基于船舶管件加工的車間自動化產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)研究

吳佰勝　全先江　顧松柏

摘 ?要： 針對有多工位、同一工作站船舶管件直管段加工自動化生產(chǎn)線的排產(chǎn)優(yōu)化，同時考慮管材自動化立體倉庫、法蘭上位機(jī)的精準(zhǔn)配料等問題，采用精準(zhǔn)算法的多系統(tǒng)協(xié)同方式，包含有智能產(chǎn)線管控系統(tǒng)（BCS）、產(chǎn)線主控PLC、倉儲配送系統(tǒng)（WMS）、法蘭上位機(jī)系統(tǒng)，以智能產(chǎn)線管控系統(tǒng)（BCS）為中央處理單元，負(fù)責(zé)與產(chǎn)線主控PLC通訊處理整條產(chǎn)線的實(shí)時管控、包括生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)，協(xié)調(diào)立庫的倉儲配送系統(tǒng)、法蘭上位機(jī)系統(tǒng)管材、法蘭上料，以實(shí)現(xiàn)船舶管件直管段自動化產(chǎn)線有序加工、提高生產(chǎn)效率，尤其是解決先焊后彎突破后，大量直管段加工需求，極大降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：?船舶管件;自動化產(chǎn)線;多系統(tǒng)協(xié)同;排產(chǎn)優(yōu)化

中圖分類號：?TP391. 41????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.047

【Abstract】： Aiming at the production optimization of the automatic production line for the straight pipe section processing of ships with multi-station and the same workstation， and considering the problems of the automatic three-dimensional warehouse of pipes and the precise proportioning of the flange upper computer， a precise algorithm based multi-system cooperation mode is adopted， which includes the intelligent production line management and control system （BCS）， the main control PLC of the production line， and the warehousing. Distribution system （WMS） and flange upper computer system， with intelligent production line management and control system （BCS） as the central processing unit， are responsible for communicating with the main control PLC of the production line to process the real-time management and control of the whole production line， including the delivery of production tasks， and coordinate the warehouse distribution system， flange upper computer system material and flange feeding in order to realize the shipbuilding. Automated production line of straight pipe section of marine pipe fittings can be orderly processed to improve production efficiency， especially to meet the processing demand of large number of straight pipe sections after first welding and then bending breakthrough， which greatly reduces production costs.

【Key words】：?Ship fittings; Automated production line; Multi-system coordination; Production scheduling optimization

0??引言

在船舶制造全生命周期過程中，管件加工制造是船廠生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。船舶管件生產(chǎn)工時約占造整船總工時的8-12%，其中管件內(nèi)場加工工時約占65%以上，管件加工制造[1]是典型的多品種小批量離散型制造，管件制造的工作量比較大，特別是在多艘船同時建造時，就更加重了管件車間的生產(chǎn)加工任務(wù)，通過引進(jìn)產(chǎn)品制造、自動化物流等高端智能裝備，進(jìn)行裝備的工業(yè)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)武船管加車間的管理信息化、設(shè)計制造數(shù)字化、決策智能化，

自動化產(chǎn)線主要生產(chǎn)船舶管件直管段，管件E-R模型如下圖（圖1）所示。

管件模型示意圖如圖2所示。

管件包含管段與法蘭，過程就是將管材在切割機(jī)上進(jìn)行切割完成管段切割，然后進(jìn)行打磨，打磨完成后，在組隊焊接單元進(jìn)行法蘭組隊，組隊包括法蘭的組隊焊接，內(nèi)外焊接，滿焊。組隊焊接，防線?，F(xiàn)場測試。

1 ?車間生產(chǎn)調(diào)度特點(diǎn)

實(shí)際的車間生產(chǎn)調(diào)度通常是不確定的、多目標(biāo)、多條件約束的，問題難以精確預(yù)測到。一般生產(chǎn)實(shí)際中，車間調(diào)度有如下的特點(diǎn)。

