海洋工程制管車間智能制造規(guī)劃布置方案

汪春標(biāo)

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

我國海洋工程企業(yè)已經(jīng)逐漸從勞動密集型產(chǎn)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣尚彤a(chǎn)業(yè)，尤其是智能制造環(huán)境中，海洋工程的生產(chǎn)車間規(guī)劃要求也發(fā)生了變化，要求更高。海洋工程建設(shè)過程中涉及了甲板片體、結(jié)構(gòu)管等產(chǎn)品，尤其是結(jié)構(gòu)管，其對質(zhì)量、尺寸、品種、數(shù)量以及生產(chǎn)工藝等方面的要求更高。以往生產(chǎn)結(jié)構(gòu)管時都是由人工完成的，制管車間需求人數(shù)多，人工和管理成本高，生產(chǎn)效率比較低，也無法保障質(zhì)量穩(wěn)定性，而隨著智能制造的發(fā)展，制管車間需要重新進行規(guī)劃布置，以提高生產(chǎn)效率。

1 海洋工程智能制造現(xiàn)狀

在全球化發(fā)展背景下，我國船舶工業(yè)發(fā)展水平也不斷提高，船舶工程和海洋工程裝備也實現(xiàn)了迅速發(fā)展。根據(jù)工業(yè)制造時代發(fā)展要求，需要加速船舶和海洋工程裝備制造企業(yè)實現(xiàn)智能制造化發(fā)展，使信息化和工業(yè)化能夠?qū)崿F(xiàn)深度融合。在生產(chǎn)管理時，大多數(shù)企業(yè)采用了ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)等，并實現(xiàn)了三維設(shè)計以及工藝制造一體化，有些企業(yè)做到了數(shù)控設(shè)備以及試驗設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集，智能制造業(yè)實現(xiàn)了智能生產(chǎn)線和裝備建造，通過應(yīng)用這些系統(tǒng)和設(shè)備可以提高企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率，進一步創(chuàng)新了管理和制造模式。但是，隨著計算基數(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)發(fā)展，海洋工程裝備車間也面臨了新的生產(chǎn)挑戰(zhàn)，以往系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和設(shè)備之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，導(dǎo)致無法有效利用數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程，工業(yè)數(shù)據(jù)斷層[1]。在制造資源優(yōu)化配置過程中，自動流動的數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)制動流動、準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，建立智能制造車間管控系統(tǒng)，連通車間上下行數(shù)據(jù)鏈路，為海洋工程制管車間實現(xiàn)智能制造、高質(zhì)量發(fā)展提供重要路徑。

2 海洋工程智能制造互聯(lián)互通技術(shù)路線

海洋工程制管車間智能制造時，針對智能車間中系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)集成等問題制定互聯(lián)互通技術(shù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

（1）通過分析智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建智能制造互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)范圍、對象和研究方法，縱向集成企業(yè)的設(shè)備級、控制級、車間級、企業(yè)級以及外部協(xié)同級等層次，進而從上到下收集、分析、利用數(shù)據(jù)，為車間布置、產(chǎn)品生產(chǎn)提供決策。

（2）通過深入分析海洋工程縱向集成標(biāo)準(zhǔn)需求，明確職能車間規(guī)劃布置關(guān)鍵，通過研究相關(guān)問題形成海洋職能車間互聯(lián)互通體系，建立標(biāo)準(zhǔn)的智能車間裝備操作方法、工控網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行系統(tǒng)信息交互準(zhǔn)則、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等[2]。

（3）按照以上要求構(gòu)建智能車間互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，在制造車間構(gòu)建試驗驗證平臺，利用驗證平臺逐一驗證互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，使標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容更有效、適用，以便構(gòu)建智能車間。

3 布置方案

3.1 生產(chǎn)工藝

海洋工程結(jié)構(gòu)管指的是關(guān)于海洋平臺的大型管件，由導(dǎo)管架、組塊立柱、隔水套管等構(gòu)件。在生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)管時，需要進行切割、預(yù)壓、縱縫焊接等工藝，如圖2所示為工藝流程。結(jié)構(gòu)管在生產(chǎn)時，有些部件采用相貫線切割，其在完成環(huán)縫焊接后，在室外開展長管接長工作[3]。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝

