基于iMOM 的機械裝備行業(yè)下料數(shù)字化車間解決方案

下料是大型機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單，且其產出毛坯的加工精度不高，但其生產過程的組織及管理有鮮明的特點。下料車間的生產效率、毛坯齊套性、原材料利用率、原材料及毛坯管理的精細化程度等,對于機械裝備生產制造的整體效率、成本都有重要影響。本文結合作者單位在機械裝備行業(yè)下料車間的數(shù)字化車間解決方案的研發(fā)及應用方面的實踐經驗，總結歸納了建設下料數(shù)字化車間的需求要點及建設重點，給出了數(shù)字化車間解決方案的實現(xiàn)路徑，并對數(shù)字化車間解決方案落地的邊界條件等進行了總結。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品所需的零部件的毛坯，并對毛坯進行粗加工的過程。常見的鈑金車間實際上也可以視為一種下料車間，鈑金車間主要對6mm以下的板材進行下料和加工。下料車間是企業(yè)自制件生產制造的起始環(huán)節(jié)，其交付的及時性和準確性對后續(xù)的機加工、裝配等車間的生產效率有關鍵的影響。下料車間雖然工藝較為簡單，且加工精度通常要求不高，但其生產組織及管理具有很高的復雜度，且具有不同于一般的機加工車間的需求特點，具體特點包括：1）生產任務繁多細碎，管理難度大。從訂單排產到車間作業(yè)任務派工、執(zhí)行，整個過程都具有批量化操作的需求。下料車間往往是為整個裝備制造企業(yè)甚至是多個企業(yè)提供零件毛坯，每天要處理幾百個生產任務。計劃員通常根據(jù)零件訂單的交期、齊套性、原材料種類、加工方式等進行批量打包排產，并整體派工到相應的下料生產單元，下料作業(yè)完成后，工人也會一次性將切割或加工完成的生產任務進行批量匯報，并對完工的生產任務進行原材料的批量投料。2）原材料需要進行批次細化管理，譜系要求高。原材料管理需要支撐生產計劃乃至采購計劃的合理安排，是下料車間的重要職能，很多企業(yè)將下料和原材料倉儲管理都設在同一部門，因此原材料的倉儲管理也應包含在下料數(shù)字化車間的范疇內。下料所用的板材、管材等可以按照材質類型、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、原材料爐號等又可以細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商、采購日期等再進行細分加以區(qū)別。在實際生產中，需要基于細分物料的可用庫存進行計劃排產、套料以及采購安排。否則可能會出現(xiàn)缺料或者物料呆滯的情況。3）套料效率和結果對生產效率及材料利用率有關鍵影響。對于下料車間，尤其是板材的下料，套料的復雜度較高，套料的效率和合理性嚴重依賴執(zhí)行套料的人的經驗和水平。而套料對原材料的利用率有決定性的影響，也最終影響整機的成本。因此，使用套料算法及專業(yè)軟件，并與生產管控系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)集成，實現(xiàn)基于訂單、原材料庫存的自動化套料，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制造過程物料追溯的基礎，下料是生產自制件時將原材料轉化成零件的首個環(huán)節(jié)，對關鍵重要零部件有批次跟蹤追溯要求的行業(yè)或企業(yè)，需要在零件生產完成后隨即進行條碼化標記，并將零件批次與原材料批次建立關聯(lián)關系，以便于在后續(xù)加工、轉運及裝配這些零件的過程中可以實現(xiàn)便捷化掃碼采集物料信息，實現(xiàn)從整機到原材料信息的完整追溯。下料車間的數(shù)字化、信息化建設受到很多企業(yè)和學者的重視，如河北科技大學王金業(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)了針對鈑金車間的MES。但從文獻內容來看，部分方案內容或系統(tǒng)功能滿足了機械加工車間的通用信息化管理需求，但對于下料車間在信息流和物流管理方面的一些關鍵需求特征的響應不夠深入。也有很多高校和企業(yè)針對套料算法及套料工具軟件進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、計劃管理等其他需求。綜上，建設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，以MOM/MES的實施為核心，與ERP、WMS等進行集成，覆蓋生產訂單排產、車間工序作業(yè)任務調度及執(zhí)行、車間物流管理等機械加工車間通用需求。在此基礎上，需要對具有下料車間特點的原材料批次化管理、智能化套料、任務批量化操作、物料的全過程條碼化數(shù)字化追溯等需求進行重點的方案設計和系統(tǒng)實現(xiàn)。2.1原材料的批次化精細管理下料車間原材料物料的細化管理需要從兩個方面進行，一是物料需要按自定義批次屬性進行原材料批次的細化管理，二是原材料倉庫需要支持庫區(qū)級或庫位級的細化管理。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)的工藝及質量要求，可按物料的不同屬性進行細分，在MES內自動生成不同的內部批次號進行標記管理。