韋 剛,殷 超,吳思遠(yuǎn)
(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇海門(mén) 226100)
在船舶建造過(guò)程中,管子制作是一個(gè)重要環(huán)節(jié),管子的制造和安裝工時(shí)約占整個(gè)船舶建造過(guò)程一半以上的工時(shí),船上的管子數(shù)量多、形狀復(fù)雜,萬(wàn)噸級(jí)散裝船中的管子多達(dá)萬(wàn)根。管子生產(chǎn)成為“數(shù)字化”和“綠色造船”的關(guān)鍵組成部分。因此,要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化造船必然需要數(shù)字化管子生產(chǎn)的支持,同時(shí)數(shù)字化管子生產(chǎn)是解決我國(guó)目前面臨的管子加工技術(shù)與設(shè)備瓶頸的重要途徑,而管子生產(chǎn)線的工藝布置是其中一個(gè)重要課題。
相對(duì)于傳統(tǒng)的管子生產(chǎn)線,高柔性、高效率綜合管子智能生產(chǎn)線的工藝布置,能夠有效提高生產(chǎn)的效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工精度,并且可以實(shí)現(xiàn)大批量、高質(zhì)量地組織生產(chǎn)。
目前國(guó)內(nèi)船廠現(xiàn)有管子生產(chǎn)流水線一般分為小、中、大3條生產(chǎn)線,不能體現(xiàn)柔性生產(chǎn)要求,不利于統(tǒng)籌安排管件的生產(chǎn)。這3條生產(chǎn)線為:
1)小管生產(chǎn)線為公稱(chēng)通徑DN 15~DN 50的無(wú)縫鋼管;
2)中管生產(chǎn)線為公稱(chēng)通徑DN 65~DN 150的無(wú)縫鋼管;
3)大管生產(chǎn)線為公稱(chēng)通徑 DN 200~DN 500的無(wú)縫鋼管。
傳統(tǒng)管子生產(chǎn)線存在如下問(wèn)題:
1)生產(chǎn)能力不平衡
(1)小、中、大生產(chǎn)線每天的生產(chǎn)能力是不同的,如果3條線都是全負(fù)荷生產(chǎn)勢(shì)必會(huì)使某一產(chǎn)線產(chǎn)出過(guò)剩,從而產(chǎn)生庫(kù)存;
(2)生產(chǎn)順序不統(tǒng)一,在項(xiàng)目的不同時(shí)間和不同需求的要求下,不能滿足按需生產(chǎn)要求,導(dǎo)致成品管件配盤(pán)率低;
(3)為滿足后道安裝需求勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致某一產(chǎn)線持續(xù)高負(fù)荷生產(chǎn),產(chǎn)生大量加班作業(yè)。
2)對(duì)生產(chǎn)資料中的數(shù)據(jù)信息需多道工序拆解,耗費(fèi)大量工時(shí)
(1)初步的任務(wù)分配只能對(duì)數(shù)據(jù)信息中的管徑進(jìn)行區(qū)分來(lái)匹配小、中、大3條產(chǎn)線;
(2)在某一單一的生產(chǎn)線得到的生產(chǎn)任務(wù)中再按加工工序(是否需要彎管、對(duì)接焊等)進(jìn)行工序區(qū)分;
(3)產(chǎn)線制作結(jié)束后再按試驗(yàn)要求(探傷、密性、無(wú)需密性)再加以區(qū)分;
(4)經(jīng)過(guò)以上多層拆解后還不能滿足合作廠商表面處理的要求,最后還要按表面處理方式(酸洗、鍍鋅、打砂油漆等)進(jìn)行拆解,所有的分解最終在集配中心形成最終的所需托盤(pán)。
3)生產(chǎn)線設(shè)備的智能化程度低,不能滿足智能制造需要
(1)管子原材料庫(kù)存不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)立體庫(kù)存儲(chǔ),生產(chǎn)效率低。
(2)未進(jìn)行管件表面自動(dòng)沖砂管管子表面存在銹蝕情況,管子表面需要大量打磨工作來(lái)彌補(bǔ)不足;
(3)國(guó)內(nèi)大部分智能制造設(shè)備智能化功能不夠完備,需要人工輔助操作,生產(chǎn)效率低;
(4)管件加工的產(chǎn)能大部分靠手工操作來(lái)彌補(bǔ)流水線加工量;
(5)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴碼,簡(jiǎn)易二維碼粘貼和敲鋼印耗時(shí)多。
