精益MES在船舶管件加工車間中的應用

陸燕輝， 陳 弓

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

德國提出的工業4.0強調工業生產的數字化，使制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)的重要性引起廣泛關注。中國提出“中國制造2025”，明確在開展智能制造和數字化工廠的研究和示范過程中企業必須實施MES。MES是實現智能制造的重要工具和手段，作為傳統制造業的船舶制造，迫切需要依靠MES降低生產運營成本，以期在高生產成本的制造環境中持續增強企業競爭力。在這樣的背景下，通過自主創新將精益思維貫穿于信息系統中，推進船舶管件加工流程數字化[1]。

1 精益MES

MES旨在將物料需求計劃(Material Requirement Planning，MRP)與車間作業現場控制通過執行系統聯系起來，被定義為位于上層企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統與底層工業控制之間、面向車間層的生產管理系統[2]。

精益生產的思想來自豐田汽車公司，精益生產就是準時制造、消滅故障、消除一切浪費、向零缺陷和零庫存進軍。精益生產綜合批量生產與單件生產的優點，最大限度地消除浪費、降低庫存、縮短生產周期，以實現低成本準時化生產，最終達到用最少的投入(人員、設備、時間和場地等)向顧客提供滿意產品的目的。

精益MES將精益生產的理念和方法與MES相結合，通過信息化手段，促進精益生產在企業中進一步落地，同時在精益思想指導下的MES更加貼近作業現場的實際需要，充分體現精準化、精細化、協調化和人性化特征。

2 船舶管件加工特點

船舶管件制造包括大量黑色金屬和有色金屬管件的加工與配套，約占整個造船工作量的10%，在船舶建造中素有“船脈”之稱。隨著壓載水處理、脫硫塔等裝備的廣泛應用，船舶管件物料數量持續攀升，對船舶建造節點、交船周期、產品質量等的影響日益突出。船舶管件加工具有如下特點：

(1)單件大規模離散型生產。單船管件物料數量巨大，管件口徑大小不等，管件材質和壁厚等差異較大，管子交付節點各異。

(2)生產制約因素多。管件加工受設備產能、原材料供給、圖面改正等諸多因素的綜合影響。

(3)生產信息難以準確獲取。由于管件類型和形狀差異較大，管件加工工藝路線復雜、工序繁多、數量龐大，因此管件加工信息難以準確和及時獲取。

傳統模式的船舶管件加工制造過程帶來的“黑箱”化生產狀態，較易引起生產不均衡、異常管多、交期滯后、質量管控缺失等后果，企業生產現狀迫切需要依托信息化手段提升作業效率和管理水平[3]。

3 精益MES功能結構

精益MES向上連接企業ERP系統各子模塊(含設計、采購、倉儲、物流等)，向下直連車間應用層各設備系統，從而精準實現生產執行任務的跟蹤管控和信息反饋。精益MES由精益生產管理、精益物料管理、精益質量管理、精益人員管理、精益安全管理、精益設備管理等6個子模塊組成[4-5]，如圖1所示。

圖1 精益MES功能結構

3.1 精益生產管理模塊

精益生產管理模塊充分考慮生產精益化管理的要求，將MES和管件加工流程緊密結合，使生產管控更加精細化和精準化。該模塊包括資源模型、計劃排產、作業執行、生產調度、生產進度跟蹤、管件加工數據等6個功能單元[6]。

(1)資源模型單元。針對船舶管件加工資源建模，形成標準化工藝路線和工序管理模型，該模型可根據實際需要對工藝路線和工序及時調整，滿足市場多樣化和柔性生產的需求。

(2)計劃排產單元。可根據造船線表的物料數量情況，結合管件加工車間的設備和崗位加工能力進行優化排產。為應對線表變更帶來的生產計劃調整，系統可根據大組或分段預裝計劃自動調整排產計劃。圖2為自動負荷計算與排產界面。

(3)作業執行單元。該單元為現場作業執行和數據采集客戶端。在充分考慮現場崗位作業需求和使用習慣基礎上，按崗位進行定制開發，其人性化設定可使工人體會系統便利，減少等待和聯絡時間，提升工作效率。

