船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)模型研究

俞 峰

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

現(xiàn)代造船模式下，為實(shí)現(xiàn)“以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向”原則組織生產(chǎn)和編制生產(chǎn)計(jì)劃，將生產(chǎn)進(jìn)行空間上分道，并優(yōu)化資源分配，達(dá)到生產(chǎn)連續(xù)、負(fù)荷均衡的目標(biāo)，國內(nèi)各主要船廠紛紛通過實(shí)施部署 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）或 ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源規(guī)劃）作為管理工具，以支撐企業(yè)資源與計(jì)劃管理體系的科學(xué)運(yùn)行，并取得一定效果。但由于缺乏企業(yè)級(jí)計(jì)劃管理層與底層車間控制層之間的“橋梁”，CIMS或ERP往往無法實(shí)現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場信息進(jìn)行及時(shí)有效的管理。近年來，借鑒其他行業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng) MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）的研究與實(shí)踐成果，國內(nèi)船舶行業(yè)也開展了大量關(guān)于船舶MES系統(tǒng)的應(yīng)用研究。MES系統(tǒng)可以有效地幫助船舶企業(yè)解決公司層面生產(chǎn)計(jì)劃與車間生產(chǎn)調(diào)度管理聯(lián)系不緊密的問題，是船舶企業(yè)推動(dòng)管理向車間控制層延伸的關(guān)鍵管理工具，本文依托廈門船舶重工股份有限公司承擔(dān)的工信部智能制造新模式項(xiàng)目和某型郵輪型客滾船建造項(xiàng)目，開展船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)模型研究。

1 船舶分段建造計(jì)劃層次與信息流模型研究

在制造企業(yè)中，MES系統(tǒng)幾乎不可能獨(dú)立運(yùn)行，美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)（AMR）將MES系統(tǒng)定義為：“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，為操作人員、管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面）的當(dāng)前狀態(tài)。

船舶分段建造是總裝造船模式的關(guān)鍵，船廠的自動(dòng)化/標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)主要集中在分段制作階段，故將本次研究的主要范圍定位為分段制造車間MES系統(tǒng)研究。參考國際儀表學(xué)會(huì)（ISA）編制的ISA-SP95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)功能層次模型（見圖1），結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐建立了船廠MES系統(tǒng)集成信息流模型，如圖2所示。

圖1 企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)功能層次模型

圖2 船廠MES系統(tǒng)集成信息流模型

從模型中可以看出，MES系統(tǒng)位于計(jì)劃管理層和底層控制之間，是企業(yè)計(jì)劃管理信息、物流信息、工藝信息和車間班組級(jí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的交匯點(diǎn)。車間級(jí)生產(chǎn)管理是MES系統(tǒng)的根本任務(wù)，MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對車間級(jí)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)掌握和反饋，是支撐公司級(jí)計(jì)劃正常運(yùn)行的關(guān)鍵層級(jí)。

為支持自身的正常運(yùn)行，MES系統(tǒng)要從上層系統(tǒng)獲取必要的數(shù)據(jù)信息。以船廠分段制作車間生產(chǎn)為例：MES進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度需要以ERP系統(tǒng)提供的分段建造計(jì)劃信息為約束，并考慮鋼材物資到貨集配等信息；PDM系統(tǒng)為MES系統(tǒng)提供實(shí)際生產(chǎn)所需的生產(chǎn)物量、零件表信息、組立信息、套料信息、圖紙等；從數(shù)字式切割、加工、焊接設(shè)備、數(shù)字式生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、人工采集等多個(gè)途徑反饋的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，由MES系統(tǒng)用于生產(chǎn)監(jiān)控、物量考核與分析評估。

從時(shí)間因素分析，船廠的計(jì)劃管理層ERP系統(tǒng)考慮的問題域集中在公司級(jí)的中長期計(jì)劃管理方面，具體應(yīng)是線表計(jì)劃、主計(jì)劃/搭載計(jì)劃、中日程計(jì)劃、生產(chǎn)管理部月度計(jì)劃層級(jí)，時(shí)間因子=100X，執(zhí)行層 MES系統(tǒng)的問題域集中在車間班組層級(jí)的生產(chǎn)任務(wù)協(xié)調(diào)安排問題，時(shí)間因子=10X，控制層系統(tǒng)則必須實(shí)時(shí)下達(dá)生產(chǎn)指令和接收生產(chǎn)狀態(tài)信息，時(shí)間因子=1X。3個(gè)層面互聯(lián)互通共同實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息流的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，支撐企業(yè)正常運(yùn)行，如圖3所示。

圖3 ERP、MES、PCS這3層時(shí)間因素

2 船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模型研究

現(xiàn)代造船企業(yè)一般是按訂單生產(chǎn)的離散型制造模式，傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)實(shí)際上無法滿足船廠生產(chǎn)的敏捷性、特異化要求，在實(shí)際應(yīng)用中需要充分結(jié)合船廠生產(chǎn)特點(diǎn)構(gòu)建MES系統(tǒng)，以確保MES系統(tǒng)能真正為企業(yè)生產(chǎn)管理帶來實(shí)效。

