基于iMOM 的機(jī)械裝備行業(yè)下料數(shù)字化車間解決方案

下料是大型機(jī)械裝備制造的常見工藝類型，下料車間以初步加工的方式為其他車間提供所需的零部件毛坯。下料車間雖然工藝較為簡(jiǎn)單，且其產(chǎn)出毛坯的加工精度不高，但其生產(chǎn)過程的組織及管理有鮮明的特點(diǎn)。下料車間的生產(chǎn)效率、毛坯齊套性、原材料利用率、原材料及毛坯管理的精細(xì)化程度等,對(duì)于機(jī)械裝備生產(chǎn)制造的整體效率、成本都有重要影響。本文結(jié)合作者單位在機(jī)械裝備行業(yè)下料車間的數(shù)字化車間解決方案的研發(fā)及應(yīng)用方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納了建設(shè)下料數(shù)字化車間的需求要點(diǎn)及建設(shè)重點(diǎn)，給出了數(shù)字化車間解決方案的實(shí)現(xiàn)路徑，并對(duì)數(shù)字化車間解決方案落地的邊界條件等進(jìn)行了總結(jié)。1、引言下料車間常見于船舶制造、海洋工程和壓力容器等重型裝備及重工企業(yè)。所謂下料，是指使用板材、管材和型材等通用原材料，通過剪切、切割等方式加工出裝備產(chǎn)品所需的零部件的毛坯，并對(duì)毛坯進(jìn)行粗加工的過程。常見的鈑金車間實(shí)際上也可以視為一種下料車間，鈑金車間主要對(duì)6mm以下的板材進(jìn)行下料和加工。下料車間是企業(yè)自制件生產(chǎn)制造的起始環(huán)節(jié)，其交付的及時(shí)性和準(zhǔn)確性對(duì)后續(xù)的機(jī)加工、裝配等車間的生產(chǎn)效率有關(guān)鍵的影響。下料車間雖然工藝較為簡(jiǎn)單，且加工精度通常要求不高，但其生產(chǎn)組織及管理具有很高的復(fù)雜度，且具有不同于一般的機(jī)加工車間的需求特點(diǎn)，具體特點(diǎn)包括：1）生產(chǎn)任務(wù)繁多細(xì)碎，管理難度大。從訂單排產(chǎn)到車間作業(yè)任務(wù)派工、執(zhí)行，整個(gè)過程都具有批量化操作的需求。下料車間往往是為整個(gè)裝備制造企業(yè)甚至是多個(gè)企業(yè)提供零件毛坯，每天要處理幾百個(gè)生產(chǎn)任務(wù)。計(jì)劃員通常根據(jù)零件訂單的交期、齊套性、原材料種類、加工方式等進(jìn)行批量打包排產(chǎn)，并整體派工到相應(yīng)的下料生產(chǎn)單元，下料作業(yè)完成后，工人也會(huì)一次性將切割或加工完成的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行批量匯報(bào)，并對(duì)完工的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行原材料的批量投料。2）原材料需要進(jìn)行批次細(xì)化管理，譜系要求高。原材料管理需要支撐生產(chǎn)計(jì)劃乃至采購計(jì)劃的合理安排，是下料車間的重要職能，很多企業(yè)將下料和原材料倉儲(chǔ)管理都設(shè)在同一部門，因此原材料的倉儲(chǔ)管理也應(yīng)包含在下料數(shù)字化車間的范疇內(nèi)。下料所用的板材、管材等可以按照材質(zhì)類型、板材厚度等顯著特征分為一些物料大類，但同一物料大類下按照不同的尺寸規(guī)格、物料型號(hào)、原材料爐號(hào)等又可以細(xì)分為不同的物料小類，在一些特殊行業(yè)，同樣的物料小類還可以按供應(yīng)商、采購日期等再進(jìn)行細(xì)分加以區(qū)別。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要基于細(xì)分物料的可用庫存進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)、套料以及采購安排。否則可能會(huì)出現(xiàn)缺料或者物料呆滯的情況。3）套料效率和結(jié)果對(duì)生產(chǎn)效率及材料利用率有關(guān)鍵影響。對(duì)于下料車間，尤其是板材的下料，套料的復(fù)雜度較高，套料的效率和合理性嚴(yán)重依賴執(zhí)行套料的人的經(jīng)驗(yàn)和水平。而套料對(duì)原材料的利用率有決定性的影響，也最終影響整機(jī)的成本。