管子智能生产线工艺布置设计

韦 刚，殷 超，吴思远

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏海门 226100）

0 引言

在船舶建造过程中，管子制作是一个重要环节，管子的制造和安装工时约占整个船舶建造过程一半以上的工时，船上的管子数量多、形状复杂，万吨级散装船中的管子多达万根。管子生产成为“数字化”和“绿色造船”的关键组成部分。因此，要实现数字化造船必然需要数字化管子生产的支持，同时数字化管子生产是解决我国目前面临的管子加工技术与设备瓶颈的重要途径，而管子生产线的工艺布置是其中一个重要课题。

相对于传统的管子生产线，高柔性、高效率综合管子智能生产线的工艺布置，能够有效提高生产的效率、降低生产成本、提高加工精度，并且可以实现大批量、高质量地组织生产。

1 背景

1.1 行业现状

目前国内船厂现有管子生产流水线一般分为小、中、大3条生产线，不能体现柔性生产要求，不利于统筹安排管件的生产。这3条生产线为：

1）小管生产线为公称通径DN 15～DN 50的无缝钢管；

2）中管生产线为公称通径DN 65～DN 150的无缝钢管；

3）大管生产线为公称通径 DN 200～DN 500的无缝钢管。

1.2 传统管子生产线存在的问题

传统管子生产线存在如下问题：

1）生产能力不平衡

（1）小、中、大生产线每天的生产能力是不同的，如果3条线都是全负荷生产势必会使某一产线产出过剩，从而产生库存；

（2）生产顺序不统一，在项目的不同时间和不同需求的要求下，不能满足按需生产要求，导致成品管件配盘率低；

（3）为满足后道安装需求势必会导致某一产线持续高负荷生产，产生大量加班作业。

2）对生产资料中的数据信息需多道工序拆解，耗费大量工时

（1）初步的任务分配只能对数据信息中的管径进行区分来匹配小、中、大3条产线；

（2）在某一单一的生产线得到的生产任务中再按加工工序（是否需要弯管、对接焊等）进行工序区分；

（3）产线制作结束后再按试验要求（探伤、密性、无需密性）再加以区分；

（4）经过以上多层拆解后还不能满足合作厂商表面处理的要求，最后还要按表面处理方式（酸洗、镀锌、打砂油漆等）进行拆解，所有的分解最终在集配中心形成最终的所需托盘。

3）生产线设备的智能化程度低，不能满足智能制造需要

（1）管子原材料库存不能实现自动立体库存储，生产效率低。

（2）未进行管件表面自动冲砂管管子表面存在锈蚀情况，管子表面需要大量打磨工作来弥补不足；

（3）国内大部分智能制造设备智能化功能不够完备，需要人工辅助操作，生产效率低；

（4）管件加工的产能大部分靠手工操作来弥补流水线加工量；

（5）不能实现自动喷码，简易二维码粘贴和敲钢印耗时多。

综上所述，传统的管子生产线在产能平衡控制和加工工序环节都存在一定的缺陷和不足，在精益生产理念下传统的生产模式是产线管理人员和设计人员亟待解决的难题。

2 管子智能生产线工艺布置

针对现有技术的不足，本文设计一种兼具柔性、高效等特点的智能生产线，该产线的工艺布置能够有效解决传统产线的生产效率问题、降低生产成本、提高排产精度，可实现大批量、高效率的生产模式。主要设备有：管子自动立体库、管子自动冲砂设备、管子自动锯切机、管子自动坡口机、管子自动打码设备、法兰/套管组对装焊一体机、自动数控弯管机、自动化对接焊机和轨道Panther焊机。

2.1 工艺布置

管子智能生产线工艺布置如图1所示。

图1 管子智能生产线工艺布置图

如图1所示，与上方人工工位相连接的是人工通道，下方的自动工位通过自动通道相连接。

该工艺布局方案结合产量要求，进行生产工艺的合理配置，既考虑了自动化设备和自动化物流，也考虑了人工装配/焊接工位，确保生产线的柔性和多产品的适用性。生产线的软件系统具有先进性，可以实现自动排产和任务自动调度，具有生产准备、生产管理、进度反馈、质量跟踪等功能，能够实现管件的全生命周期管理。

