管件生產加工管理系統

陳維杰， 錢 娣， 張 濤， 卜 佳， 林 海

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

2013年德國在漢諾威工業博覽會上正式推出 “工業4.0”，旨在利用信息化技術搭建智慧型網絡，實現數據實時交互，建立“智慧工廠”，從而實現整個生產過程的“自我優化”。隨后，我國也提出“中國制造2025”，加快高端制造業的發展。現代化的管件車間應更主動地迎合這一趨勢，在“中國制造2025”戰略對接“工業4.0”的大背景下，憑借成熟的軟件技術的支持，填補傳統生產管理模式的不足，充分發揮現有生產工藝的優勢，走出一條可持續、低能耗、高盈利、面向未來的發展道路。

目前，由于船舶行業管件產品數量龐大、規格繁多、品類復雜[1]，船用管件加工廠一般較難組織批量式生產，如何降低生產和管理成本、提高產量和設備利用率是工廠必須關心的首要問題。因此，在船用管件的加工過程中需充分利用部件的相似性，將單件式生產方式優化為批量式生產方式。

傳統生產方式存在以下問題：在成品管交貨時，總裝模式下的造船廠需要按照管件加工廠安裝管件的順序及管件的分段、管件所屬系統等安裝關系組織交貨，而在管件加工過程中，需要按照管件的相似性(如管件規格、管件形狀類型、管件表面處理方式等)組織生產，這樣勢必需要打破管件的安裝關系重新分組安排生產。按照加工相似性劃分管件，解決管件的批量加工與交貨之間的不同要求，是采用人工排定計劃的生產方式難以較為妥善解決的。

為解決上述問題，管理人員須按照設備加工能力和當前負載情況制定或調整加工計劃。這個過程受到的約束條件較多，管件的生產狀態因種種原因(車間生產的復雜性、動態隨機性、多目標性及約束性等)無法及時準確有效地反饋給管理人員，需要對管件集合從多方面進行匯總分析。這個過程用傳統的生產管理方式很難完成。

因此，對如何將計算機信息技術引入到管件加工過程中，在整個管件工程范圍內構建管件生產加工管理系統加以探究。

1 管件生產加工管理系統概述

管件生產加工管理系統是為提高管件車間加工生產效率、降低生產環節成本、減少資源浪費、改善產品品質并最終提升行業競爭力而設計的一套基于精確生產方式的管理系統。該系統從設計信息中獲取加工工藝數據，采用加工工藝相似性原理進行生產計劃安排，通過網絡實現自動化加工，從而實現部分工位無紙化加工，保證有序高效的生產活動，最終實現提高企業生產效率和生產管理水平的目標。

該系統采用數據庫管理技術，建立管件批量生產數據庫并提供數據支撐，對管件的設計數據、加工數據及加工狀態進行統一集中管理，提供方便的查詢、分析等手段。系統的數據源來自工藝數據，利用計算機網絡和信息的固有特征，對管件生產工藝信息進行結構化、層次化、模塊化的描述，經過對設計數據的分析獲得管件加工數據和要求。

系統采用C/S架構，即客戶端服務器端架構。服務器端有數據庫訪問層，單獨處理對數據庫的訪問事務；有業務邏輯層，專門處理業務邏輯，并方便擴展和調整。客戶端負責完成人機交互及與相關加工設備之間的數據通信，通過遠程調用技術實現與服務器的交互。

2 管件生產加工管理系統結構

管件生產加工管理系統采用公共功能層與定制開發功能層分離的方法組織項目開發。公共功能層面向同類加工工廠的共同需求，保證軟件系統的通用性，使得面向整個行業內的普遍工廠進行軟件設計與開發成為可能。與公共功能層不同，定制開發功能層是建立在公共功能層基礎上的一些定制開發，是單獨對應于當前實施工廠而特定開發的，并不適用于其他類型企業。采用這種功能層分離的方式，在保證軟件對特定工廠的深度適用性的同時，保證系統對同類工廠差別性的廣泛適用性。

管件生產加工管理系統按功能可劃分為人員權限、基本管理、數據導入、計劃管理、倉庫管理、加工管理、報表生成等7大模塊。每個模塊可由若干個子模塊組成：人員權限包括主管權限管理、普通人員權限管理、生產加工人員權限管理等；基本管理包括部門管理、生產線管理等；數據導入指通過Excel將每根管件的基礎信息導入至數據庫；計劃管理指對每個項目的周期計劃制訂相應的加工步驟和節點；倉庫管理包括庫存明細、入庫管理、規格管理、出入庫明細查詢等；加工管理包括管件狀態提交、管件狀態明細、表面處理、手動下料、加工進度等；報表生成指通過每道工序的數據最終輸出報表并下達生產和加工任務。

3 管件生產加工管理數據庫結構

管件生產加工管理系統采用數據庫統一管理數據。數據庫是管件生產加工管理系統得以正常運行的基礎，存放著大量的基本信息及與管件加工生產過程相關的動態信息，還存放著企業業務活動和生產活動過程中的靜態和動態信息，可實現加工過程中數據的一致性和共享性。通過對數據庫模型的良好設計，可盡量減少數據的冗余，消除數據不一致。數據庫采用Microsoft SQL Server 2008。系統采用C/S模型，通過服務器端對數據庫數據統一訪問，提高數據庫的訪問速度，保證企業內人員對數據的訪問和更改的實時性和一致性。