（1）復(fù)雜性

在生產(chǎn)過程中，車間的工件、設(shè)備操作人員、物流傳送系統(tǒng)以及車間服務(wù)系統(tǒng)是相互影響相互制約的。因此，不僅需要考慮每一個工件的加工和安裝時間，還需要考慮系統(tǒng)之間的緩沖能力以及工件的加工順序以及操作工人的操作熟練程度，以上種種限制條件決定了車間生產(chǎn)調(diào)度的復(fù)雜性。

（2）動態(tài)隨機(jī)性

車間在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常會有物料達(dá)到時間不準(zhǔn)，實(shí)際加工工件時間與預(yù)期不吻合、設(shè)備異常、訂單被取消、交貨期更改以及緊急插單等不確定性因素，導(dǎo)致車間的生產(chǎn)調(diào)度具有很大的動態(tài)隨機(jī)性。

（3）多目標(biāo)性

在車間實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)工作[2 -3]過程中，會有很多不同的生產(chǎn)加工任務(wù)，這些生產(chǎn)任務(wù)可能會調(diào)度目標(biāo)有著不同的要求，有時候這些要求之間有許多互斥的地方，比如要求生產(chǎn)周期最小，又要求訂單超期最少，又要求設(shè)備利用率最高等等，因此如何使用車間的調(diào)度系統(tǒng)滿足這些不同的目標(biāo)，是車間調(diào)度一直面臨的難題。

（4）約束性

約束主要體現(xiàn)在工藝路線的約束和資源的約束兩個方面，車間中生產(chǎn)加工的簡單或復(fù)雜的產(chǎn)品都有著嚴(yán)格的固定工藝路線約束，工藝路線要求要求加工的產(chǎn)品各道工序前后順序不能顛倒。其次，根據(jù)加工資源原材料數(shù)量方面，以及生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模方面，生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力方面等，這些限制都不是無限的，因此車間的生產(chǎn)調(diào)度是在多約束條件下進(jìn)行的。

2 ?管件加工車間的加工工藝

本文中主要討論的是中小徑直管加工工藝[4 -7]，具體操作如下：

領(lǐng)料→下料→校管（測量檢驗→點(diǎn)焊法蘭）→焊接→打磨→報檢（環(huán)縫檢查、試壓）。

其具體操作為：

（1）領(lǐng)料

工序內(nèi)容：持領(lǐng)料單領(lǐng)取各種牌號、規(guī)格、數(shù)量的合格管材，并分別放置在料架上，Ⅰ、Ⅱ級管材應(yīng)單獨(dú)存放，并做出明顯標(biāo)記，標(biāo)記應(yīng)含檢驗號、規(guī)格。管材領(lǐng)發(fā)建立臺帳、做好記錄、簽名。

（2）下料

工序內(nèi)容：熟悉圖紙資料及工藝文件，準(zhǔn)備工護(hù)具，領(lǐng)取管材，按管件零件圖要求，核對管材的牌號、規(guī)格和等級;檢查管件有無明顯凹陷、夾渣、分層、銅綠及其它腐蝕現(xiàn)象，不符合質(zhì)量的管材堅決不用，并及時反饋;按圖劃線、切割、用廣告色或記號筆做標(biāo)記，利用吊車人工將管件放至在指定區(qū)域。切割管材DN125（含DN125以下全部機(jī)割，DN150以上允許氣割，機(jī)割管去毛刺，氣割管應(yīng)去熔渣，管件端面和軸向垂直。有色管全部機(jī)割，去毛刺、銳邊。

