制造流水線安全運行的信息物理融合系統(tǒng)

任海英 邱伯華 段懿洋

摘要

本文主要對制造流水線的總體布局設(shè)計、各工位功能設(shè)計、工藝設(shè)計、設(shè)備配置、配套場地設(shè)計等進(jìn)行了詳細(xì)敘述。然后進(jìn)行了信息物理融合，可以模擬系統(tǒng)在不同作業(yè)計劃的執(zhí)行情況，可以選擇合理高效的作業(yè)計劃提高生產(chǎn)線的運行效率，減少庫存，縮短生產(chǎn)周期。

【關(guān)鍵詞】船舶工業(yè) 制造流水線 信息物理融合 安全運行

船舶工業(yè)具有勞動、資金、技術(shù)密集性的特點，也是現(xiàn)代大工業(yè)的縮影，是關(guān)系到國防安全及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。隨著成組技術(shù)和模塊化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，當(dāng)前船舶工業(yè)多采用流水線的生產(chǎn)模式，也就是以船舶區(qū)域、作業(yè)類型和生產(chǎn)階段分類，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的流水線模式成為主流模式，船廠成為組裝廠，主要按中間產(chǎn)品的專業(yè)化生產(chǎn)組建生產(chǎn)車間，使用專用的加工設(shè)備，可顯著提高生產(chǎn)效率。本文具體探討了制造流水線安全運行的信息物理融合情況，現(xiàn)總結(jié)報道如下。

1 船舶船體結(jié)構(gòu)的分段流水線制造概述

1.1 船體結(jié)構(gòu)形式

船舶是大型復(fù)雜裝備產(chǎn)品，其技術(shù)水平體現(xiàn)一個國家的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實力。傳統(tǒng)的造船業(yè)是勞動力密集型產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前隨著制造技術(shù)的發(fā)展，造船業(yè)逐漸走向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。船體結(jié)構(gòu)主要是由各種型材、鋼材組成的鋼結(jié)構(gòu)。船舶的外殼一般是流水線型的，只有船中附近線型趨于平坦。平面分段可分成單殼分段和雙殼分段，雙殼分段是由單殼分段加上帶有縱骨的上面板組成;單殼分段是由底板加上縱骨、肋板和縱桁組成。

1.2 船體結(jié)構(gòu)的分段流水線制造模式

隨著每年造船總量的不斷攀升，分段制作物量越來越高，提高組立速度及均衡性越來越關(guān)鍵。平面分段結(jié)構(gòu)簡單，不同船舶的平面分段在結(jié)構(gòu)和工藝特性上都很相似，焊接長度易于采用自動焊，也易實現(xiàn)滾道傳送，適宜于流水線生產(chǎn)。

2 船舶船體結(jié)構(gòu)制造流水線的設(shè)計

2.1 制造流水線總體設(shè)計

現(xiàn)代造船模式是在汲取成組生產(chǎn)、精益生產(chǎn)和計算機(jī)集成制造等先進(jìn)制造模式精華的基礎(chǔ)上的集成創(chuàng)造。利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，推動船舶向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，可提高船舶生產(chǎn)的安全性和效率，幫助船舶工業(yè)降低成本、提升競爭力，獲得發(fā)展的新動力。某某造船企業(yè)的智能系統(tǒng)可以從每個部件加工組收集制造中的船件尺寸、環(huán)境溫度、空氣濕度等數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)自己運算分析。一旦某個部件的尺寸數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，立即預(yù)警。在某某造船企業(yè)的信息物理融合車間，以前的切割、焊接、涂裝都是人工作業(yè)，現(xiàn)在則實現(xiàn)了自動化或智能化，現(xiàn)場僅有幾個做輔助工作的工人。在焊接環(huán)節(jié)，用七軸的機(jī)器人替代了傳統(tǒng)的人工電焊。不僅作業(yè)效果提高約40%，而且工人的勞動強(qiáng)度也大大降低了。

2.2 制造流水線具體設(shè)計

全面建立精益船舶制造體系，推廣應(yīng)用數(shù)字化造船技術(shù)，突破船舶智能制造工藝、智能裝備及生產(chǎn)線、車間生產(chǎn)綜合管控、車間智能制造平臺、智能制造技術(shù)體系等船舶分段智能制造共性關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)船舶分段智能制造車間示范工程，骨干造船企業(yè)造船效率達(dá)到15工時每修整總噸，分段無余量制造率90%，搭載前預(yù)舾裝率85%，造船效率和制造質(zhì)量接近日韓水平。

