工业互联网背景下造船厂数字化系统应用研究

王 亮

(江苏商贸职业学院,江苏 南通 226011)

0 引言

工业互联网是将传统制造业通过互联网与信息技术进行深度融合,实现生产、销售、服务与管理等全部环节的网络化、数字化与智能化。工业互联网建设发展不仅可以提高企业的产品质量和生产效率,还能够为企业带来更多的商业机会与变革。目前,各国政府都在推动工业互联网的发展。在中国,自从国家工业互联网发展推进委员会成立以来,工业互联网建设发展迅速。经过近几年的努力探索,我国工业互联网在网络、平台及安全领域方面取得了一定成就,并在实践中初步形成了4大应用架构,分别是智能化生产、网络化协同、个性化定制及服务化延伸[1]。

但是当前在某些行业中,工业互联网的普及程度还较低,例如船舶制造行业。这是因为船舶制造过程工艺流程复杂,产品呈现多品种、小批量的特点,从而导致船舶制造业仍处于数字化起步阶段,制造车间信息化建设落后,智能化程度不高,传统的制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)已经不能满足从车间设备数据采集到生产管理全过程管控。因此,亟需开发新技术与传统车间制造执行系统进行融合,提升船舶制造整体信息化水平,助力船舶制造产业数字化转型升级[2]。

本文首先通过对文献资料和信息的收集分析当前船舶制造业中存在的问题及原因,然后研究如何在工业互联网背景下建设造船厂数字化管理系统,以集成化、数字化、智能化手段解决生产控制、生产管理和企业经营的综合问题,打造服务于企业、赋能于工业的“智慧大脑”。

1 造船厂数字化系统当前存在的问题及原因

1.1 当前存在的问题

经过调研发现,我国一些造船厂虽然拥有较为成熟的工艺体系,部分工段和车间也已实现自动化作业,正在逐步实现“造船标准化,管理数字化”的目标。在这个过程中,MES作为智能制造体系的核心,在实现船厂数字化和全供应链协同上发挥了不可替代的作用[3]。然而,面对工业互联网不断出现的各种新技术、新概念,传统的造船MES已经无法满足时代需求,在实施过程中主要面临以下主要问题。

(1)MES主要实现信息的管理与“上传下达”,生产现场数据感知能力薄弱,对制造过程中生产状态、物流配送以及产品寿命周期等实时监控能力较弱,没有充足的信息来支撑 MES数据进行决策。

(2)MES通常只关注造船厂的内部管理,这对于中小企业可能足够,但是对于大型造船企业,存在多工厂协同、与客户协同、与研究院所协同、与外部供应商协同等需求,需要对全产业链进行优化和管理,现有MES架构无法支撑。

(3)传统MES的功能范围模糊不清,给企业信息化建设带来很大困扰,往往需要通过质量管理系统和智能仓储管理系统等来弥补MES系统功能的不足,容易导致信息孤岛、集成困难,造成生产协同困难和低效。

(4)在企业信息集成3层业务模型下,MES系统获取产品定义相关数据的途径局限于与ERP系统进行集成,无法满足个性化生产需求。

1.2 问题出现的原因

(1)造船属于边设计边生产模式,数据多次迭代,精益化造船对设计数据的精细化要求高,依靠人工处理,成本高、周期长,生产现场信息多,数据量大,人工采集难度大。

(2)项目执行层的协同要求高,在管理层协调效率低。

(3)目前虽然在部分工段和车间已经通过管理系统实现自动化作业,但还难以界定每次偏差的原因,缺乏知识积累,以便提出及时有效的解决措施和改进措施。

造船厂建设数字化系统能够通过有效的信息采集、运作检测以及安全保障来使整个车间的运作保持稳定,从而在现代化工业互联网运作中,推进车间建设的高效化、智能化和数字化转型升级[4]。

2 工业互联网技术在造船厂数字化系统中的应用

2.1 数字化系统应用架构分析

本文针对上述问题,在当前工业互联网背景下提出建设造船厂数字化系统的应用方案。该方案将数字化车间管理系统的建设分为4个模块,分别是数据采集监控系统、生产管理系统、工艺管理系统和质量管理系统。数据采集监控系统可以通过采集生产数据对车间内的设备运行状态进行监控以实现设备的自动化管理;生产管理系统功能包括工单管理、任务分配、生产报工和实绩上报等,可以实现从下单到上报的一体化管理;工艺管理系统功能包括图纸接收和下发以及工艺卡维护和打印等,可以实现无纸化管理;质量管理系统功能包括送检管理、检验作业和品质分析等,可以实现产品质量的智能化管理。

2.2 数字化系统各模块功能

造船厂数字化系统应用架构主要分为以下4个功能模块。

2.2.1 数据采集监控系统

该系统包括数据采集、能耗及运行状态分析、设备维保和设备稼动分析等部分。数据采集部分用来采集设备的生产数据,主要包括设备运行状态、运行时间、停止时间、故障时间、稼动率和产量等;能耗及运行状态分析部分可以实现生产设备能耗及运行的实时监控分析;设备维保部分通过终端对设备的日常点检、维修和保养进行数据记录,建立设备履历信息;设备稼动分析部分则通过对设备运行状态采集,实时分析设备稼动率,从而提高设备利用率。

2.2.2 生产管理系统

该系统包括工单管理、任务分配、生产报工、实绩上报和生产进度分析等部分。工单管理部分是根据零件工序产生生产工单,定义工单数量及预计开完工时间,根据工艺模型自动产生工艺流程卡;任务分配部分可以支持根据派工任务手动或自动产生任务分配至各生产机台终端或人员;生产报工部分是根据生产人员在机台终端扫码接收任务,确认开始生产,支持生产首检、调机管理、任务暂停、分批报工、机台完工数量和工时自动采集等功能;实绩上报部分通过工序生产遗失数量、报废数量和非加工工时等异常数据终端上报,以供生产实绩统计分析;生产进度分析部分是根据生产工单按车间、班组达成状态实时追踪分析各工艺卡片式状态分布。

2.2.3 工艺管理系统

该系统的功能是工艺员根据一体化系统下发的图纸建立工艺数据、工艺路线、工艺参数、工艺标准作业程序(Standard Operating Procedure,SOP)等生产工艺基础数据建模,具体流程如图1所示。

图1 工艺管理系统流程

2.2.4 质量管理系统

该系统包括送检管理、送验作业和品质分析等部分。送检管理部分是根据工艺流程卡的工单工艺参数自动产生送检任务,并自动将检验任务推送至各检验终端;检验作业部分是送检任务根据品质基础数据自动产生需检验的项目及检验标准,检验人员可以在终端记录检验结果并进行判定;品质分析部分是对零件加工过程的检验数据进行实时收集和分析,自动产生检验报告,针对品质异常进行追溯分析。

3 结语

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态[5]。本文以数字化手段为突破口,在工业互联网背景下研究如何在造船厂建设数字化车间,构建以工单为核心的非标产品车间管理系统。该系统将为数字化、智能化船厂建设提供统一的数据平台,通过安装网关和采集设备实时运行数据,实现车间设备的联网、监控、数据采集和数据分析,实现图纸自动下发、加工任务分配、生产任务报工、工人绩效自动统计分析等多种功能,提升设备利用率,降低设备能耗,从而提高生产效率。