綜上所述,傳統(tǒng)的管子生產(chǎn)線在產(chǎn)能平衡控制和加工工序環(huán)節(jié)都存在一定的缺陷和不足,在精益生產(chǎn)理念下傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式是產(chǎn)線管理人員和設(shè)計(jì)人員亟待解決的難題。
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本文設(shè)計(jì)一種兼具柔性、高效等特點(diǎn)的智能生產(chǎn)線,該產(chǎn)線的工藝布置能夠有效解決傳統(tǒng)產(chǎn)線的生產(chǎn)效率問(wèn)題、降低生產(chǎn)成本、提高排產(chǎn)精度,可實(shí)現(xiàn)大批量、高效率的生產(chǎn)模式。主要設(shè)備有:管子自動(dòng)立體庫(kù)、管子自動(dòng)沖砂設(shè)備、管子自動(dòng)鋸切機(jī)、管子自動(dòng)坡口機(jī)、管子自動(dòng)打碼設(shè)備、法蘭/套管組對(duì)裝焊一體機(jī)、自動(dòng)數(shù)控彎管機(jī)、自動(dòng)化對(duì)接焊機(jī)和軌道Panther焊機(jī)。
管子智能生產(chǎn)線工藝布置如圖1所示。
圖1 管子智能生產(chǎn)線工藝布置圖
如圖1所示,與上方人工工位相連接的是人工通道,下方的自動(dòng)工位通過(guò)自動(dòng)通道相連接。
該工藝布局方案結(jié)合產(chǎn)量要求,進(jìn)行生產(chǎn)工藝的合理配置,既考慮了自動(dòng)化設(shè)備和自動(dòng)化物流,也考慮了人工裝配/焊接工位,確保生產(chǎn)線的柔性和多產(chǎn)品的適用性。生產(chǎn)線的軟件系統(tǒng)具有先進(jìn)性,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)和任務(wù)自動(dòng)調(diào)度,具有生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理、進(jìn)度反饋、質(zhì)量跟蹤等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)管件的全生命周期管理。
管子智能生產(chǎn)線工藝流程如下:
1)管子自動(dòng)立體庫(kù)原材料進(jìn)料按照系統(tǒng)的材料需求清單進(jìn)行,操作人員通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)排產(chǎn)進(jìn)行理料,將核對(duì)無(wú)誤的管子吊運(yùn)到上料緩存區(qū),并將管子規(guī)格、爐批號(hào)等信息掃描或輸入到系統(tǒng),管子由緩存料架上料系統(tǒng)自動(dòng)放入立體庫(kù)。
2)系統(tǒng)根據(jù)各生產(chǎn)工位的任務(wù)工作包,生成各工作站需要的管附件托盤(pán)清單,管附件倉(cāng)儲(chǔ)人員將各工作站需要的管附件根據(jù)計(jì)劃安排配送至各個(gè)設(shè)備工位及人工裝配/焊接工位。
3)管子按照“先進(jìn)先出”的方式,從管子自動(dòng)立體庫(kù)自動(dòng)輸出,通過(guò)物流輥道自動(dòng)進(jìn)入管子自動(dòng)沖砂設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)沖砂,再進(jìn)入管子清砂機(jī)進(jìn)行自動(dòng)清砂作業(yè),全程無(wú)人操控。
4)管子沖砂后,根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度進(jìn)入不同的管子自動(dòng)鋸切機(jī)和管子自動(dòng)打碼設(shè)備,其工作順序?yàn)橄却虼a再進(jìn)行切割。管子打碼采用自動(dòng)噴墨方式,管件號(hào)上采用打碼易被智能線工位智能識(shí)別所有管件相關(guān)生產(chǎn)信息。
5)管子通徑規(guī)格為DN 40~DN 400都通過(guò)帶鋸(配相應(yīng)的坡口機(jī),管子兩端打坡口),切割后需要進(jìn)行自動(dòng)焊接的,必須采用冷加工方式確保坡口滿足對(duì)接自動(dòng)化焊接的要求。
