管件生产加工管理系统

陈维杰， 钱 娣， 张 涛， 卜 佳， 林 海

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

0 引 言

2013年德国在汉诺威工业博览会上正式推出 “工业4.0”，旨在利用信息化技术搭建智慧型网络，实现数据实时交互，建立“智慧工厂”，从而实现整个生产过程的“自我优化”。随后，我国也提出“中国制造2025”，加快高端制造业的发展。现代化的管件车间应更主动地迎合这一趋势，在“中国制造2025”战略对接“工业4.0”的大背景下，凭借成熟的软件技术的支持，填补传统生产管理模式的不足，充分发挥现有生产工艺的优势，走出一条可持续、低能耗、高盈利、面向未来的发展道路。

目前，由于船舶行业管件产品数量庞大、规格繁多、品类复杂[1]，船用管件加工厂一般较难组织批量式生产，如何降低生产和管理成本、提高产量和设备利用率是工厂必须关心的首要问题。因此，在船用管件的加工过程中需充分利用部件的相似性，将单件式生产方式优化为批量式生产方式。

传统生产方式存在以下问题：在成品管交货时，总装模式下的造船厂需要按照管件加工厂安装管件的顺序及管件的分段、管件所属系统等安装关系组织交货，而在管件加工过程中，需要按照管件的相似性(如管件规格、管件形状类型、管件表面处理方式等)组织生产，这样势必需要打破管件的安装关系重新分组安排生产。按照加工相似性划分管件，解决管件的批量加工与交货之间的不同要求，是采用人工排定计划的生产方式难以较为妥善解决的。

为解决上述问题，管理人员须按照设备加工能力和当前负载情况制定或调整加工计划。这个过程受到的约束条件较多，管件的生产状态因种种原因(车间生产的复杂性、动态随机性、多目标性及约束性等)无法及时准确有效地反馈给管理人员，需要对管件集合从多方面进行汇总分析。这个过程用传统的生产管理方式很难完成。

因此，对如何将计算机信息技术引入到管件加工过程中，在整个管件工程范围内构建管件生产加工管理系统加以探究。

1 管件生产加工管理系统概述

管件生产加工管理系统是为提高管件车间加工生产效率、降低生产环节成本、减少资源浪费、改善产品品质并最终提升行业竞争力而设计的一套基于精确生产方式的管理系统。该系统从设计信息中获取加工工艺数据，采用加工工艺相似性原理进行生产计划安排，通过网络实现自动化加工，从而实现部分工位无纸化加工，保证有序高效的生产活动，最终实现提高企业生产效率和生产管理水平的目标。

该系统采用数据库管理技术，建立管件批量生产数据库并提供数据支撑，对管件的设计数据、加工数据及加工状态进行统一集中管理，提供方便的查询、分析等手段。系统的数据源来自工艺数据，利用计算机网络和信息的固有特征，对管件生产工艺信息进行结构化、层次化、模块化的描述，经过对设计数据的分析获得管件加工数据和要求。

系统采用C/S架构，即客户端服务器端架构。服务器端有数据库访问层，单独处理对数据库的访问事务；有业务逻辑层，专门处理业务逻辑，并方便扩展和调整。客户端负责完成人机交互及与相关加工设备之间的数据通信，通过远程调用技术实现与服务器的交互。

2 管件生产加工管理系统结构

管件生产加工管理系统采用公共功能层与定制开发功能层分离的方法组织项目开发。公共功能层面向同类加工工厂的共同需求，保证软件系统的通用性，使得面向整个行业内的普遍工厂进行软件设计与开发成为可能。与公共功能层不同，定制开发功能层是建立在公共功能层基础上的一些定制开发，是单独对应于当前实施工厂而特定开发的，并不适用于其他类型企业。采用这种功能层分离的方式，在保证软件对特定工厂的深度适用性的同时，保证系统对同类工厂差别性的广泛适用性。

管件生产加工管理系统按功能可划分为人员权限、基本管理、数据导入、计划管理、仓库管理、加工管理、报表生成等7大模块。每个模块可由若干个子模块组成：人员权限包括主管权限管理、普通人员权限管理、生产加工人员权限管理等；基本管理包括部门管理、生产线管理等；数据导入指通过Excel将每根管件的基础信息导入至数据库；计划管理指对每个项目的周期计划制订相应的加工步骤和节点；仓库管理包括库存明细、入库管理、规格管理、出入库明细查询等；加工管理包括管件状态提交、管件状态明细、表面处理、手动下料、加工进度等；报表生成指通过每道工序的数据最终输出报表并下达生产和加工任务。