3.2 布置方案

為了提高結(jié)構(gòu)管的生產(chǎn)效率，需要在制管車間中設(shè)置智能化設(shè)備和信息化系統(tǒng)，進一步提高自動化和信息化車生產(chǎn)水平。在硬件布置上，一方面需要定位焊工位，一般采用瓶頸工位，極大影響了制管工藝，所需人員也較多，在經(jīng)濟價值影響下只能夠在焊接工位上配置智能化設(shè)備。另一方面，因為結(jié)構(gòu)管尺寸大，生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，卷板時需要開展長時間報檢作業(yè)，無法實現(xiàn)整個階段的生產(chǎn)線模式生產(chǎn)工作，因此只在局部設(shè)置了輥道裝置實現(xiàn)產(chǎn)品運輸，其他部分的產(chǎn)品運輸采用起重機。根據(jù)先進企業(yè)生產(chǎn)模式，提出了以下三種不同的工藝布置方案[4]。

（1）在制管車間規(guī)劃布置了2條生產(chǎn)線。先在中間部位布置物流通道，從制管車間中間位置進入鋼板，向車間兩邊流入，進而開展切割、預(yù)壓、卷管、焊接等作業(yè)，之后設(shè)置管道實現(xiàn)胯間運輸，再在第二跨開展相貫線切割以及環(huán)縫焊接，最后從中間物流通道將管件運輸出去。

（2）制管車間中，第一跨能夠?qū)崿F(xiàn)切割、預(yù)壓、卷管、焊接等功能，在焊接區(qū)設(shè)置輥道時可以對結(jié)構(gòu)管進行自動化運輸，第二跨能夠?qū)崿F(xiàn)相貫線切割以及環(huán)縫焊接接長等功能。焊接工位設(shè)置了智能焊接設(shè)備。

（3）制管車間中，第一跨能夠?qū)崿F(xiàn)切割、預(yù)壓、卷管等功能，第二跨能夠?qū)崿F(xiàn)縱縫、環(huán)縫焊接以及相貫線切割等功能，并在焊接區(qū)到切割區(qū)布置了輥道以及自動化液壓運輸裝置，進行自動化運輸結(jié)構(gòu)管[5]。

3.3 方案對比

對比以上三種不同方案，主要對比工作面積比率以及工藝方案優(yōu)缺點這兩方面。在對比前者時，為了保證車間面積有效利用，根據(jù)公式：

根據(jù)該公式對比，三種方案有效工作面積比率分別為72%、81%、84%，從中可以看出（3）的比率最大，也就是實際生產(chǎn)應(yīng)用面積最大。

三種方案中，第一種方案分成兩條生產(chǎn)線，生產(chǎn)時物流路徑縮短，可以減少運輸時間，但是中間通道的布置會導(dǎo)致面積浪費，同一功能生產(chǎn)區(qū)域劃分為左右兩邊，相對于成組技術(shù)原理而言有偏差，會導(dǎo)致人員調(diào)度更難，且需要分開布置公用動力，提高了車間建造成本。第二種方案在同一跨中布置了切割、預(yù)壓、焊接等工位，設(shè)備布置相對密集，使用面積大，生產(chǎn)時若是出現(xiàn)質(zhì)量問題會導(dǎo)致返工難度提高，若是選用該方案在生產(chǎn)時需要保證生產(chǎn)質(zhì)量，對于生產(chǎn)管理方面有更高的要求。第三種方案在第一跨中布置了切割、預(yù)壓、卷管等工位，設(shè)備也比較分散，第二跨中設(shè)置了焊縫工位，不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)置了輥道、自動化液壓運輸裝置實現(xiàn)自動化運輸，但是若是報驗時出現(xiàn)圓度不足等返工現(xiàn)象，則需要在第一跨區(qū)域臨時調(diào)度[6]。

總之，對比三種方案可以發(fā)現(xiàn)第三種方案的有效工作面積占比最高，工藝布置也比較合理。另外，我國企業(yè)在對縱縫焊接前報檢結(jié)構(gòu)管時一般消耗時間較長，同時由于圓度等問題會出現(xiàn)一定比例返工產(chǎn)品，因此卷板區(qū)所預(yù)留的空間需要符合企業(yè)需求，也就是說，第三種方案最佳。

3.4 信息化

為了進一步提高生產(chǎn)信息傳輸效率，制管車間需要設(shè)置執(zhí)行系統(tǒng)、制管車間、焊接設(shè)備以及生產(chǎn)線等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，按照該網(wǎng)絡(luò)分解上級部門發(fā)出的任務(wù)，配置到相應(yīng)的生產(chǎn)線以及生產(chǎn)設(shè)備工作序列中，自動對接設(shè)備，發(fā)送到生產(chǎn)程序中，進而提高了生產(chǎn)管理質(zhì)量和效率。