數據庫模型的設計要求是根據產品加工工藝的相似性進行空間分道，實現對車間生產資源的優化組合，提高生產效率。分析加工過程中物流的流向和流量，找出生產過程中需要獲取信息、協調和控制的關鍵環節，以這些環節為信息站點，就可將一個連續的管件生產過程看成離散點的信息控制過程。

從工藝圖紙獲得管件的全部設計數據，將該設計數據整理成統一的格式，然后對其進行分析，獲取每個管件的材料、口徑、長度、法蘭焊接、表面處理方式、校管方式及管件類型等信息。利用計算機網絡和信息的固有特征，對管件批量生產工藝信息進行結構化、層次化、模塊化的描述，最終形成管件批量生產工藝數據庫。

采用面向對象的技術對管件批量生產工藝的需要進行分析和描述。根據設計、生產和管理的不同要求，可將管件對象分為基本屬性、幾何屬性、加工屬性、裝配連接屬性及管理屬性等。同時，為保證數據的一致性和規范性，還需要設置必要的基礎信息， 圖1為管件對象的數據模型。

圖1 管件對象數據模型

該數據庫主要包括以下幾個部分的信息：

(1) 主管；

(2) 管零件；

(3) 管件基本數據：管徑、壁厚、材料等；

(4) 管件裝配數據：管段和連接件、管段和附件、分段、托盤等；

(5) 管件加工數據：下料長度、法蘭相對轉角、法蘭相初始角；

(6) 其他：基礎編碼、統計管理要求等。

數據庫信息模型按所描述的對象主要分為以下7個模型：

(1) 管件信息模型。該模型用于描述：管件整體性的相關信息，如工程名、區域名、圖紙編號、管件名、管件類型、表面處理、壓力試驗及封口要求等；管件(管段/附件)的加工詳細信息，如名稱、加工長度、材料、規格型號、類型(直/彎等)、質量、條形碼等；加工工藝流程的信息，如加工順序、加工設備及配套部件等。

(2) 過程信息模型。該模型用于描述管件在管理和加工過程中的狀態，主要有采集器配置、采集數據信息、記錄管件狀態等。采集器在使用前必須經過本系統對其進行設置，確定其使用人、工位等。采集器用掃描的方式將管段上的條形碼信息進行采集和保存。操作人員每天將保存在采集器中的數據通過本系統上傳至數據庫中，同時對管件狀態進行設置。

(3) 物料信息模型。該模型用于描述管件材料或零件的信息，主要有管件的分類(管段、附件等)、材料、規格型號、出入庫和庫存等。

(4) 計劃信息模型。該模型用于描述計劃信息，主要有月、周的詳細計劃等。計劃以船和圖號為單位，通過圖號關聯到管件。

(5) 工程項目信息模型。該模型用于描述與工程有關的管理信息，主要有工程、船名、區域及圖號等。

(6) 基礎編碼信息模型。該模型用于對每根管件及零件的長度、彎度、半徑等基礎數據信息進行編碼。

(7) 人員信息模型。該模型用于描述一些與管理軟件本身運行有關的信息，如登錄名、密碼及人員與角色關系等，角色屬性決定可以操作該軟件的權限。

4 管件生產加工管理系統待開發功能

在“中國制造2025”及“工業4.0”的大背景下，結合管件生產加工管理工作中不斷出現的需求，應進一步完善并提升管件生產加工管理系統的復雜功能及實際應用效果，體現在以下幾方面：

(1) 根據管件不同的生產工藝要求，通過數據分析直接調取相應管件生產加工模塊，自動生成最優生產線，在耗時最短的情況下高質量地開展新的生產任務。

(2) 全生產場景的可視化成為現實，通過數字化模擬生產模式，可大幅降低各類生產試運行的試錯成本，提升產效產能。

(3) 提升系統處理復雜問題能力，可更好地適用于各種實際生產場景。

(4) 及時新建或改造符合 “工業4.0” 相關要求的生產線及車間。

(5) 促進人工智能的進一步發展，以人工智能為基礎的各種算法可對整條生產線持續進行優化，并有效地降低能源及其他資源的消耗。

(6) 需要更多具備打造生產管理模塊、熟悉大數據技術并能夠合理使用相應研發工具等能力的生產管理人員。

(7) 可賦予工程師更多創新空間。

5 結 語

從現代管件生產加工業務流程的調查和分析出發，分析管件生產加工過程中的主要信息對象及其相互關系，根據管件生產加工過程中的信息化現狀和要求，提出管件生產加工車間信息化體系的架構，對管件信息集成和應用方法進行研究，建立管件車間生產加工與管理系統和與此相對應的數據庫。該系統對關鍵生產加工軟件進一步的研發方向進行預判，希望能給予相關從業者以一定的啟示。