6)切割工位的各類(lèi)切割設(shè)備可以從管線信息化管理系統(tǒng)自動(dòng)接收任務(wù)指令和切割的數(shù)控程序,切割完成后自動(dòng)進(jìn)行完工任務(wù)的反饋確認(rèn),原則上不需要人為干預(yù)自動(dòng)化作業(yè),僅在系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí),由巡檢人員進(jìn)行相關(guān)處理工作。切割產(chǎn)生的短料<600 mm自動(dòng)落入預(yù)先放置的托盤(pán)內(nèi),根據(jù)系統(tǒng)排產(chǎn)指令,通過(guò)人工物流輸送方式自動(dòng)將短管托盤(pán)送往短件制作區(qū)。產(chǎn)生的余料可在管線旁設(shè)置臨時(shí)區(qū)域進(jìn)行存放,但原則上盡量通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)套料進(jìn)行優(yōu)化,盡量減少余料的產(chǎn)生。
7)一部分管子切割完成后,需要進(jìn)行自動(dòng)化對(duì)接焊,由物流輥道系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)輸?shù)阶詣?dòng)化對(duì)接焊接工作站的緩存平臺(tái),同時(shí)系統(tǒng)將對(duì)接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動(dòng)發(fā)送到對(duì)接焊接的設(shè)備的上位機(jī)上。
8)一部分管子切割完成后,需要進(jìn)行裝焊平法蘭、焊接套管等角焊縫,由物流輥道系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)輸?shù)椒ㄌm/套管組對(duì)裝焊一體機(jī)的緩存平臺(tái),同時(shí)系統(tǒng)將對(duì)接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動(dòng)發(fā)送到法蘭、套管焊接的設(shè)備的上位機(jī)上。法蘭(套管)可采用半自動(dòng)、自動(dòng)方式放置組對(duì),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位焊以及自動(dòng)化焊接法蘭(套管)。
9)管子裝焊完法蘭后,如需要彎管,由物流輥道系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)輸?shù)綇澒芄ぷ髡镜木彺嫫脚_(tái),系統(tǒng)將管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動(dòng)發(fā)送到彎管設(shè)備的上位機(jī)上。彎管機(jī)在人員監(jiān)控情況下,可以實(shí)現(xiàn)管子帶法蘭(套管)的自動(dòng)彎管。
10)管子在切割、彎管、一次裝焊完成后,根據(jù)管線系統(tǒng)指令的工藝安排,由物流輥道系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)輸?shù)桨胱詣?dòng)、人工作業(yè)工作站的緩存平臺(tái),同時(shí)系統(tǒng)將對(duì)接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動(dòng)發(fā)送到各工位的電腦終端上。為提高人工工位效率,減少物流次數(shù),人工工位應(yīng)盡可能一次形成2D/3D完工管。
11)系統(tǒng)根據(jù)各生產(chǎn)工位的任務(wù)工作包,生成各工作站需要的管附件托盤(pán)清單,提前由管附件倉(cāng)儲(chǔ)人員將各工作站需要的管附件根據(jù)計(jì)劃安排,采用人工物流方式配送至各個(gè)工作站。
12)焊接完成后的完工管子,通過(guò)吊機(jī)吊運(yùn)的方式放置到管件完工托盤(pán)內(nèi),管線信息化管理系統(tǒng)應(yīng)生成后續(xù)各工序的托盤(pán)裝盤(pán)清單,并針對(duì)托盤(pán)的存儲(chǔ)、運(yùn)輸、集配等全過(guò)程進(jìn)行管理。