2.2.1 作業(yè)班組模型

流水線生產(chǎn)系統(tǒng)下的作業(yè)班組構(gòu)建問題可以描述為針對給定的具有多種加工工藝路線的制造任務(wù)集，在滿足交貨期、制造資源加工能力等約束條件下，以成本、作業(yè)班組生產(chǎn)率、設(shè)備利用率和作業(yè)負(fù)荷為目標(biāo)函數(shù)，在可利用的制造資源內(nèi)，選擇合適的制造資源，確定相應(yīng)的工藝加工路線，實現(xiàn)資源與加工任務(wù)的匹配，組成若干作業(yè)人員與作業(yè)設(shè)備相結(jié)合的作業(yè)班組。每當(dāng)零件到達(dá)事件出現(xiàn)時，首先確定機(jī)床的狀態(tài)，如果機(jī)床是空閑的，則改變到忙狀態(tài)，并且到達(dá)時刻被記錄到CHECKOUT中。零件離去事件是指在當(dāng)前工序完成加工，將要離去，進(jìn)入下一道工序所觸發(fā)的系統(tǒng)狀態(tài)的變化行為。每當(dāng)零件離開時，檢驗緩沖庫以觀察是否有零件在等待加工，如沒有（number=O），則機(jī)床狀態(tài)被置零（m=0）而下一個離開時間被置為“無窮大”，以保證下一個為到達(dá)事件，然后控制返回到主程序。

2.2.2 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)模型

在作業(yè)班組構(gòu)建完成后，合理的生產(chǎn)調(diào)度是保證流水線生產(chǎn)系統(tǒng)高效性的重要基礎(chǔ)，本節(jié)將建立流水線生調(diào)度產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。每個工作組只能同時在一個分段完成一個工序的工作。同一個分段的兩個工序不能同時完成，且工序一經(jīng)開始不能停止。工作組在不同分段間流動的時間忽略不計。同藝工作組內(nèi)有工人均可完成普通工藝任務(wù)，復(fù)雜工藝任務(wù)只有掌握復(fù)雜工藝的工人可以完成。當(dāng)分段只有普通工藝任務(wù)時，小組內(nèi)所有工人均參與完成任務(wù);當(dāng)分段內(nèi)有普通工藝和復(fù)雜工藝時，分別由掌握相應(yīng)工藝工人負(fù)責(zé)完成，復(fù)雜工藝工人完成復(fù)雜工藝任務(wù)后，若普通工藝任務(wù)還未完成，復(fù)雜工藝工人參與完成剩下普通工藝任務(wù)。合理的作業(yè)班組構(gòu)建是流水線生產(chǎn)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，也為流水線生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供了強(qiáng)力的支撐。通過數(shù)學(xué)建模更進(jìn)一步的分析了作業(yè)班組構(gòu)建和生產(chǎn)調(diào)度問題的實質(zhì)，為搭建流水線生產(chǎn)系統(tǒng)提供理論支撐。匯總統(tǒng)計機(jī)床組的加工效率m_sjiagongef，機(jī)床平均響應(yīng)時間rrl-savgpd、零件逗留4min以上的比例m_slingeffate，接著打印輸入?yún)?shù)零件平均到達(dá)間隔m-farrival、零件平均加工時間m_tjiagongfime、加工時間標(biāo)準(zhǔn)差m_fbzh，最后打印統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3 制造流水線安全運行的信息物理融合系統(tǒng)建立

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

為了方便船廠分段車間實施流水線下的生產(chǎn)融合，開發(fā)了相關(guān)的信息物理融合系統(tǒng)主要滿足以下功能：能夠方便、直觀的顯示融合結(jié)果;能夠根據(jù)車間的生產(chǎn)任務(wù)和作業(yè)班組的情況進(jìn)行生產(chǎn)融合;從功能上實現(xiàn)作業(yè)班組的構(gòu)件，并方便維護(hù);方便導(dǎo)入車間的生產(chǎn)任務(wù);能夠反映車間的生產(chǎn)能力狀況。

3.2 功能模塊設(shè)計

信息物理融合系統(tǒng)的主要功能模塊有車間資源信息、車間任務(wù)信息、作業(yè)班組設(shè)置、車間生產(chǎn)融合、融合結(jié)果輸出和融合性能分析等。車間資源信息主要包括車間內(nèi)的人員、設(shè)備等資源情況，人員資源信息主要包括不同作業(yè)類型的人員數(shù)量、技術(shù)掌握種類以及工作能力等，設(shè)備資源信息主要包括設(shè)備的種類和能力等，船舶曲面分段主要用的設(shè)備有門吊、焊接設(shè)備、裝配設(shè)備等。融合結(jié)果輸出是將車間融合結(jié)果以作業(yè)班組任務(wù)和曲面分段班組安排兩種形式輸出，分別顯示每個作業(yè)班組加工的任務(wù)、加工時間和每個分段各工序的工作班組、工作時間。融合性能分析可以輸出融合結(jié)果的甘特圖，還可以分析遺傳算法的收斂性。融合方案界面顯示系統(tǒng)計算出來的融合方案，分別可以按照作業(yè)班組安排顯示和分段安排顯示。

同時在進(jìn)行制造流水線安全運行的信息物理融合系統(tǒng)建立過程中，融合設(shè)計、數(shù)據(jù)支撐等是智能制造裝備充分發(fā)揮效率，實現(xiàn)能力的重要因素;整體規(guī)劃、分布實施至關(guān)重要，同時要結(jié)合企業(yè)自身生產(chǎn)實際需求，自主完成生產(chǎn)線的基本設(shè)計，再造流程。

總之，制造流水線安全運行的信息物理融合具有較高的機(jī)械化、自動化設(shè)備，比如還必須要有現(xiàn)代化的管理，這樣才能真正發(fā)揮流水線信息物理融合的價值。

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