(4)生產調度單元。作為生產線發生異常狀況的應對方案，使加工線不會因局部異常造成停滯，從而提高生產系統的柔性。

圖2 自動負荷計算與排產界面

(5)生產進度跟蹤單元。扭轉“黑箱”化生產亂象，管件加工進度跟蹤實現完全可視化，將跟蹤單元細化至每根管子的每道工序，并包括每根管子的組成附件(如枝管、彎頭等)，精細化跟蹤將生產現場的等待、不匹配等問題點均實時顯現并提醒管理者及時進行改善，從而進一步提升精益管理水平。

(6)管件加工數據單元。將所有管件加工信息錄入數據庫，所有加工信息和紙面圖紙均實現電子化，便于對管件加工歷史信息進行檢索，使管件加工各環節具備可追溯性，為產品售后服務及質量追蹤提供支持。

3.2 精益物料管理模塊

精益生產的明顯特點是準時化生產，物料準時配送是實現準時化生產的前提。精益物料管理模塊實現對管件加工物料的全程準時化跟蹤管理、消除浪費。該模塊包括物料預警、物料拉動、送料跟蹤等3個功能單元[7]。

(1)物料預警單元。對管件加工物料需求進行提前計算與入庫的自動跟蹤預警。物料提前預警，提醒管理者提前對物料進行跟蹤確認，提前處置可能出現的缺料異常，從而確保船舶管件按計劃準時生產交付。

(2)物料拉動單元。根據管件加工物料實際消耗需求形成準時制(Just In Time，JIT)MRP和配料清單，提前做好配料準備。

(3)送料跟蹤單元。根據物料拉動計劃實施全程配料跟蹤，確保每個管件金屬在需要的時間準時配送至對應的作業崗位，滿足精準生產的需要。

3.3 精益質量管理模塊

產品質量是企業生存的命脈，精益質量管理模塊監控制造和質量檢證過程，在制造過程中盡早發現管件原料、制造工具、加工設備和工藝過程的質量問題，避免廢品的產生，實現精益生產的初衷。該模塊包括物料質量控制、工藝質量控制、誤操作跟蹤和控制、質量自檢與報檢、管件加工過程追溯、質量提醒與基準學習等6個功能單元。

(1)物料質量控制單元。實時跟蹤各生產工位上的物料質量問題，并通過看板實時顯示報警以提醒管理人員關注。所有物料質量問題點的處理流程在系統內進行全程跟蹤，確保問題點得到及時處理。

(2)工藝質量控制單元。實時跟蹤各生產工位上的工藝質量問題，并通過看板實時顯示報警以提醒管理人員關注。所有工藝質量問題點的處理流程在系統內進行全程跟蹤，確保問題點得到及時處理。

(3)誤操作跟蹤和控制單元。詳細記錄誤操作信息并跟蹤原因分析、處理對策和損失情況，通過精準跟蹤和對策制訂，最大限度地避免誤操作的再發生、消除浪費。

(4)質量自檢與報檢單元。對管件加工關鍵步驟進行自檢確認與記錄管理，從而控制影響質量的關鍵因素。系統在作業工位執行端將質量自檢嵌入作業流程，適時提醒作業者對關鍵步驟和尺寸進行重點確認并記錄。

(5)管件加工過程追溯單元。管件加工的物料數量巨大，依靠紙面記錄生產過程信息的傳統方式效率低下，且在出現質量問題時查找較為困難，而MES則具有強大的追溯功能。

(6)質量提醒與基準學習單元。將關鍵質量要點和作業標準實時推送至對應作業工位，避免在關鍵環節上產生誤操作并提高員工的質量意識。

3.4 精益人員管理模塊

在制造企業中人力資源是較重要的資源，精益生產為達到以最少的投入向顧客提供滿意產品的目的，關鍵在于依靠人員管理。精益MES實施人員上崗資質管控，將合適的人配置于需要的崗位，通過人員時間管理有效管控作業時間，精確記錄與分析人員作業績效，實時監控人員動態。該模塊包括上崗資質管理、人員時間管理、人員績效管理、人員動態監控等4個功能單元。

