管子智能生產(chǎn)線工藝布置設(shè)計(jì)

韋 剛，殷 超，吳思遠(yuǎn)

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇海門 226100）

0 引言

在船舶建造過程中，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)船舶建造過程一半以上的工時(shí)，船上的管子數(shù)量多、形狀復(fù)雜，萬噸級散裝船中的管子多達(dá)萬根。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)。

1 背景

1.1 行業(yè)現(xiàn)狀

目前國內(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)線為公稱通徑DN 15～DN 50的無縫鋼管；

2）中管生產(chǎn)線為公稱通徑DN 65～DN 150的無縫鋼管；

3）大管生產(chǎn)線為公稱通徑 DN 200～DN 500的無縫鋼管。

1.2 傳統(tǒng)管子生產(chǎn)線存在的問題

傳統(tǒng)管子生產(chǎn)線存在如下問題：

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)勢必會使某一產(chǎn)線產(chǎn)出過剩，從而產(chǎn)生庫存；

（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)致成品管件配盤率低；

（3）為滿足后道安裝需求勢必會導(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)分配只能對數(shù)據(jù)信息中的管徑進(jìn)行區(qū)分來匹配小、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、無需密性）再加以區(qū)分；

（4）經(jīng)過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。

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）管子原材料庫存不能實(shí)現(xiàn)自動立體庫存儲，生產(chǎn)效率低。

（2）未進(jìn)行管件表面自動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彌補(bǔ)不足；

（3）國內(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彌補(bǔ)流水線加工量；

（5）不能實(shí)現(xiàn)自動噴碼，簡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。

2 管子智能生產(chǎn)線工藝布置

針對現(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：管子自動立體庫、管子自動沖砂設(shè)備、管子自動鋸切機(jī)、管子自動坡口機(jī)、管子自動打碼設(shè)備、法蘭/套管組對裝焊一體機(jī)、自動數(shù)控彎管機(jī)、自動化對接焊機(jī)和軌道Panther焊機(jī)。

2.1 工藝布置

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，下方的自動工位通過自動通道相連接。

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，既考慮了自動化設(shè)備和自動化物流，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)自動排產(chǎn)和任務(wù)自動調(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。

2.2 主要工藝流程

管子智能生產(chǎn)線工藝流程如下：

1）管子自動立體庫原材料進(jìn)料按照系統(tǒng)的材料需求清單進(jìn)行，操作人員通過系統(tǒng)自動排產(chǎn)進(jìn)行理料，將核對無誤的管子吊運(yùn)到上料緩存區(qū)，并將管子規(guī)格、爐批號等信息掃描或輸入到系統(tǒng)，管子由緩存料架上料系統(tǒng)自動放入立體庫。

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清單，管附件倉儲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，從管子自動立體庫自動輸出，通過物流輥道自動進(jìn)入管子自動沖砂設(shè)備進(jìn)行自動沖砂，再進(jìn)入管子清砂機(jī)進(jìn)行自動清砂作業(yè)，全程無人操控。

4）管子沖砂后，根據(jù)系統(tǒng)自動調(diào)度進(jìn)入不同的管子自動鋸切機(jī)和管子自動打碼設(shè)備，其工作順序?yàn)橄却虼a再進(jìn)行切割。管子打碼采用自動噴墨方式，管件號上采用打碼易被智能線工位智能識別所有管件相關(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)行自動焊接的，必須采用冷加工方式確保坡口滿足對接自動化焊接的要求。

6）切割工位的各類切割設(shè)備可以從管線信息化管理系統(tǒng)自動接收任務(wù)指令和切割的數(shù)控程序，切割完成后自動進(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自動落入預(yù)先放置的托盤內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)排產(chǎn)指令，通過人工物流輸送方式自動將短管托盤送往短件制作區(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，但原則上盡量通過系統(tǒng)自動套料進(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)行自動化對接焊，由物流輥道系統(tǒng)自動運(yùn)輸?shù)阶詣踊瘜雍附庸ぷ髡镜木彺嫫脚_，同時(shí)系統(tǒng)將對接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(fā)送到對接焊接的設(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)自動運(yùn)輸?shù)椒ㄌm/套管組對裝焊一體機(jī)的緩存平臺，同時(shí)系統(tǒng)將對接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(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、自動方式放置組對，實(shí)現(xiàn)自動化定位焊以及自動化焊接法蘭（套管）。