2.2 主要工艺流程

管子智能生产线工艺流程如下：

1）管子自动立体库原材料进料按照系统的材料需求清单进行，操作人员通过系统自动排产进行理料，将核对无误的管子吊运到上料缓存区，并将管子规格、炉批号等信息扫描或输入到系统，管子由缓存料架上料系统自动放入立体库。

2）系统根据各生产工位的任务工作包，生成各工作站需要的管附件托盘清单，管附件仓储人员将各工作站需要的管附件根据计划安排配送至各个设备工位及人工装配/焊接工位。

3）管子按照“先进先出”的方式，从管子自动立体库自动输出，通过物流辊道自动进入管子自动冲砂设备进行自动冲砂，再进入管子清砂机进行自动清砂作业，全程无人操控。

4）管子冲砂后，根据系统自动调度进入不同的管子自动锯切机和管子自动打码设备，其工作顺序为先打码再进行切割。管子打码采用自动喷墨方式，管件号上采用打码易被智能线工位智能识别所有管件相关生产信息。

5）管子通径规格为DN 40～DN 400都通过带锯（配相应的坡口机，管子两端打坡口），切割后需要进行自动焊接的，必须采用冷加工方式确保坡口满足对接自动化焊接的要求。

6）切割工位的各类切割设备可以从管线信息化管理系统自动接收任务指令和切割的数控程序，切割完成后自动进行完工任务的反馈确认，原则上不需要人为干预自动化作业，仅在系统出现报警时，由巡检人员进行相关处理工作。切割产生的短料＜600 mm自动落入预先放置的托盘内，根据系统排产指令，通过人工物流输送方式自动将短管托盘送往短件制作区。产生的余料可在管线旁设置临时区域进行存放，但原则上尽量通过系统自动套料进行优化，尽量减少余料的产生。

7）一部分管子切割完成后，需要进行自动化对接焊，由物流辊道系统自动运输到自动化对接焊接工作站的缓存平台，同时系统将对接管子的各种相关生产信息及指令自动发送到对接焊接的设备的上位机上。

8）一部分管子切割完成后，需要进行装焊平法兰、焊接套管等角焊缝，由物流辊道系统自动运输到法兰/套管组对装焊一体机的缓存平台，同时系统将对接管子的各种相关生产信息及指令自动发送到法兰、套管焊接的设备的上位机上。法兰（套管）可采用半自动、自动方式放置组对，实现自动化定位焊以及自动化焊接法兰（套管）。

9）管子装焊完法兰后，如需要弯管，由物流辊道系统自动运输到弯管工作站的缓存平台，系统将管子的各种相关生产信息及指令自动发送到弯管设备的上位机上。弯管机在人员监控情况下，可以实现管子带法兰（套管）的自动弯管。

10）管子在切割、弯管、一次装焊完成后，根据管线系统指令的工艺安排，由物流辊道系统自动运输到半自动、人工作业工作站的缓存平台，同时系统将对接管子的各种相关生产信息及指令自动发送到各工位的电脑终端上。为提高人工工位效率，减少物流次数，人工工位应尽可能一次形成2D/3D完工管。

11）系统根据各生产工位的任务工作包，生成各工作站需要的管附件托盘清单，提前由管附件仓储人员将各工作站需要的管附件根据计划安排，采用人工物流方式配送至各个工作站。

12）焊接完成后的完工管子，通过吊机吊运的方式放置到管件完工托盘内，管线信息化管理系统应生成后续各工序的托盘装盘清单，并针对托盘的存储、运输、集配等全过程进行管理。

13）管子完工后，系统仍然要对后续的管子进行无损探伤试验、压力试验、冲砂、油漆、外场安装、船上安装最终提交等全过程进行管理，生成各种试验清单、测试清单和检验报告，通过手机、移动终端或电脑等对这些过程进行记录和确认，以便完成对整个管子制作的全生命周期管理。采用手机等移动终端兼顾酸洗磷化、镀锌等外协工序的进度记录和确认。车间管理数据流通机制如图2所示。

图2 车间管理数据流通机制[2]

2.3 主要工艺特点

管子智能生产线工艺特点如下：

1）打破国内船厂现有管子生产流水线的小、中、大3条线设置

（1）管子智能生产线适应范围管子直径范围为“DN 40～DN 400”，涵盖一般管子的小口径、中口径及大口径管子的生产范围，体现柔性生产要求，利于统筹安排管件的生产。