13)管子完工后,系統(tǒng)仍然要對(duì)后續(xù)的管子進(jìn)行無(wú)損探傷試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、沖砂、油漆、外場(chǎng)安裝、船上安裝最終提交等全過(guò)程進(jìn)行管理,生成各種試驗(yàn)清單、測(cè)試清單和檢驗(yàn)報(bào)告,通過(guò)手機(jī)、移動(dòng)終端或電腦等對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行記錄和確認(rèn),以便完成對(duì)整個(gè)管子制作的全生命周期管理。采用手機(jī)等移動(dòng)終端兼顧酸洗磷化、鍍鋅等外協(xié)工序的進(jìn)度記錄和確認(rèn)。車(chē)間管理數(shù)據(jù)流通機(jī)制如圖2所示。
圖2 車(chē)間管理數(shù)據(jù)流通機(jī)制[2]
管子智能生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)如下:
1)打破國(guó)內(nèi)船廠現(xiàn)有管子生產(chǎn)流水線的小、中、大3條線設(shè)置
(1)管子智能生產(chǎn)線適應(yīng)范圍管子直徑范圍為“DN 40~DN 400”,涵蓋一般管子的小口徑、中口徑及大口徑管子的生產(chǎn)范圍,體現(xiàn)柔性生產(chǎn)要求,利于統(tǒng)籌安排管件的生產(chǎn)。
(2)使用管子綜合生產(chǎn)線后,管子的適用范圍為DN 40~DN 400,可以覆蓋80%以上的生產(chǎn)量,生產(chǎn)線的柔性進(jìn)一步加強(qiáng),使得管子生產(chǎn)線可以適應(yīng)船型多樣化的需要。
2)設(shè)計(jì)工作和管子生產(chǎn)流水線的數(shù)據(jù)聯(lián)通,設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)緊密貼合
(1)管線信息化 MES管理系統(tǒng),可從設(shè)計(jì)/企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning,簡(jiǎn)稱(chēng):ERP)按照各船型分段托盤(pán)分批次導(dǎo)入設(shè)計(jì)信息、計(jì)劃信息和物料信息,設(shè)計(jì)修改信息,自動(dòng)進(jìn)行管子生產(chǎn)任務(wù)包的創(chuàng)建,并進(jìn)行自動(dòng)高級(jí)排產(chǎn),任務(wù)包釋放到車(chē)間生產(chǎn)后,可以自動(dòng)為設(shè)備生成相應(yīng)的數(shù)控指令,匹配相應(yīng)的工裝夾具,自動(dòng)為管子選擇工作包(Work Packages,簡(jiǎn)稱(chēng):WPS)等;同時(shí)為半自動(dòng)和手動(dòng)工位即時(shí)生成任務(wù)隊(duì)列,并自動(dòng)進(jìn)行各自動(dòng)化工位的生產(chǎn)調(diào)度,并將所需要的物料通過(guò)物流系統(tǒng)自動(dòng)配送到工位的緩存區(qū)。
(2)從技術(shù)軟件(AVEVA Marine,簡(jiǎn)稱(chēng):AM)中導(dǎo)出含有管子加工必要工藝信息的IDF文件,并進(jìn)行歸檔管理。管線MES系統(tǒng)訪問(wèn)歸檔后的IDF文件,并讀取IDF文件以獲取管子的模型及工藝數(shù)據(jù),形成管子加工物料清單(Bill of Material,簡(jiǎn)稱(chēng):BOM)。
(3)ERP系統(tǒng)提供每個(gè)托盤(pán)管子制作的計(jì)劃開(kāi)工和計(jì)劃完工時(shí)間。管線 MES系統(tǒng)需要根據(jù)導(dǎo)入的托盤(pán)制作計(jì)劃及管子加工 BOM,自行完成加工路徑的計(jì)算及各個(gè)工位的高級(jí)排產(chǎn)(滿足托盤(pán)完成計(jì)劃的前提下,自動(dòng)確定每個(gè)加工任務(wù)在各工位的加工時(shí)間,自動(dòng)平衡各工位的作業(yè)負(fù)荷,可根據(jù)插單、設(shè)備故障、原材料問(wèn)題等自動(dòng)調(diào)整產(chǎn)線的計(jì)劃時(shí)間),并將生產(chǎn)過(guò)程中將每根管子的完工狀態(tài)反饋給現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)。
(4)ERP系統(tǒng)提供管加工所需材料的庫(kù)存信息,用于管線 MES系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)前材料滿足情況的檢查。