3 管件生产加工管理数据库结构

管件生产加工管理系统采用数据库统一管理数据。数据库是管件生产加工管理系统得以正常运行的基础，存放着大量的基本信息及与管件加工生产过程相关的动态信息，还存放着企业业务活动和生产活动过程中的静态和动态信息，可实现加工过程中数据的一致性和共享性。通过对数据库模型的良好设计，可尽量减少数据的冗余，消除数据不一致。数据库采用Microsoft SQL Server 2008。系统采用C/S模型，通过服务器端对数据库数据统一访问，提高数据库的访问速度，保证企业内人员对数据的访问和更改的实时性和一致性。

数据库模型的设计要求是根据产品加工工艺的相似性进行空间分道，实现对车间生产资源的优化组合，提高生产效率。分析加工过程中物流的流向和流量，找出生产过程中需要获取信息、协调和控制的关键环节，以这些环节为信息站点，就可将一个连续的管件生产过程看成离散点的信息控制过程。

从工艺图纸获得管件的全部设计数据，将该设计数据整理成统一的格式，然后对其进行分析，获取每个管件的材料、口径、长度、法兰焊接、表面处理方式、校管方式及管件类型等信息。利用计算机网络和信息的固有特征，对管件批量生产工艺信息进行结构化、层次化、模块化的描述，最终形成管件批量生产工艺数据库。

采用面向对象的技术对管件批量生产工艺的需要进行分析和描述。根据设计、生产和管理的不同要求，可将管件对象分为基本属性、几何属性、加工属性、装配连接属性及管理属性等。同时，为保证数据的一致性和规范性，还需要设置必要的基础信息， 图1为管件对象的数据模型。

图1 管件对象数据模型

该数据库主要包括以下几个部分的信息：

(1) 主管；

(2) 管零件；

(3) 管件基本数据：管径、壁厚、材料等；

(4) 管件装配数据：管段和连接件、管段和附件、分段、托盘等；

(5) 管件加工数据：下料长度、法兰相对转角、法兰相初始角；

(6) 其他：基础编码、统计管理要求等。

数据库信息模型按所描述的对象主要分为以下7个模型：

(1) 管件信息模型。该模型用于描述：管件整体性的相关信息，如工程名、区域名、图纸编号、管件名、管件类型、表面处理、压力试验及封口要求等；管件(管段/附件)的加工详细信息，如名称、加工长度、材料、规格型号、类型(直/弯等)、质量、条形码等；加工工艺流程的信息，如加工顺序、加工设备及配套部件等。

(2) 过程信息模型。该模型用于描述管件在管理和加工过程中的状态，主要有采集器配置、采集数据信息、记录管件状态等。采集器在使用前必须经过本系统对其进行设置，确定其使用人、工位等。采集器用扫描的方式将管段上的条形码信息进行采集和保存。操作人员每天将保存在采集器中的数据通过本系统上传至数据库中，同时对管件状态进行设置。

(3) 物料信息模型。该模型用于描述管件材料或零件的信息，主要有管件的分类(管段、附件等)、材料、规格型号、出入库和库存等。

(4) 计划信息模型。该模型用于描述计划信息，主要有月、周的详细计划等。计划以船和图号为单位，通过图号关联到管件。

(5) 工程项目信息模型。该模型用于描述与工程有关的管理信息，主要有工程、船名、区域及图号等。

(6) 基础编码信息模型。该模型用于对每根管件及零件的长度、弯度、半径等基础数据信息进行编码。

(7) 人员信息模型。该模型用于描述一些与管理软件本身运行有关的信息，如登录名、密码及人员与角色关系等，角色属性决定可以操作该软件的权限。

4 管件生产加工管理系统待开发功能

在“中国制造2025”及“工业4.0”的大背景下，结合管件生产加工管理工作中不断出现的需求，应进一步完善并提升管件生产加工管理系统的复杂功能及实际应用效果，体现在以下几方面：

(1) 根据管件不同的生产工艺要求，通过数据分析直接调取相应管件生产加工模块，自动生成最优生产线，在耗时最短的情况下高质量地开展新的生产任务。

(2) 全生产场景的可视化成为现实，通过数字化模拟生产模式，可大幅降低各类生产试运行的试错成本，提升产效产能。

(3) 提升系统处理复杂问题能力，可更好地适用于各种实际生产场景。

(4) 及时新建或改造符合 “工业4.0” 相关要求的生产线及车间。

(5) 促进人工智能的进一步发展，以人工智能为基础的各种算法可对整条生产线持续进行优化，并有效地降低能源及其他资源的消耗。

(6) 需要更多具备打造生产管理模块、熟悉大数据技术并能够合理使用相应研发工具等能力的生产管理人员。

(7) 可赋予工程师更多创新空间。

5 结 语

从现代管件生产加工业务流程的调查和分析出发，分析管件生产加工过程中的主要信息对象及其相互关系，根据管件生产加工过程中的信息化现状和要求，提出管件生产加工车间信息化体系的架构，对管件信息集成和应用方法进行研究，建立管件车间生产加工与管理系统和与此相对应的数据库。该系统对关键生产加工软件进一步的研发方向进行预判，希望能给予相关从业者以一定的启示。