（3）校管

工序內(nèi)容：應(yīng)按工藝編制規(guī)定的配套件數(shù)量，領(lǐng)出各種配套件，分規(guī)格、品種整齊堆放在校管平臺旁，特殊規(guī)格型號、公稱壓力的配套件，要做出明確標(biāo)記（例如：高、低壓螺紋接頭，?32、?38、?133、?159法蘭，≥DN65以上的1.6 Mpa法蘭等）防止混用;準(zhǔn)備好專用角尺、萬能角尺，水平測試儀對照管件零件圖的要求或工藝說明進(jìn)行校管;按管件規(guī)格連接相應(yīng)法蘭，進(jìn)行對接點(diǎn)焊，法蘭連接管在焊接成型后，焊腳最高點(diǎn)距法蘭密封面尺寸應(yīng)不大于1.5 mm，連接套管伸進(jìn)長度為套管長度的1/2，通艙件套管伸出套管長度的2/3。

（4）焊接

工序內(nèi)容：了解工藝要求，準(zhǔn)備工作護(hù)具，領(lǐng)取對應(yīng)的焊材，對之前點(diǎn)焊過的法蘭與管件連接處進(jìn)行環(huán)縫焊接，對于較大口徑管件連接法蘭時內(nèi)外都要嚴(yán)密焊接。法蘭內(nèi)部焊接目前都是人工焊接。

（5）打磨

工序內(nèi)容：對于焊接后的管件，需進(jìn)行必要的打磨處理，目的是為了去除由于焊接引起的各種缺陷，包括不平整的焊縫、毛刺、焊渣、飛濺，打磨后的管件要求光滑、和順。人工使用砂片打磨居多。

（6）報檢

工序內(nèi)容：主要是進(jìn)行外觀檢測、對管件進(jìn)行試壓。外觀檢測主要是檢查焊縫缺陷，對于特定的管件還需要進(jìn)行水泵試壓，對滲漏的管件，補(bǔ)焊前先做好滲漏處的補(bǔ)焊記號，在泄壓放液后進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后的管件進(jìn)行試壓。對于合格的管件最后做上驗收標(biāo)記，按規(guī)格有序放入成品區(qū)。

3??車間調(diào)度系統(tǒng)的分析與實(shí)現(xiàn)

3.1??系統(tǒng)分析

從軟件工程的角度來說，需求分析是一個軟件項目成功與否的關(guān)鍵。本文研究的調(diào)度系統(tǒng)主要目標(biāo)是為了獲得較優(yōu)的調(diào)度方案，不像傳統(tǒng)意義上的軟件開發(fā)有那么多的需求，因此本文通過對某船廠管件加工車間充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合調(diào)度系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和軟件工程領(lǐng)域的理論，得出系統(tǒng)的需求主要圍繞以下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)能夠獲得較好的調(diào)度方案

無論生產(chǎn)系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，系統(tǒng)都可以獲得較好的調(diào)度方案，尤其是當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，例如加急訂單、設(shè)備故障這種情況出現(xiàn)時，系統(tǒng)可以實(shí)時的產(chǎn)生較好的調(diào)度方案，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

（2）系統(tǒng)權(quán)限管理和安全控制

在系統(tǒng)中規(guī)定好權(quán)限，不同的工作人員僅可以處理自己職責(zé)內(nèi)的業(yè)務(wù)功能，另外在系統(tǒng)中的每一步操作，都需要記錄到操作日志中，以方便出現(xiàn)錯誤時查找問題，一定程度上保證工作人員的責(zé)任心。同時系統(tǒng)還需要做好安全工作，嚴(yán)格保密車間的各種數(shù)據(jù)。

3.2??實(shí)現(xiàn)思路

（1）在設(shè)計源頭使用PLM/PDM系統(tǒng)對導(dǎo)入的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行自動工藝匹配[8-9]，標(biāo)志出拼接管，再通過物資代碼匹配及自動線特定工藝篩選出上自動線的管件，以及通過物資代碼自動匹配連接件屬于主管還是支管。至于上自動化產(chǎn)線條件可根據(jù)產(chǎn)線要求進(jìn)行配置，根據(jù)一般通用要求需滿足以下要求：①適應(yīng)管件材料：碳鋼和不銹鋼;②適應(yīng)管徑： ???Φ48 mm～Φ219 mm;③適應(yīng)壁厚：3 mm～15 mm;④可生產(chǎn)管長：0.6 m-4 m;⑤適應(yīng)的法蘭種類：搭接法蘭;⑥法蘭符合國標(biāo)要求，例如GB/T 2506-2005、CBT 46-2007、CBT 46-1999、CBM1012- 81、CBM1013-81或CBM1014-81國家標(biāo)準(zhǔn)等;