研究目前主流的MES功能模型，參考ISA提出了8個(gè)功能的模塊模型（產(chǎn)品定義管理、產(chǎn)品資源管理、詳細(xì)生產(chǎn)排程、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)跟蹤、產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集分析），結(jié)合對船廠PDM、ERP系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)和分段制作車間生產(chǎn)管理模式的理解，構(gòu)建了基于船廠實(shí)踐的船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模型，力求能夠直接推動(dòng)MES系統(tǒng)在船廠分段制造車間落地執(zhí)行。

2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊

對應(yīng)ISA模型的產(chǎn)品定義管理模塊，主要內(nèi)容是與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的信息，包括產(chǎn)品基礎(chǔ)信息（號(hào)船/分段）、制造BOM、工藝文件、圖紙等。如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊功能模型

2.2 車間資源數(shù)據(jù)模塊

對應(yīng)ISA模型的產(chǎn)品資源管理模塊，主要內(nèi)容是生產(chǎn)過程中所使用的各類生產(chǎn)要素，包括車間組織架構(gòu)/人員信息、加工制造設(shè)備/生產(chǎn)線信息、工裝設(shè)備信息、物料集配信息。如圖5所示。

圖5 車間資源數(shù)據(jù)模塊功能模型

2.3 生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理模塊

涵蓋了ISA模型的詳細(xì)生產(chǎn)排程、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)跟蹤、產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集分析5個(gè)模塊功能。該模塊是 MES系統(tǒng)的核心模塊，主要內(nèi)容（見圖6）如下。

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理功能模型

1）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義：對分段建造的標(biāo)準(zhǔn)工序、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)類型進(jìn)行定義，并據(jù)此生成號(hào)船作業(yè)任務(wù)清單。

2）車間計(jì)劃管理：根據(jù)物料集配和圖紙下達(dá)計(jì)劃/實(shí)際情況，將ERP下達(dá)的分段建造中日程計(jì)劃根據(jù)作業(yè)任務(wù)分類分解為車間級(jí)各工序月度計(jì)劃、周計(jì)劃，如下料月計(jì)劃、小組立月計(jì)劃、小組立周計(jì)劃等；

3）作業(yè)派工管理：按車間級(jí)計(jì)劃安排，以標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)對象為維度，班組為對象進(jìn)行作業(yè)派工，如根據(jù)車間下料計(jì)劃按單元給某個(gè)預(yù)處理班組派工；

4）內(nèi)托集配管理：為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對車間內(nèi)物流的跟蹤，以零/部件類型、工藝流向?yàn)橐罁?jù)，由系統(tǒng)自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)虛擬托盤，車間班組在轉(zhuǎn)序環(huán)節(jié)選取虛擬托盤的零/部件，登記到車間實(shí)物托盤；

5）生產(chǎn)跟蹤統(tǒng)計(jì)分析：車間管理層根據(jù)計(jì)劃反饋、作業(yè)反饋、托盤信息反饋掌握車間日、周、月的計(jì)劃、物量完成情況、車間物流情況，分析計(jì)劃實(shí)際完成信息、車間生產(chǎn)效率信息，及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃和派工調(diào)整，保障車間物流順暢、生產(chǎn)連續(xù)。

2.4 質(zhì)量管理模塊

在ISA模型中沒有涉及質(zhì)量管理的功能，但車間管理有必要覆蓋設(shè)計(jì)質(zhì)量管理、制造質(zhì)量管理以及設(shè)備運(yùn)行記錄信息的分析管理功能，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)全面質(zhì)量管理、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.5 基礎(chǔ)管理模塊

主要包含國家、船級(jí)社、船東、船型、日歷定義，用戶管理、權(quán)限管理、日志管理等功能。

3 關(guān)鍵信息集成基礎(chǔ)研究

船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)的模型研究，必須以車間工序標(biāo)準(zhǔn)化、制造工藝信息標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，關(guān)注關(guān)鍵信息集成的研究，重點(diǎn)應(yīng)包括PDM與MES集成標(biāo)準(zhǔn)研究、ERP與MES集成標(biāo)準(zhǔn)研究、MES與設(shè)備物聯(lián)的集成標(biāo)準(zhǔn)研究等方面內(nèi)容，本文限于篇幅不再展開。

4 結(jié)論

本文通過研究MES的相關(guān)理論以及模型，結(jié)合對造船企業(yè)分段建造相關(guān)業(yè)務(wù)流程以及造船設(shè)計(jì)、PDM、ERP等信息系統(tǒng)集成信息的研究，提出了船舶分段制造執(zhí)行系統(tǒng)集成信息流模型。目前，相關(guān)模型已用于指導(dǎo)企業(yè)MES系統(tǒng)開發(fā)部署實(shí)踐。MES系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)用可以逐步幫助船廠車間管理人員從繁重的現(xiàn)場“救火式”調(diào)度和手工作業(yè)中解脫出來，真正提升船廠車間的生產(chǎn)管控水平。