3.5 實施和驗證

3.5.1 實施

海洋工程總裝廠中，制管車間年生產(chǎn)3m管段大約有8700段，通過對車間產(chǎn)量分析，采用第三種方案布置車間。車間焊接區(qū)域設(shè)置了智能焊接設(shè)備，而智能縱縫焊接設(shè)備主要是對結(jié)構(gòu)管進行縱縫焊接，智能內(nèi)外環(huán)縫焊接設(shè)備主要是對結(jié)構(gòu)管進行環(huán)縫焊接。焊接區(qū)間設(shè)置了輥道、自動化液壓運輸設(shè)備，可以用來運輸結(jié)構(gòu)管，焊接設(shè)備配置數(shù)量分別為7套、4套、3套。此外，在智能焊接設(shè)備中布置了視頻監(jiān)控、焊縫跟蹤兩個系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控自動焊接以及焊接過程，進一步提高了焊接質(zhì)量和效率。焊接時，可以統(tǒng)計、上傳焊接電流、速度、時間等相關(guān)參數(shù)，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)得到最佳焊接參數(shù)。

3.5.2 驗證

按照車間設(shè)備布置情況與各工位產(chǎn)品工時數(shù)據(jù)，利用Plant Simulation平臺構(gòu)建仿真模型，生產(chǎn)仿真8700個3m管段，可得產(chǎn)品生產(chǎn)時間為208天，與每年規(guī)定的250個工作日相比要少，這就表明該方案的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)要求相符。

4 海洋工程制管車間智能制造發(fā)展趨勢

4.1 數(shù)字化

我國海洋工程的制造能力不夠平衡，規(guī)模大，但是實力不強，隨著智能制造的發(fā)展應(yīng)用，該現(xiàn)象逐漸發(fā)生改變。就數(shù)字化車間而言，當(dāng)前主要仍然采用分段工序前，利用通訊、計算機、控制技術(shù)和生產(chǎn)管理軟件有效管理、操作生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但是未有效整合整個工序，實現(xiàn)信息共享。而智能制造可以利用機械收集數(shù)據(jù)，并融合人類思維實現(xiàn)最優(yōu)目標(biāo)，其不僅能夠使經(jīng)濟效益最大，也能夠確保人身安全，推動產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

4.2 生產(chǎn)管控系統(tǒng)

生產(chǎn)管控系統(tǒng)能夠迅速定位追蹤所需材料設(shè)備，進而節(jié)省材料設(shè)備準(zhǔn)備時間，監(jiān)控產(chǎn)品進度，有效分析數(shù)據(jù)，進一步縮短了生產(chǎn)時間，降低了運輸管理成本。自動制管車間在實現(xiàn)智能制造系統(tǒng)后，生產(chǎn)效率大大提高，提高率大約為60%，而通過科學(xué)規(guī)劃布置車間智能制造系統(tǒng)可以有效改善作業(yè)環(huán)境，降低事故發(fā)生率，有效應(yīng)用車間空間，提高空間利用率。因此海洋工程智能制造未來發(fā)展過程中需要有效應(yīng)用生產(chǎn)管控系統(tǒng)。

4.3 現(xiàn)實技術(shù)

海洋工程智能制造過程中，現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用也是未來發(fā)展方向，其是集成真實信息和虛擬信息的一種新技術(shù)，主要應(yīng)用在設(shè)計遠(yuǎn)程協(xié)作、模擬、裝配維修等方面，可以實現(xiàn)信息共享，修改設(shè)計方案。此外，該技術(shù)也能夠用于檢驗產(chǎn)品設(shè)計的合理性，防止設(shè)計問題導(dǎo)致工期延長。

4.4 大數(shù)據(jù)技術(shù)

通過標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證平臺進行驗證作業(yè)，采用多種方式收集各種智能制造車間建設(shè)情況，構(gòu)成了智能制造車間建設(shè)大數(shù)據(jù)，其不僅能夠健全車間標(biāo)準(zhǔn)體系，也是通過分析挖掘數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，以提供政策參考，為企業(yè)進行智能制造車間建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對海洋工程結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)工藝展開研究可以提出制管車間的規(guī)劃布置方案，通過對三種不同的規(guī)劃布置方案進行對比方案，可以確定第三種方案為最佳方案。另外，以海洋工程總裝廠為案例，按照生產(chǎn)物的數(shù)量布置了設(shè)備，再進行仿真驗證得到該方案最佳，本研究所提出的智能制造規(guī)劃方案對于我國海洋工程基地建設(shè)具有示范作用，為后續(xù)海洋工程升級改造起到了借鑒意義。對于未來海洋工程智能制造車間發(fā)展而言，主要體現(xiàn)在數(shù)字化、生產(chǎn)管控系統(tǒng)、現(xiàn)實技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等方面。