9）管子裝焊完法蘭后，如需要彎管，由物流輥道系統(tǒng)自動運(yùn)輸?shù)綇澒芄ぷ髡镜木彺嫫脚_，系統(tǒng)將管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(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)自動運(yùn)輸?shù)桨胱詣?、人工作業(yè)工作站的緩存平臺，同時(shí)系統(tǒng)將對接管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(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清單，提前由管附件倉儲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，通過吊機(jī)吊運(yùn)的方式放置到管件完工托盤內(nèi)，管線信息化管理系統(tǒng)應(yīng)生成后續(xù)各工序的托盤裝盤清單，并針對托盤的存儲、運(yùn)輸、集配等全過程進(jìn)行管理。

13）管子完工后，系統(tǒng)仍然要對后續(xù)的管子進(jìn)行無損探傷試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、沖砂、油漆、外場安裝、船上安裝最終提交等全過程進(jìn)行管理，生成各種試驗(yàn)清單、測試清單和檢驗(yàn)報(bào)告，通過手機(jī)、移動終端或電腦等對這些過程進(jìn)行記錄和確認(rèn)，以便完成對整個(gè)管子制作的全生命周期管理。采用手機(jī)等移動終端兼顧酸洗磷化、鍍鋅等外協(xié)工序的進(jìn)度記錄和確認(rèn)。車間管理數(shù)據(jù)流通機(jī)制如圖2所示。

圖2 車間管理數(shù)據(jù)流通機(jī)制[2]

2.3 主要工藝特點(diǎn)

管子智能生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)如下：

1）打破國內(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，簡稱：ERP）按照各船型分段托盤分批次導(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，自動進(jìn)行管子生產(chǎn)任務(wù)包的創(chuàng)建，并進(jìn)行自動高級排產(chǎn)，任務(wù)包釋放到車間生產(chǎn)后，可以自動為設(shè)備生成相應(yīng)的數(shù)控指令，匹配相應(yīng)的工裝夾具，自動為管子選擇工作包（Work Packages，簡稱：WPS）等；同時(shí)為半自動和手動工位即時(shí)生成任務(wù)隊(duì)列，并自動進(jìn)行各自動化工位的生產(chǎn)調(diào)度，并將所需要的物料通過物流系統(tǒng)自動配送到工位的緩存區(qū)。

（2）從技術(shù)軟件（AVEVA Marine，簡稱：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，簡稱：BOM）。

（3）ERP系統(tǒng)提供每個(gè)托盤管子制作的計(jì)劃開工和計(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)工位的高級排產(chǎn)（滿足托盤完成計(jì)劃的前提下，自動確定每個(gè)加工任務(wù)在各工位的加工時(shí)間，自動平衡各工位的作業(yè)負(fù)荷，可根據(jù)插單、設(shè)備故障、原材料問題等自動調(diào)整產(chǎn)線的計(jì)劃時(shí)間），并將生產(chǎn)過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監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)需求。

（6）綜合生產(chǎn)線的自動化程度大幅度提高，達(dá)到國際智能制造水平，相對于之前規(guī)劃的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線的立體庫、管子沖砂機(jī)、鋸切機(jī)、坡口機(jī)、自動焊機(jī)、彎管機(jī)等主要設(shè)備均為在線設(shè)備。

（7）管理軟件具有高級排程功能，具有與生產(chǎn)硬件信號交互控制實(shí)現(xiàn)即時(shí)自動調(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管理開發(fā)功能。

（2）工位級的高級排程。生產(chǎn)管理軟件能根據(jù)產(chǎn)線的實(shí)際產(chǎn)能對生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行自動調(diào)度。

（3）配備自動化的物流系統(tǒng)。工件自動識別軟件系統(tǒng)指令，自動化的物流系統(tǒng)使工件通過物流輥道自動調(diào)配傳送到下一工序。

（4）對管件加工完成之后的工序完全實(shí)現(xiàn)智能軟件自動管理，包括自動抽取探傷比例、自動抽取試壓方式、表面處理等，實(shí)現(xiàn)不同流程管子配不同托盤。

4）生產(chǎn)線設(shè)備的智能化程度高，滿足智能制造需要

（1）管子原材料庫存可以實(shí)現(xiàn)自動立體庫存儲，生產(chǎn)效率高。

（2）對表面存在銹蝕情況的管件進(jìn)行自動沖砂，無需打磨工作來彌補(bǔ)管子表面的不足。

（3）國內(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彌補(bǔ)流水線加工量。

（5）管子自動打碼設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動噴碼，解決人工貼碼的問題。

3 結(jié)論

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)對接，并自帶MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動區(qū)和半自動區(qū)的信息及物流順暢貫通。利用自動化立體倉庫、自動沖砂、自動切割、先焊后彎、自動彎管、法蘭/套管組對裝焊一體機(jī)、高級自動化排產(chǎn)、全自動物流、人工裝配/焊接工位等先進(jìn)工藝技術(shù)，配合生產(chǎn)線軟件和全自動物流系統(tǒng)將這些自動化設(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。