(5)管線MES系統(tǒng)應(yīng)具備生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)采集、異常預(yù)警、歷史信息、系統(tǒng)集成和各種報(bào)表分析等功能,所有報(bào)表模板可以自行配置,并能夠滿足中控室各類(lèi)監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)需求。
(6)綜合生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度大幅度提高,達(dá)到國(guó)際智能制造水平,相對(duì)于之前規(guī)劃的生產(chǎn)線,生產(chǎn)線的立體庫(kù)、管子沖砂機(jī)、鋸切機(jī)、坡口機(jī)、自動(dòng)焊機(jī)、彎管機(jī)等主要設(shè)備均為在線設(shè)備。
(7)管理軟件具有高級(jí)排程功能,具有與生產(chǎn)硬件信號(hào)交互控制實(shí)現(xiàn)即時(shí)自動(dòng)調(diào)度功能,具有管子從設(shè)計(jì)到管子上船安裝全生命周期管理功能。
3)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)智能化程度以及物流系統(tǒng)可完全自動(dòng)化調(diào)度
(1)全流程的工藝管理。生產(chǎn)管理軟件核心功能具有深層次的MES管理開(kāi)發(fā)功能。
(2)工位級(jí)的高級(jí)排程。生產(chǎn)管理軟件能根據(jù)產(chǎn)線的實(shí)際產(chǎn)能對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度。
(3)配備自動(dòng)化的物流系統(tǒng)。工件自動(dòng)識(shí)別軟件系統(tǒng)指令,自動(dòng)化的物流系統(tǒng)使工件通過(guò)物流輥道自動(dòng)調(diào)配傳送到下一工序。
(4)對(duì)管件加工完成之后的工序完全實(shí)現(xiàn)智能軟件自動(dòng)管理,包括自動(dòng)抽取探傷比例、自動(dòng)抽取試壓方式、表面處理等,實(shí)現(xiàn)不同流程管子配不同托盤(pán)。
4)生產(chǎn)線設(shè)備的智能化程度高,滿足智能制造需要
(1)管子原材料庫(kù)存可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)立體庫(kù)存儲(chǔ),生產(chǎn)效率高。
(2)對(duì)表面存在銹蝕情況的管件進(jìn)行自動(dòng)沖砂,無(wú)需打磨工作來(lái)彌補(bǔ)管子表面的不足。
(3)國(guó)內(nèi)大部分智能制造設(shè)備智能化功能比較完備,僅需少量人工輔助。
(4)管件加工的產(chǎn)能大部分是靠手工操作來(lái)彌補(bǔ)流水線加工量。
(5)管子自動(dòng)打碼設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴碼,解決人工貼碼的問(wèn)題。
本文設(shè)計(jì)一種具有高柔性高效率綜合管子智能生產(chǎn)線的工藝布置,滿足多元化船舶產(chǎn)品特點(diǎn),采用行業(yè)智能制造先進(jìn)技術(shù),在硬件上符合DN 40~DN 400管徑碳鋼管加工工藝流程要求,在軟件上與公司現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)對(duì)接,并自帶MES系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)區(qū)和半自動(dòng)區(qū)的信息及物流順暢貫通。利用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)沖砂、自動(dòng)切割、先焊后彎、自動(dòng)彎管、法蘭/套管組對(duì)裝焊一體機(jī)、高級(jí)自動(dòng)化排產(chǎn)、全自動(dòng)物流、人工裝配/焊接工位等先進(jìn)工藝技術(shù),配合生產(chǎn)線軟件和全自動(dòng)物流系統(tǒng)將這些自動(dòng)化設(shè)備以及人工工位連接在一起,提高工效和質(zhì)量。
綜合管子智能生產(chǎn)線的工藝布置兼顧智能、高效、柔性的生產(chǎn)特點(diǎn),工藝適應(yīng)范圍廣,產(chǎn)能可擴(kuò)展,管子智能生產(chǎn)線規(guī)劃方案理念及配置先進(jìn),符合智能化發(fā)展方向。