因此，使用套料算法及專業(yè)軟件，并與生產(chǎn)管控系統(tǒng)、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)基于訂單、原材料庫存的自動(dòng)化套料，是提升下料車間效率、降低成本的重要手段。4）原材料及毛坯都具有條碼化數(shù)字化管理的需求。原材料數(shù)字化管理是裝備整機(jī)制造過程物料追溯的基礎(chǔ)，下料是生產(chǎn)自制件時(shí)將原材料轉(zhuǎn)化成零件的首個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)關(guān)鍵重要零部件有批次跟蹤追溯要求的行業(yè)或企業(yè)，需要在零件生產(chǎn)完成后隨即進(jìn)行條碼化標(biāo)記，并將零件批次與原材料批次建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便于在后續(xù)加工、轉(zhuǎn)運(yùn)及裝配這些零件的過程中可以實(shí)現(xiàn)便捷化掃碼采集物料信息，實(shí)現(xiàn)從整機(jī)到原材料信息的完整追溯。下料車間的數(shù)字化、信息化建設(shè)受到很多企業(yè)和學(xué)者的重視，如河北科技大學(xué)王金業(yè)教授在2011年就開展了面向下料車間的數(shù)字化車間解決方案及MES的研究工作，天津火箭公司研發(fā)了針對(duì)鈑金車間的MES。但從文獻(xiàn)內(nèi)容來看，部分方案內(nèi)容或系統(tǒng)功能滿足了機(jī)械加工車間的通用信息化管理需求，但對(duì)于下料車間在信息流和物流管理方面的一些關(guān)鍵需求特征的響應(yīng)不夠深入。也有很多高校和企業(yè)針對(duì)套料算法及套料工具軟件進(jìn)行了深入的研究和系統(tǒng)的開發(fā)，但多數(shù)未充分考慮物流管理、計(jì)劃管理等其他需求。綜上，建設(shè)完整覆蓋下料車間的信息流、物流管理需求，并充分適配下料車間需求的數(shù)字化車間解決方案，仍有很多的工作要做。2、下料數(shù)字化車間方案下料數(shù)字化車間的建設(shè)，以MOM/MES的實(shí)施為核心，與ERP、WMS等進(jìn)行集成，覆蓋生產(chǎn)訂單排產(chǎn)、車間工序作業(yè)任務(wù)調(diào)度及執(zhí)行、車間物流管理等機(jī)械加工車間通用需求。在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)具有下料車間特點(diǎn)的原材料批次化管理、智能化套料、任務(wù)批量化操作、物料的全過程條碼化數(shù)字化追溯等需求進(jìn)行重點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。2.1原材料的批次化精細(xì)管理下料車間原材料物料的細(xì)化管理需要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是物料需要按自定義批次屬性進(jìn)行原材料批次的細(xì)化管理，二是原材料倉庫需要支持庫區(qū)級(jí)或庫位級(jí)的細(xì)化管理。1）物料的批次化管理。下料車間使用的原材料，具有相同物料編碼的同種物料，根據(jù)其物料類型，以及不同行業(yè)的工藝及質(zhì)量要求，可按物料的不同屬性進(jìn)行細(xì)分，在MES內(nèi)自動(dòng)生成不同的內(nèi)部批次號(hào)進(jìn)行標(biāo)記管理。以板材為例，同一種材質(zhì)和厚度的鋼板作為一種物料，使用一個(gè)物料編碼，但對(duì)于某一長(zhǎng)度、寬度的鋼板，可以在入庫時(shí)單獨(dú)作為此物料的一個(gè)批次，即長(zhǎng)度、寬度定義為此物料一組批次屬性；而在某些特定的行業(yè)，對(duì)于同一物料編碼、同一尺寸的鋼板，當(dāng)供應(yīng)商不同時(shí)，要作為一個(gè)新的批次進(jìn)行管理，則此時(shí)長(zhǎng)度、寬度、供應(yīng)商編碼為此物料一組批次屬性。因此MES需要支持對(duì)不同物料自定義批次屬性，自動(dòng)生成批次號(hào)進(jìn)行管理。物料批次屬性自定義及批次自動(dòng)生成流程如圖1所示。圖1物料批次屬性自定義及批次自動(dòng)生成2）倉庫的庫區(qū)或庫位級(jí)管理。下料的原材料以板材、型材和管材為主，其種類繁多且占地面積大。