基于船舶管件加工的车间自动化产线调度系统研究
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摘 要： 针对有多工位、同一工作站船舶管件直管段加工自动化生产线的排产优化，同时考虑管材自动化立体仓库、法兰上位机的精准配料等问题，采用精准算法的多系统协同方式，包含有智能产线管控系统（BCS）、产线主控PLC、仓储配送系统（WMS）、法兰上位机系统，以智能产线管控系统（BCS）为中央处理单元，负责与产线主控PLC通讯处理整条产线的实时管控、包括生产任务的下达，协调立库的仓储配送系统、法兰上位机系统管材、法兰上料，以实现船舶管件直管段自动化产线有序加工、提高生产效率，尤其是解决先焊后弯突破后，大量直管段加工需求，极大降低生产成本。
关键词： 船舶管件;自动化产线;多系统协同;排产优化
中图分类号： TP391. 41 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.047
【Abstract】： Aiming at the production optimization of the automatic production line for the straight pipe section processing of ships with multi-station and the same workstation， and considering the problems of the automatic three-dimensional warehouse of pipes and the precise proportioning of the flange upper computer， a precise algorithm based multi-system cooperation mode is adopted， which includes the intelligent production line management and control system （BCS）， the main control PLC of the production line， and the warehousing. Distribution system （WMS） and flange upper computer system， with intelligent production line management and control system （BCS） as the central processing unit， are responsible for communicating with the main control PLC of the production line to process the real-time management and control of the whole production line， including the delivery of production tasks， and coordinate the warehouse distribution system， flange upper computer system material and flange feeding in order to realize the shipbuilding. Automated production line of straight pipe section of marine pipe fittings can be orderly processed to improve production efficiency， especially to meet the processing demand of large number of straight pipe sections after first welding and then bending breakthrough， which greatly reduces production costs.
【Key words】： Ship fittings; Automated production line; Multi-system coordination; Production scheduling optimization
0 引言
在船舶制造全生命周期過程中，管件加工制造是船厂生产过程中的一个重要环节。船舶管件生产工时约占造整船总工时的8-12%，其中管件内场加工工时约占65%以上，管件加工制造[1]是典型的多品种小批量离散型制造，管件制造的工作量比较大，特别是在多艘船同时建造时，就更加重了管件车间的生产加工任务，通过引进产品制造、自动化物流等高端智能装备，进行装备的工业互联，实现武船管加车间的管理信息化、设计制造数字化、决策智能化，
自动化产线主要生产船舶管件直管段，管件E-R模型如下图（图1）所示。
管件模型示意图如图2所示。
管件包含管段与法兰，过程就是将管材在切割机上进行切割完成管段切割，然后进行打磨，打磨完成后，在组队焊接单元进行法兰组队，组队包括法兰的组队焊接，内外焊接，满焊。组队焊接，防线。现场测试。
1 车间生产调度特点
实际的车间生产调度通常是不确定的、多目标、多条件约束的，问题难以精确预测到。一般生产实际中，车间调度有如下的特点。
（1）复杂性
在生产过程中，车间的工件、设备操作人员、物流传送系统以及车间服务系统是相互影响相互制约的。因此，不仅需要考虑每一个工件的加工和安装时间，还需要考虑系统之间的缓冲能力以及工件的加工顺序以及操作工人的操作熟练程度，以上种种限制条件决定了车间生产调度的复杂性。 （2）动态随机性
车间在实际生产过程中，常常会有物料达到时间不准，实际加工工件时间与预期不吻合、设备异常、订单被取消、交货期更改以及紧急插单等不确定性因素，导致车间的生产调度具有很大的动态随机性。
（3）多目标性
在车间实际生产技术工作[2 -3]过程中，会有很多不同的生产加工任务，这些生产任务可能会调度目标有着不同的要求，有时候这些要求之间有许多互斥的地方，比如要求生产周期最小，又要求订单超期最少，又要求设备利用率最高等等，因此如何使用车间的调度系统满足这些不同的目标，是车间调度一直面临的难题。
（4）约束性