（2）使用管子综合生产线后，管子的适用范围为DN 40～DN 400，可以覆盖80%以上的生产量，生产线的柔性进一步加强，使得管子生产线可以适应船型多样化的需要。

2）设计工作和管子生产流水线的数据联通，设计和现场紧密贴合

（1）管线信息化 MES管理系统，可从设计/企业资源计划（Enterprise Resource Planning，简称：ERP）按照各船型分段托盘分批次导入设计信息、计划信息和物料信息，设计修改信息，自动进行管子生产任务包的创建，并进行自动高级排产，任务包释放到车间生产后，可以自动为设备生成相应的数控指令，匹配相应的工装夹具，自动为管子选择工作包（Work Packages，简称：WPS）等；同时为半自动和手动工位即时生成任务队列，并自动进行各自动化工位的生产调度，并将所需要的物料通过物流系统自动配送到工位的缓存区。

（2）从技术软件（AVEVA Marine，简称：AM）中导出含有管子加工必要工艺信息的IDF文件，并进行归档管理。管线MES系统访问归档后的IDF文件，并读取IDF文件以获取管子的模型及工艺数据，形成管子加工物料清单（Bill of Material，简称：BOM）。

（3）ERP系统提供每个托盘管子制作的计划开工和计划完工时间。管线 MES系统需要根据导入的托盘制作计划及管子加工 BOM，自行完成加工路径的计算及各个工位的高级排产（满足托盘完成计划的前提下，自动确定每个加工任务在各工位的加工时间，自动平衡各工位的作业负荷，可根据插单、设备故障、原材料问题等自动调整产线的计划时间），并将生产过程中将每根管子的完工状态反馈给现有的ERP系统。

（4）ERP系统提供管加工所需材料的库存信息，用于管线 MES系统进行产前材料满足情况的检查。

（5）管线MES系统应具备生产控制、数据采集、异常预警、历史信息、系统集成和各种报表分析等功能，所有报表模板可以自行配置，并能够满足中控室各类监控设备的数据需求。

（6）综合生产线的自动化程度大幅度提高，达到国际智能制造水平，相对于之前规划的生产线，生产线的立体库、管子冲砂机、锯切机、坡口机、自动焊机、弯管机等主要设备均为在线设备。

（7）管理软件具有高级排程功能，具有与生产硬件信号交互控制实现即时自动调度功能，具有管子从设计到管子上船安装全生命周期管理功能。

3）生产线控制系统智能化程度以及物流系统可完全自动化调度

（1）全流程的工艺管理。生产管理软件核心功能具有深层次的MES管理开发功能。

（2）工位级的高级排程。生产管理软件能根据产线的实际产能对生产计划进行自动调度。

（3）配备自动化的物流系统。工件自动识别软件系统指令，自动化的物流系统使工件通过物流辊道自动调配传送到下一工序。

（4）对管件加工完成之后的工序完全实现智能软件自动管理，包括自动抽取探伤比例、自动抽取试压方式、表面处理等，实现不同流程管子配不同托盘。

4）生产线设备的智能化程度高，满足智能制造需要

（1）管子原材料库存可以实现自动立体库存储，生产效率高。

（2）对表面存在锈蚀情况的管件进行自动冲砂，无需打磨工作来弥补管子表面的不足。

（3）国内大部分智能制造设备智能化功能比较完备，仅需少量人工辅助。

（4）管件加工的产能大部分是靠手工操作来弥补流水线加工量。

（5）管子自动打码设备可以实现自动喷码，解决人工贴码的问题。

3 结论

本文设计一种具有高柔性高效率综合管子智能生产线的工艺布置，满足多元化船舶产品特点，采用行业智能制造先进技术，在硬件上符合DN 40～DN 400管径碳钢管加工工艺流程要求，在软件上与公司现有的ERP系统对接，并自带MES系统，实现全自动区和半自动区的信息及物流顺畅贯通。利用自动化立体仓库、自动冲砂、自动切割、先焊后弯、自动弯管、法兰/套管组对装焊一体机、高级自动化排产、全自动物流、人工装配/焊接工位等先进工艺技术，配合生产线软件和全自动物流系统将这些自动化设备以及人工工位连接在一起，提高工效和质量。

综合管子智能生产线的工艺布置兼顾智能、高效、柔性的生产特点，工艺适应范围广，产能可扩展，管子智能生产线规划方案理念及配置先进，符合智能化发展方向。