基于船舶管件加工的車間自動化產線調度系統研究

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線的排產優化，同時考慮管材自動化立體倉庫、法蘭上位機的精準配料等問題，采用精準算法的多系統協同方式，包含有智能產線管控系統（BCS）、產線主控PLC、倉儲配送系統（WMS）、法蘭上位機系統，以智能產線管控系統（BCS）為中央處理單元，負責與產線主控PLC通訊處理整條產線的實時管控、包括生產任務的下達，協調立庫的倉儲配送系統、法蘭上位機系統管材、法蘭上料，以實現船舶管件直管段自動化產線有序加工、提高生產效率，尤其是解決先焊后彎突破后，大量直管段加工需求，極大降低生產成本。

關鍵詞：?船舶管件;自動化產線;多系統協同;排產優化

中圖分類號：?TP391. 41????文獻標識碼：?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過程中的一個重要環節。船舶管件生產工時約占造整船總工時的8-12%，其中管件內場加工工時約占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加工任務，通過引進產品制造、自動化物流等高端智能裝備，進行裝備的工業互聯，實現武船管加車間的管理信息化、設計制造數字化、決策智能化，

自動化產線主要生產船舶管件直管段，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上進行切割完成管段切割，然后進行打磨，打磨完成后，在組隊焊接單元進行法蘭組隊，組隊包括法蘭的組隊焊接，內外焊接，滿焊。組隊焊接，防線。現場測試。

1 ?車間生產調度特點

實際的車間生產調度通常是不確定的、多目標、多條件約束的，問題難以精確預測到。一般生產實際中，車間調度有如下的特點。

（1）復雜性

在生產過程中，車間的工件、設備操作人員、物流傳送系統以及車間服務系統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調度的復雜性。

（2）動態隨機性

車間在實際生產過程中，常常會有物料達到時間不準，實際加工工件時間與預期不吻合、設備異常、訂單被取消、交貨期更改以及緊急插單等不確定性因素，導致車間的生產調度具有很大的動態隨機性。

（3）多目標性

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

（4）約束性

約束主要體現在工藝路線的約束和資源的約束兩個方面，車間中生產加工的簡單或復雜的產品都有著嚴格的固定工藝路線約束，工藝路線要求要求加工的產品各道工序前后順序不能顛倒。其次，根據加工資源原材料數量方面，以及生產設備的規模方面，生產設備的生產能力方面等，這些限制都不是無限的，因此車間的生產調度是在多約束條件下進行的。

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：

領料→下料→校管（測量檢驗→點焊法蘭）→焊接→打磨→報檢（環縫檢查、試壓）。

其具體操作為：

（1）領料

工序內容：持領料單領取各種牌號、規格、數量的合格管材，并分別放置在料架上，Ⅰ、Ⅱ級管材應單獨存放，并做出明顯標記，標記應含檢驗號、規格。管材領發建立臺帳、做好記錄、簽名。

（2）下料

工序內容：熟悉圖紙資料及工藝文件，準備工護具，領取管材，按管件零件圖要求，核對管材的牌號、規格和等級;檢查管件有無明顯凹陷、夾渣、分層、銅綠及其它腐蝕現象，不符合質量的管材堅決不用，并及時反饋;按圖劃線、切割、用廣告色或記號筆做標記，利用吊車人工將管件放至在指定區域。切割管材DN125（含DN125以下全部機割，DN150以上允許氣割，機割管去毛刺，氣割管應去熔渣，管件端面和軸向垂直。有色管全部機割，去毛刺、銳邊。

（3）校管

工序內容：應按工藝編制規定的配套件數量，領出各種配套件，分規格、品種整齊堆放在校管平臺旁，特殊規格型號、公稱壓力的配套件，要做出明確標記（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行校管;按管件規格連接相應法蘭，進行對接點焊，法蘭連接管在焊接成型后，焊腳最高點距法蘭密封面尺寸應不大于1.5 mm，連接套管伸進長度為套管長度的1/2，通艙件套管伸出套管長度的2/3。