若倉庫不能進(jìn)行細(xì)化管理，則容易出現(xiàn)即使庫存中有某種物料，也難以快速定位到物料存放位置的問題，盤點(diǎn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)信息查找的困難。因此，應(yīng)對(duì)倉庫按庫區(qū)、庫位乃至庫位內(nèi)存放的具體物料進(jìn)行細(xì)化的管理，對(duì)每個(gè)庫區(qū)、庫位及庫位內(nèi)的物料進(jìn)行條碼化標(biāo)識(shí)，以便于生產(chǎn)用料及盤點(diǎn)時(shí)高效精準(zhǔn)進(jìn)行物料的定位。庫區(qū)庫位的條碼化管理如圖2所示。圖2庫區(qū)庫位的條碼化管理2.2基于實(shí)時(shí)庫存及人工智能算法的自動(dòng)化套料基于人工智能算法的自動(dòng)化套料軟件的使用在下料車間已較為普遍，相對(duì)于人工手動(dòng)排版套料，自動(dòng)化套料軟件對(duì)于套料的效率及材料利用率都帶來了顯著提升。但套料軟件的兩個(gè)輸入信息，即訂單優(yōu)先級(jí)及物料的可用庫存信息對(duì)套料結(jié)果的可執(zhí)行性有決定性影響。因此，需要實(shí)現(xiàn)套料軟件與MES的集成，實(shí)現(xiàn)基于MES的生產(chǎn)訂單排產(chǎn)及實(shí)時(shí)庫存信息的套料，以避免出現(xiàn)套料后因?yàn)橛唵蝺?yōu)先級(jí)不合理或者使用的物料庫存不足造成套料結(jié)果不可執(zhí)行的情況?；趯?shí)時(shí)庫存的自動(dòng)化套料及下料作業(yè)如圖3所示。圖3基于實(shí)時(shí)庫存的自動(dòng)化套料及下料作業(yè)此外，通過MES與下料設(shè)備集成，將套料結(jié)果及自動(dòng)生成的下料程序通過MES直接下發(fā)至下料設(shè)備，并在下料任務(wù)執(zhí)行過程中自動(dòng)將執(zhí)行進(jìn)度反饋至MES，可以提高信息傳遞的效率和準(zhǔn)確性，從而提高下料工序的生產(chǎn)效率。2.3生產(chǎn)任務(wù)的批量化作業(yè)套料之后，下料的多個(gè)生產(chǎn)訂單已被打包成多個(gè)下料任務(wù)包，每個(gè)任務(wù)包在后續(xù)的生產(chǎn)調(diào)度和任務(wù)執(zhí)行過程中均可按整個(gè)任務(wù)包進(jìn)行批量的派工、報(bào)工、投料等操作。考慮到實(shí)際執(zhí)行過程中由于插單、原材料尺寸不準(zhǔn)等異常情況，車間作業(yè)任務(wù)執(zhí)行過程中也會(huì)出現(xiàn)在MES中臨時(shí)批量操作生產(chǎn)訂單的情況。因此，MES需要支持對(duì)生產(chǎn)訂單的批量選擇進(jìn)行派工、報(bào)工、投料等操作。下料任務(wù)的批量化操作流程如圖4所示。圖4下料任務(wù)的批量化操作流程對(duì)于某些特殊行業(yè)，需要嚴(yán)格記錄原材料批次與零件毛坯批次的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便于后續(xù)的質(zhì)量問題追溯。因此，生產(chǎn)訂單的毛坯批次與原材料批次的關(guān)聯(lián)關(guān)系也需要支持批量操作。2.4物料的全過程數(shù)字化追溯跟蹤對(duì)于大部分的機(jī)械裝備行業(yè)，下料之前的原材料及之后的毛坯，都需要記錄其部分或者全部物料的批次信息。因此，下料作業(yè)后需要對(duì)物料的批次信息進(jìn)行數(shù)字化的記錄，以便于后續(xù)毛坯加工或者裝配過程中的物料信息采集。下料作業(yè)報(bào)工后，MES應(yīng)自動(dòng)生成毛坯的條碼或信息，并以單據(jù)條碼或者對(duì)物料直接賦碼的方式對(duì)毛坯進(jìn)行標(biāo)記。MES可支持條碼的管理，后續(xù)條碼出現(xiàn)損壞、丟失等異常時(shí)可對(duì)條碼進(jìn)行補(bǔ)全。3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及方案實(shí)施3.1整體系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)下料數(shù)字化車間的建設(shè)內(nèi)容及重點(diǎn)，整體的系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，面向下料工藝的MES是整個(gè)方案的核心，既實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)管理的主要功能，又負(fù)責(zé)與PLM、ERP等信息化系統(tǒng)及下料生產(chǎn)設(shè)備等軟硬件集成，以此打通下料車間的信息流、物流的全流程。