（2）人工可對自動整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行在此確認(rèn) 調(diào)整。

（3）ERP系統(tǒng)在主支管配料時，形成配料清單及輔料配料清單，同時對所有管材及法蘭給出唯一身份標(biāo)志[10]，通知集配進(jìn)行配料，同時將清單分別發(fā)送至倉儲配送系統(tǒng)WMS及法蘭即輔材上位機(jī)，待管件送至立庫進(jìn)行上料。

（4）發(fā)料時，管材送至立庫，輔材送至法蘭庫，法蘭暫不上料。

（5）MES系統(tǒng)接收到ERP下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)ERP給是否上自動化線出標(biāo)志位，對于上自動化線的生產(chǎn)任務(wù)管件，按照管材材質(zhì)、壁厚、管徑分類打包，考慮到工作時間，原則上一個任務(wù)包不超過40根管件，同時在單個任務(wù)包中，需根據(jù)產(chǎn)線組隊焊接多工位生產(chǎn)要求及管徑大小進(jìn)行混合排產(chǎn)，確定生產(chǎn)順序，最終確定法蘭生產(chǎn)需求序列，并發(fā)送法蘭上位機(jī)進(jìn)行上料。

（6）MES系統(tǒng)產(chǎn)線控制模塊根據(jù)產(chǎn)線請求，下發(fā)WMS系統(tǒng)管材出庫，發(fā)出出庫指令，同時告知需要的原材料管件號，待管材出庫完畢，觸發(fā)成功信號，并通知MES控制模塊，MES接收到出庫成功信號后，根據(jù)排產(chǎn)后的生產(chǎn)任務(wù)順序下發(fā)產(chǎn)線任務(wù)指令，指令格式具體可根據(jù)產(chǎn)線通信要求，可采用TCP/IP協(xié)議，雙方約定好，產(chǎn)線接收到生產(chǎn)指令后，依次將生產(chǎn)指令分發(fā)至各生產(chǎn)單元，如：切割、打磨、貼碼、刻法蘭、組隊焊接。同時MES系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)線狀態(tài)及生產(chǎn)過程信息，遇到產(chǎn)線故障時，偏于及時調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)，保證產(chǎn)線效率。

（7）MES系統(tǒng)將產(chǎn)線反饋生產(chǎn)過程信息反饋至ERP系統(tǒng)，同時，MES系統(tǒng)將對產(chǎn)線所有反饋信息包括故障報警信息進(jìn)行采集，根據(jù)不同管件材質(zhì)、壁厚、管徑對各工位生產(chǎn)工時、狀態(tài)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)分析，將有用分析結(jié)果進(jìn)行知識積累，可作為后續(xù)排產(chǎn)調(diào)度依據(jù)，使后續(xù)排產(chǎn)調(diào)度結(jié)果更貼合產(chǎn)線實(shí)際需要。

4 ?結(jié)論

本文以船舶管件加工車間的調(diào)度問題作為研究

對象，分析了經(jīng)典的調(diào)度方法在處理擾動狀態(tài)調(diào)度問題中的不足，將系統(tǒng)的思想引入到車間調(diào)度問題中來，并吸取優(yōu)化算法對于靜態(tài)調(diào)度問題求解的優(yōu)點(diǎn)，對調(diào)度問題的求解提出一種新的思路。車間調(diào)度問題作為一個經(jīng)典的問題，涉及到多個學(xué)科，多個領(lǐng)域，需要多個方面的知識結(jié)合，希望在以后的研究中不斷實(shí)踐。

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