工業互聯網背景下造船廠數字化系統應用研究

王 亮

(江蘇商貿職業學院,江蘇 南通 226011)

0 引言

工業互聯網是將傳統制造業通過互聯網與信息技術進行深度融合,實現生產、銷售、服務與管理等全部環節的網絡化、數字化與智能化。工業互聯網建設發展不僅可以提高企業的產品質量和生產效率,還能夠為企業帶來更多的商業機會與變革。目前,各國政府都在推動工業互聯網的發展。在中國,自從國家工業互聯網發展推進委員會成立以來,工業互聯網建設發展迅速。經過近幾年的努力探索,我國工業互聯網在網絡、平臺及安全領域方面取得了一定成就,并在實踐中初步形成了4大應用架構,分別是智能化生產、網絡化協同、個性化定制及服務化延伸[1]。

但是當前在某些行業中,工業互聯網的普及程度還較低,例如船舶制造行業。這是因為船舶制造過程工藝流程復雜,產品呈現多品種、小批量的特點,從而導致船舶制造業仍處于數字化起步階段,制造車間信息化建設落后,智能化程度不高,傳統的制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)已經不能滿足從車間設備數據采集到生產管理全過程管控。因此,亟需開發新技術與傳統車間制造執行系統進行融合,提升船舶制造整體信息化水平,助力船舶制造產業數字化轉型升級[2]。

本文首先通過對文獻資料和信息的收集分析當前船舶制造業中存在的問題及原因,然后研究如何在工業互聯網背景下建設造船廠數字化管理系統,以集成化、數字化、智能化手段解決生產控制、生產管理和企業經營的綜合問題,打造服務于企業、賦能于工業的“智慧大腦”。

1 造船廠數字化系統當前存在的問題及原因

1.1 當前存在的問題

經過調研發現,我國一些造船廠雖然擁有較為成熟的工藝體系,部分工段和車間也已實現自動化作業,正在逐步實現“造船標準化,管理數字化”的目標。在這個過程中,MES作為智能制造體系的核心,在實現船廠數字化和全供應鏈協同上發揮了不可替代的作用[3]。然而,面對工業互聯網不斷出現的各種新技術、新概念,傳統的造船MES已經無法滿足時代需求,在實施過程中主要面臨以下主要問題。

(1)MES主要實現信息的管理與“上傳下達”,生產現場數據感知能力薄弱,對制造過程中生產狀態、物流配送以及產品壽命周期等實時監控能力較弱,沒有充足的信息來支撐 MES數據進行決策。

(2)MES通常只關注造船廠的內部管理,這對于中小企業可能足夠,但是對于大型造船企業,存在多工廠協同、與客戶協同、與研究院所協同、與外部供應商協同等需求,需要對全產業鏈進行優化和管理,現有MES架構無法支撐。

(3)傳統MES的功能范圍模糊不清,給企業信息化建設帶來很大困擾,往往需要通過質量管理系統和智能倉儲管理系統等來彌補MES系統功能的不足,容易導致信息孤島、集成困難,造成生產協同困難和低效。

(4)在企業信息集成3層業務模型下,MES系統獲取產品定義相關數據的途徑局限于與ERP系統進行集成,無法滿足個性化生產需求。

1.2 問題出現的原因

(1)造船屬于邊設計邊生產模式,數據多次迭代,精益化造船對設計數據的精細化要求高,依靠人工處理,成本高、周期長,生產現場信息多,數據量大,人工采集難度大。

(2)項目執行層的協同要求高,在管理層協調效率低。

(3)目前雖然在部分工段和車間已經通過管理系統實現自動化作業,但還難以界定每次偏差的原因,缺乏知識積累,以便提出及時有效的解決措施和改進措施。

造船廠建設數字化系統能夠通過有效的信息采集、運作檢測以及安全保障來使整個車間的運作保持穩定,從而在現代化工業互聯網運作中,推進車間建設的高效化、智能化和數字化轉型升級[4]。

2 工業互聯網技術在造船廠數字化系統中的應用

2.1 數字化系統應用架構分析

本文針對上述問題,在當前工業互聯網背景下提出建設造船廠數字化系統的應用方案。該方案將數字化車間管理系統的建設分為4個模塊,分別是數據采集監控系統、生產管理系統、工藝管理系統和質量管理系統。數據采集監控系統可以通過采集生產數據對車間內的設備運行狀態進行監控以實現設備的自動化管理;生產管理系統功能包括工單管理、任務分配、生產報工和實績上報等,可以實現從下單到上報的一體化管理;工藝管理系統功能包括圖紙接收和下發以及工藝卡維護和打印等,可以實現無紙化管理;質量管理系統功能包括送檢管理、檢驗作業和品質分析等,可以實現產品質量的智能化管理。

2.2 數字化系統各模塊功能

造船廠數字化系統應用架構主要分為以下4個功能模塊。

2.2.1 數據采集監控系統

該系統包括數據采集、能耗及運行狀態分析、設備維保和設備稼動分析等部分。數據采集部分用來采集設備的生產數據,主要包括設備運行狀態、運行時間、停止時間、故障時間、稼動率和產量等;能耗及運行狀態分析部分可以實現生產設備能耗及運行的實時監控分析;設備維保部分通過終端對設備的日常點檢、維修和保養進行數據記錄,建立設備履歷信息;設備稼動分析部分則通過對設備運行狀態采集,實時分析設備稼動率,從而提高設備利用率。

2.2.2 生產管理系統

該系統包括工單管理、任務分配、生產報工、實績上報和生產進度分析等部分。工單管理部分是根據零件工序產生生產工單,定義工單數量及預計開完工時間,根據工藝模型自動產生工藝流程卡;任務分配部分可以支持根據派工任務手動或自動產生任務分配至各生產機臺終端或人員;生產報工部分是根據生產人員在機臺終端掃碼接收任務,確認開始生產,支持生產首檢、調機管理、任務暫停、分批報工、機臺完工數量和工時自動采集等功能;實績上報部分通過工序生產遺失數量、報廢數量和非加工工時等異常數據終端上報,以供生產實績統計分析;生產進度分析部分是根據生產工單按車間、班組達成狀態實時追蹤分析各工藝卡片式狀態分布。

2.2.3 工藝管理系統

該系統的功能是工藝員根據一體化系統下發的圖紙建立工藝數據、工藝路線、工藝參數、工藝標準作業程序(Standard Operating Procedure,SOP)等生產工藝基礎數據建模,具體流程如圖1所示。

圖1 工藝管理系統流程

2.2.4 質量管理系統

該系統包括送檢管理、送驗作業和品質分析等部分。送檢管理部分是根據工藝流程卡的工單工藝參數自動產生送檢任務,并自動將檢驗任務推送至各檢驗終端;檢驗作業部分是送檢任務根據品質基礎數據自動產生需檢驗的項目及檢驗標準,檢驗人員可以在終端記錄檢驗結果并進行判定;品質分析部分是對零件加工過程的檢驗數據進行實時收集和分析,自動產生檢驗報告,針對品質異常進行追溯分析。

3 結語

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態[5]。本文以數字化手段為突破口,在工業互聯網背景下研究如何在造船廠建設數字化車間,構建以工單為核心的非標產品車間管理系統。該系統將為數字化、智能化船廠建設提供統一的數據平臺,通過安裝網關和采集設備實時運行數據,實現車間設備的聯網、監控、數據采集和數據分析,實現圖紙自動下發、加工任務分配、生產任務報工、工人績效自動統計分析等多種功能,提升設備利用率,降低設備能耗,從而提高生產效率。