MES與套料軟件集中，將生產(chǎn)訂單、庫存信息等數(shù)據(jù)傳入套料軟件，后者將經(jīng)過優(yōu)化算法計(jì)算出來的套料結(jié)果返回給MES以指導(dǎo)生產(chǎn)。圖5下料數(shù)字化車間系統(tǒng)整體架構(gòu)在MES與各信息系統(tǒng)集成方面，與PLM集成所交互的設(shè)計(jì)及工藝數(shù)據(jù)，是整個(gè)MES業(yè)務(wù)運(yùn)行的與項(xiàng)目相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要來源，包括BOM（BillofMaterial，物料清單）、圖紙和工藝等；與ERP系統(tǒng)集成所交互的數(shù)據(jù)，一方面是物料檔案、人員和組織架構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面是生產(chǎn)訂單、進(jìn)度和庫存賬等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。3.2MES實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線面向下料車間的iMOM（intelligentManufacturingOperationManagemen，智能制造運(yùn)營(yíng)管理）系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)字化車間解決方案的核心。其中，既包含具有機(jī)械裝備行業(yè)共性特征的計(jì)劃派工、工序作業(yè)任務(wù)派工、物料工輔具生產(chǎn)準(zhǔn)備協(xié)同、質(zhì)量檢驗(yàn)和設(shè)備維保等通用性功能，又有針對(duì)下料工藝的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)原材料批次屬性管理、自動(dòng)化套料、批量化作業(yè)等具備下料工藝特色的功能。本文研究的數(shù)字化車間解決方案基于國(guó)機(jī)智能技術(shù)研究院自主研發(fā)的面向機(jī)械裝備制造的iMOM平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。iMOM已在機(jī)械裝備行業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械、制藥裝備、礦山裝備、能源裝備、海油裝備和紡織機(jī)械等多個(gè)行業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，形成了針對(duì)具體行業(yè)的智能工廠/數(shù)字化車間解決方案，運(yùn)行效果良好。iMOM對(duì)于項(xiàng)目制復(fù)雜裝備制造的特點(diǎn)，已在生產(chǎn)計(jì)劃管理、車間任務(wù)調(diào)度、作業(yè)過程管理、倉儲(chǔ)物流管理和質(zhì)量管理等方面具備了相關(guān)的業(yè)務(wù)模型、系統(tǒng)功能和APP等，對(duì)壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間的多數(shù)業(yè)務(wù)需求已具備良好的支撐。在iMOM平臺(tái)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展原有的批次管理功能，形成適用于下料車間的批次屬性管理及跟蹤模式；其他生產(chǎn)計(jì)劃管理、車間作業(yè)管理、物流管理和質(zhì)量檢驗(yàn)管理等功能則采用iMOM平臺(tái)原有的功能。基于iMOM平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展及增量開發(fā)的技術(shù)路線，既保證了系統(tǒng)對(duì)下料車間的適配性，也保證了平臺(tái)的可靠性及穩(wěn)定性。4、結(jié)束語下料數(shù)字化車間解決方案根據(jù)下料工段的生產(chǎn)管理特點(diǎn)，通過研發(fā)并實(shí)施