(1)上崗資質管理單元。按照不同工位對人員作業能力的需求自動甄別人員上崗權限，確保崗位作業者具備該崗位作業能力，從而保證船舶管件的加工質量和作業效率。

(2)人員時間管理單元。準確記錄人員上崗和離崗時間，自動計算在崗時長，實現精準考勤與作業跟蹤。

(3)人員績效管理單元。準確記錄人員或加工線在某時間區間的工作績效數據，系統可自動繪制績效曲線，為績效考核和績效分析與改進提供準確的數據基礎。

(4)人員動態監控單元。實時跟蹤車間各崗位的人員分布與工作狀態信息，系統自動展示人員流動情況與當前完工作業物料數量情況。

3.5 精益安全管理模塊

精益MES的管控維度已拓展至安全領域。高效高質的生產必須以安全保障為前提，安全管理貫穿于管件加工生產全流程，精益MES為安全管理提供強有力的信息化支持手段。該模塊包括上崗安全提醒、作業安全提醒與安全基準學習、安全績效跟蹤等3個功能單元。

(1)上崗安全提醒單元。針對不同作業崗位作業特點，在員工上崗作業前給出風險提示，使員工了解該崗位安全要點，并在作業中予以關注。

(2)作業安全提醒與安全基準學習單元。實現安全信息實時推送和分享，員工可在作業崗位快速了解該崗位安全提醒并可隨時對該崗位安全作業標準進行查閱學習，從而提高員工的風險辨識能力和安全意識。

(3)安全績效跟蹤單元。實現對班組安全管理狀態的動態跟蹤，可一目了然地了解車間安全業績。

3.6 精益設備管理模塊

船舶管件加工越來越依賴于自動化設備，為提高船舶管件生產的精益化水平，必須以良好的設備保障和提高設備利用率為基礎。精益MES充分利用信息化手段，在加強對設備實時監控和故障管理的同時，強化與設備的互聯互通功能，從而進一步挖掘設備潛能，提高設備利用率。該模塊包括設備監控、設備維保與耗材管理、設備互聯互通等3個功能單元。

(1)設備監控單元。實時監控車間管件加工設備的工作狀態，在設備發生異常時系統在第一時間發出報警，提醒管理人員進行關注，并對設備故障處理過程進行全程跟蹤。

(2)設備維保與耗材管理單元。實現對設備日常點檢、維保和關鍵耗材庫存跟蹤管理，有效降低設備故障率與停機等待時間，提高設備利用率。

(3)設備互聯互通單元。使系統與管件加工車間的自動化設備實現互聯互通，包括機器人自動焊接設備、相貫線切割機、管子切斷機、智能噴碼機、智能掃碼槍等，一方面系統將相關數據和作業任務信息直接下達至設備，另一方面系統可從設備可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)中實時獲取管件加工過程信息，利用其強大的數據分析功能為生產決策提供支持。

4 結 論

作為智能制造的核心，MES在企業數字化和智能化轉型升級中發揮越來越重要的作用。精益MES的創新價值主要體現在如下各方面：

(1)精益MES的提出不僅充分發揮MES強大的信息采集和數據處理功能，而且深入推進企業生產管理各領域精益水平，兩者相得益彰。

(2)將精益MES與船舶管件加工全流程深度融合，利用精益生產的思想方法改造傳統流程，優化生產資源配置，促進管件加工生產高效與精益。

(3)突破傳統MES的定義和管控范圍，涵蓋企業生產管理多領域，高度集成和精益化的系統體系設計成為其顯著特征，確保企業生產的高效、高質運行。

(4)實現系統與船舶管件加工車間智能化裝備的互聯互通，在實時采集裝備運行數據基礎上，初步完成加工指令下發，為設備全自動運轉夯實基礎。

系統應用帶來的生產模式變更直接提升管件加工生產效率，隨著深入推廣，必將為企業提質增效注入新的活力。