约束主要体现在工艺路线的约束和资源的约束两个方面，车间中生产加工的简单或复杂的产品都有着严格的固定工艺路线约束，工艺路线要求要求加工的产品各道工序前后顺序不能颠倒。其次，根据加工资源原材料数量方面，以及生产设备的规模方面，生产设备的生产能力方面等，这些限制都不是无限的，因此车间的生产调度是在多约束条件下进行的。
2 管件加工车间的加工工艺
本文中主要讨论的是中小径直管加工工艺[4 -7]，具体操作如下：
领料→下料→校管（测量检验→点焊法兰）→焊接→打磨→报检（环缝检查、试压）。
其具体操作为：
（1）领料
工序内容：持领料单领取各种牌号、规格、数量的合格管材，并分别放置在料架上，Ⅰ、Ⅱ级管材应单独存放，并做出明显标记，标记应含检验号、规格。管材领发建立台帐、做好记录、签名。
（2）下料
工序内容：熟悉图纸资料及工艺文件，准备工护具，领取管材，按管件零件图要求，核对管材的牌号、规格和等级;检查管件有无明显凹陷、夹渣、分层、铜绿及其它腐蚀现象，不符合质量的管材坚决不用，并及时反馈;按图划线、切割、用广告色或记号笔做标记，利用吊车人工将管件放至在指定区域。切割管材DN125（含DN125以下全部机割，DN150以上允许气割，机割管去毛刺，气割管应去熔渣，管件端面和轴向垂直。有色管全部机割，去毛刺、锐边。
（3）校管
工序内容：应按工艺编制规定的配套件数量，领出各种配套件，分规格、品种整齐堆放在校管平台旁，特殊规格型号、公称压力的配套件，要做出明确标记（例如：高、低压螺纹接头，?32、?38、?133、?159法兰，≥DN65以上的1.6 Mpa法兰等）防止混用;准备好专用角尺、万能角尺，水平测试仪对照管件零件图的要求或工艺说明进行校管;按管件规格连接相应法兰，进行对接点焊，法兰连接管在焊接成型后，焊脚最高点距法兰密封面尺寸应不大于1.5 mm，连接套管伸进长度为套管长度的1/2，通舱件套管伸出套管长度的2/3。
（4）焊接
工序内容：了解工艺要求，准备工作护具，领取对应的焊材，对之前点焊过的法兰与管件连接处进行环缝焊接，对于较大口径管件连接法兰时内外都要严密焊接。法兰内部焊接目前都是人工焊接。
（5）打磨
工序内容：对于焊接后的管件，需进行必要的打磨处理，目的是为了去除由于焊接引起的各种缺陷，包括不平整的焊缝、毛刺、焊渣、飞溅，打磨后的管件要求光滑、和顺。人工使用砂片打磨居多。
（6）报检
工序内容：主要是进行外观检测、对管件进行试压。外观检测主要是检查焊缝缺陷，对于特定的管件还需要进行水泵试压，对渗漏的管件，补焊前先做好渗漏处的补焊记号，在泄压放液后进行补焊，补焊后的管件进行试压。对于合格的管件最后做上验收标记，按规格有序放入成品区。
3 车间调度系统的分析与实现
3.1 系统分析
从软件工程的角度来说，需求分析是一个软件项目成功与否的关键。本文研究的调度系统主要目标是为了获得较优的调度方案，不像传统意义上的软件开发有那么多的需求，因此本文通过对某船厂管件加工车间充分调研的基础上，综合调度系统自身的特点和软件工程领域的理论，得出系统的需求主要围绕以下几点：
（1）系统能够获得较好的调度方案
无论生产系统处于何种状态，系统都可以获得较好的调度方案，尤其是当生产系统出现扰动时，例如加急订单、设备故障这种情况出现时，系统可以实时的产生较好的调度方案，保证生产系统的运行效率。
（2）系统权限管理和安全控制
在系统中规定好权限，不同的工作人员仅可以处理自己职责内的业务功能，另外在系统中的每一步操作，都需要记录到操作日志中，以方便出现错误时查找问题，一定程度上保证工作人员的责任心。同时系统还需要做好安全工作，严格保密车间的各种数据。
3.2 实现思路
（1）在设计源头使用PLM/PDM系统对导入的工艺数据进行自动工艺匹配[8-9]，标志出拼接管，再通过物资代码匹配及自动线特定工艺筛选出上自动线的管件，以及通过物资代码自动匹配连接件属于主管还是支管。至于上自动化产线条件可根据产线要求进行配置，根据一般通用要求需满足以下要求：①适应管件材料：碳钢和不锈钢;②适应管径： Φ48 mm～Φ219 mm;③适应壁厚：3 mm～15 mm;④可生产管长：0.6 m-4 m;⑤适应的法兰种类：搭接法兰;⑥法兰符合国标要求，例如GB/T 2506-2005、CBT 46-2007、CBT 46-1999、CBM1012- 81、CBM1013-81或CBM1014-81國家标准等;
（2）人工可对自动整理的数据进行在此确认 调整。
（3）ERP系统在主支管配料时，形成配料清单及辅料配料清单，同时对所有管材及法兰给出唯一身份标志[10]，通知集配进行配料，同时将清单分别发送至仓储配送系统WMS及法兰即辅材上位机，待管件送至立库进行上料。 （4）发料时，管材送至立库，辅材送至法兰库，法兰暂不上料。
（5）MES系统接收到ERP下发的生产任务，根据ERP给是否上自动化线出标志位，对于上自动化线的生产任务管件，按照管材材质、壁厚、管径分类打包，考虑到工作时间，原则上一个任务包不超过40根管件，同时在单个任务包中，需根据产线组队焊接多工位生产要求及管径大小进行混合排产，确定生产顺序，最终确定法兰生产需求序列，并发送法兰上位机进行上料。
（6）MES系统产线控制模块根据产线请求，下发WMS系统管材出库，发出出库指令，同时告知需要的原材料管件号，待管材出库完毕，触发成功信号，并通知MES控制模块，MES接收到出库成功信号后，根据排产后的生产任务顺序下发产线任务指令，指令格式具体可根据产线通信要求，可采用TCP/IP协议，双方约定好，产线接收到生产指令后，依次将生产指令分发至各生产单元，如：切割、打磨、贴码、刻法兰、组队焊接。同时MES系统监控产线状态及生产过程信息，遇到产线故障时，偏于及时调整生产任务，保证产线效率。
（7）MES系统将产线反馈生产过程信息反馈至ERP系统，同时，MES系统将对产线所有反馈信息包括故障报警信息进行采集，根据不同管件材质、壁厚、管径对各工位生产工时、状态进行大量数据分析，将有用分析结果进行知识积累，可作为后续排产调度依据，使后续排产调度结果更贴合产线实际需要。
4 结论
本文以船舶管件加工车间的调度问题作为研究
对象，分析了经典的调度方法在处理扰动状态调度问题中的不足，将系统的思想引入到车间调度问题中来，并吸取优化算法对于静态调度问题求解的优点，对调度问题的求解提出一种新的思路。车间调度问题作为一个经典的问题，涉及到多个学科，多个领域，需要多个方面的知识结合，希望在以后的研究中不断实践。
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