于人工输入数据的方式大大降低了失误率。企业APP 的使用极大地方便了工具使用者的业务办理的体验，减少了业务等待时间，提升了生产工作效率。

（1）PDA

PDA 因其便携性、实用性等特点，具有数据实时采集、自动存储、即时显示/反馈、自动传输等功能［7］，被广泛使用在仓储管理业务中。在工具管理系统中，PDA 可以完成物资入库、上架、下架、借用、归还、盘点、查询等多项业务处理。在实物保护区域外的工具库房，工作人员通过专用5G 无线网实现PDA 扫描数据实时传输。在实物保护区域内的的工具库房，PDA 采用离线的方式进行数据扫描和存储，工作完成后通过数据线进行数据传输。

（2）企业APP

本次的开发项目在企业APP 中增加工具管理中的审批管理功能。企业APP 通过专属的隔离装置可以实现利用互联网安全地访问信息内网，工具管理人员和工具使用人员通过智能手机安装企业APP 并获得授权后，可以在相应的工作模块中进行工具授权、借用、损坏、遗失、维修等相关审批业务处理、业务跟踪查看及工作信息提醒等。

2.2 精细化库位规划

利用WMS 系统的精细化货区、货位的管理功能，以及推荐规划路线的功能，仓储管理人员重新细化各类工具的存放货位，资产编码与货位编码精确匹配，根据库房货架的排放情况制定货位编码规则，通过系统自动规划最优上架/下架路径，避免因人员经验不足在多个货架之间无效往返造成工作效率下降。常见的推荐路径形式如图3 所示。精细化库位与路径优化的使用，平均每个借用单预计缩短约40%的时间。

图3 两种不同形式的推荐路径Fig.3 Two different forms of recommended paths

2.3 智能化数据分析

核电厂中会根据使用区域划分设置多个工具库房，例如常规岛工具库、X 号机组核岛工具库、去污热检修车间工具库等。因工作需求的变化，各工具库的工具配置类型和配置数量会发生变化，工具库之间会有工具的流动和转移。智能化数据分析会通过一个时间周期内的各库房工具使用情况，给出下一阶段工具类型和工具数量配置推荐，结合工具残值和维修成本给出补充采购、维修或报废的建议，并根据某一时间段放射性玷污工具的数量变化给出辐射控制区内的控制预警。智能化数据分析示意图见图4。

图4 智能化数据分析示意图Fig.4 Intelligent data analysis diagram

2.4 多功能报表

工具管理系统应按照核电厂内的管理要求对工具使用情况、工具周转情况、工具状态等参数进行监督，并实施预警，提前消除一些可预见性的不规范行为。例如：

（1）借用工具即将到检定有效期且未归还，向借用人和工具管理员发出预警；

（2）借用工具即将到申请的使用期限且未归还，向借用人和工具管理员发出预警；

（3）待维护、保养、维修的工具到达维保期限1 个月未完成，向维保人员发出预警；

（4）统计某一时间段内工具的周转率、修复率、损坏率等数据；

（5）统计人员在工具借用授权期限内的用户活跃程度，冻结长期不活跃用户工具借用权限。

多功能报表的预警功能充分与用户工作台、邮箱和企业APP 相结合，及时推送预警信息，提高用户处理业务的时效性。

2.5 无人化功能拓展

无线射频技术（Radio Frequency Identification，RFID）作为物联网感知数据的重要技术手段之一，在工业、农业、军事等诸多领域应用成熟广泛［8］。现在市场流通的PDA 主流型号既可以扫描条形码、二维码等图片型标签，也可以读取RFID 标签。通过5G 专网的搭设，在部分工具库中建立5G 通讯网络，实现移动设备的无线数据传输。在搭建了RFID 读取装置、门禁管理装置、视频监控装置等设施后，对工具进行加装RFID 标签改造，即可以实现借用人自助借用、归还工器具的场景，无须工具管理员干涉，打造成按需取用、自动记录、零等候的无人化工具库。对于辐射控制区工具库，则需要将无人系统辐射监测技术［9］与工具管理系统有效结合，实现无人化管理。

3 结论

核电工具管理精细化是核电维修质量保证的具体表现，工具管理系统的升级也是对精细化管理的实践应用。本文以某核电厂工具管理系统开发为例，具体描述了核电工具管理的要求和系统的功能实现。移动化工作终端的使用可以很大程度上降低对工具管理员的工作经验的依赖和借用人的等候时间，企业APP 的功能使用打破了传统的工作空间和时间的界限，很大程度上提升了工作的准确性和时效性，极大地提高了用户的体验度。智能化数据分析功能可以很好地辅助工具管理人员对管理要求、采购策略或工作计划作出决策，形成工具管理和工具配置的标准化。同时，升级后的工具管理系统预留了无人化自助工具借用的拓展空间，可为智能物流模式打下基础。