（4）焊接

工序內容：了解工藝要求，準備工作護具，領取對應的焊材，對之前點焊過的法蘭與管件連接處進行環縫焊接，對于較大口徑管件連接法蘭時內外都要嚴密焊接。法蘭內部焊接目前都是人工焊接。

（5）打磨

工序內容：對于焊接后的管件，需進行必要的打磨處理，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

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

3??車間調度系統的分析與實現

3.1??系統分析

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鍵。本文研究的調度系統主要目標是為了獲得較優的調度方案，不像傳統意義上的軟件開發有那么多的需求，因此本文通過對某船廠管件加工車間充分調研的基礎上，綜合調度系統自身的特點和軟件工程領域的理論，得出系統的需求主要圍繞以下幾點：

（1）系統能夠獲得較好的調度方案

無論生產系統處于何種狀態，系統都可以獲得較好的調度方案，尤其是當生產系統出現擾動時，例如加急訂單、設備故障這種情況出現時，系統可以實時的產生較好的調度方案，保證生產系統的運行效率。

（2）系統權限管理和安全控制

在系統中規定好權限，不同的工作人員僅可以處理自己職責內的業務功能，另外在系統中的每一步操作，都需要記錄到操作日志中，以方便出現錯誤時查找問題，一定程度上保證工作人員的責任心。同時系統還需要做好安全工作，嚴格保密車間的各種數據。

3.2??實現思路

（1）在設計源頭使用PLM/PDM系統對導入的工藝數據進行自動工藝匹配[8-9]，標志出拼接管，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。至于上自動化產線條件可根據產線要求進行配置，根據一般通用要求需滿足以下要求：①適應管件材料：碳鋼和不銹鋼;②適應管徑： ???Φ48 mm～Φ219 mm;③適應壁厚：3 mm～15 mm;④可生產管長：0.6 m-4 m;⑤適應的法蘭種類：搭接法蘭;⑥法蘭符合國標要求，例如GB/T 2506-2005、CBT 46-2007、CBT 46-1999、CBM1012- 81、CBM1013-81或CBM1014-81國家標準等;

（2）人工可對自動整理的數據進行在此確認 調整。

（3）ERP系統在主支管配料時，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志[10]，通知集配進行配料，同時將清單分別發送至倉儲配送系統WMS及法蘭即輔材上位機，待管件送至立庫進行上料。

（4）發料時，管材送至立庫，輔材送至法蘭庫，法蘭暫不上料。

（5）MES系統接收到ERP下發的生產任務，根據ERP給是否上自動化線出標志位，對于上自動化線的生產任務管件，按照管材材質、壁厚、管徑分類打包，考慮到工作時間，原則上一個任務包不超過40根管件，同時在單個任務包中，需根據產線組隊焊接多工位生產要求及管徑大小進行混合排產，確定生產順序，最終確定法蘭生產需求序列，并發送法蘭上位機進行上料。

（6）MES系統產線控制模塊根據產線請求，下發WMS系統管材出庫，發出出庫指令，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，根據排產后的生產任務順序下發產線任務指令，指令格式具體可根據產線通信要求，可采用TCP/IP協議，雙方約定好，產線接收到生產指令后，依次將生產指令分發至各生產單元，如：切割、打磨、貼碼、刻法蘭、組隊焊接。同時MES系統監控產線狀態及生產過程信息，遇到產線故障時，偏于及時調整生產任務，保證產線效率。

（7）MES系統將產線反饋生產過程信息反饋至ERP系統，同時，MES系統將對產線所有反饋信息包括故障報警信息進行采集，根據不同管件材質、壁厚、管徑對各工位生產工時、狀態進行大量數據分析，將有用分析結果進行知識積累，可作為后續排產調度依據，使后續排產調度結果更貼合產線實際需要。

4 ?結論

本文以船舶管件加工車間的調度問題作為研究

對象，分析了經典的調度方法在處理擾動狀態調度問題中的不足，將系統的思想引入到車間調度問題中來，并吸取優化算法對于靜態調度問題求解的優點，對調度問題的求解提出一種新的思路。車間調度問題作為一個經典的問題，涉及到多個學科，多個領域，需要多個方面的知識結合，希望在以后的研究中不斷實踐。

參考文獻

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