以板材為例，同一種材質和厚度的鋼板作為一種物料，使用一個物料編碼，但對于某一長度、寬度的鋼板，可以在入庫時單獨作為此物料的一個批次，即長度、寬度定義為此物料一組批次屬性；而在某些特定的行業(yè)，對于同一物料編碼、同一尺寸的鋼板，當供應商不同時，要作為一個新的批次進行管理，則此時長度、寬度、供應商編碼為此物料一組批次屬性。因此MES需要支持對不同物料自定義批次屬性，自動生成批次號進行管理。物料批次屬性自定義及批次自動生成流程如圖1所示。圖1物料批次屬性自定義及批次自動生成2）倉庫的庫區(qū)或庫位級管理。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。若倉庫不能進行細化管理，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，盤點時也會出現(xiàn)信息查找的困難。因此，應對倉庫按庫區(qū)、庫位乃至庫位內存放的具體物料進行細化的管理，對每個庫區(qū)、庫位及庫位內的物料進行條碼化標識，以便于生產用料及盤點時高效精準進行物料的定位。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基于實時庫存及人工智能算法的自動化套料基于人工智能算法的自動化套料軟件的使用在下料車間已較為普遍，相對于人工手動排版套料，自動化套料軟件對于套料的效率及材料利用率都帶來了顯著提升。但套料軟件的兩個輸入信息，即訂單優(yōu)先級及物料的可用庫存信息對套料結果的可執(zhí)行性有決定性影響。因此，需要實現(xiàn)套料軟件與MES的集成，實現(xiàn)基于MES的生產訂單排產及實時庫存信息的套料，以避免出現(xiàn)套料后因為訂單優(yōu)先級不合理或者使用的物料庫存不足造成套料結果不可執(zhí)行的情況?；趯崟r庫存的自動化套料及下料作業(yè)如圖3所示。圖3基于實時庫存的自動化套料及下料作業(yè)此外，通過MES與下料設備集成，將套料結果及自動生成的下料程序通過MES直接下發(fā)至下料設備，并在下料任務執(zhí)行過程中自動將執(zhí)行進度反饋至MES，可以提高信息傳遞的效率和準確性，從而提高下料工序的生產效率。2.3生產任務的批量化作業(yè)套料之后，下料的多個生產訂單已被打包成多個下料任務包，每個任務包在后續(xù)的生產調度和任務執(zhí)行過程中均可按整個任務包進行批量的派工、報工、投料等操作。考慮到實際執(zhí)行過程中由于插單、原材料尺寸不準等異常情況，車間作業(yè)任務執(zhí)行過程中也會出現(xiàn)在MES中臨時批量操作生產訂單的情況。因此，MES需要支持對生產訂單的批量選擇進行派工、報工、投料等操作。下料任務的批量化操作流程如圖4所示。圖4下料任務的批量化操作流程對于某些特殊行業(yè)，需要嚴格記錄原材料批次與零件毛坯批次的關聯(lián)關系，以便于后續(xù)的質量問題追溯。因此，生產訂單的毛坯批次與原材料批次的關聯(lián)關系也需要支持批量操作。2.4物料的全過程數(shù)字化追溯跟蹤對于大部分的機械裝備行業(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)后需要對物料的批次信息進行數(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)報工后，MES應自動生成毛坯的條碼或信息，并以單據(jù)條碼或者對物料直接賦碼的方式對毛坯進行標記。MES可支持條碼的管理，后續(xù)條碼出現(xiàn)損壞、丟失等異常時可對條碼進行補全。3、系統(tǒng)實現(xiàn)及方案實施3.1整體系統(tǒng)架構根據(jù)下料數(shù)字化車間的建設內容及重點，整體的系統(tǒng)架構方案設計如圖5所示。其中，面向下料工藝的MES是整個方案的核心，既實現(xiàn)整個生產管理的主要功能，又負責與PLM、ERP等信息化系統(tǒng)及下料生產設備等軟硬件集成，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，將生產訂單、庫存信息等數(shù)據(jù)傳入套料軟件，后者將經過優(yōu)化算法計算出來的套料結果返回給MES以指導生產。圖5下料數(shù)字化車間系統(tǒng)整體架構在MES與各信息系統(tǒng)集成方面，與PLM集成所交互的設計及工藝數(shù)據(jù)，是整個MES業(yè)務運行的與項目相關的基礎數(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、人員和組織架構等基礎數(shù)據(jù)，另一方面是生產訂單、進度和庫存賬等業(yè)務數(shù)據(jù)。3.2MES實現(xiàn)的技術路線面向下料車間的iMOM（intelligentManufacturingOperationManagemen，智能制造運營管理）系統(tǒng)是整個數(shù)字化車間解決方案的核心。其中，既包含具有機械裝備行業(yè)共性特征的計劃派工、工序作業(yè)任務派工、物料工輔具生產準備協(xié)同、質量檢驗和設備維保等通用性功能，又有針對下料工藝的特點，實現(xiàn)原材料批次屬性管理、自動化套料、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機智能技術研究院自主研發(fā)的面向機械裝備制造的iMOM平臺進行實現(xiàn)。iMOM已在機械裝備行業(yè)的農業(yè)機械、制藥裝備、礦山裝備、能源裝備、海油裝備和紡織機械等多個行業(yè)得到實際應用，形成了針對具體行業(yè)的智能工廠/數(shù)字化車間解決方案，運行效果良好。iMOM對于項目制復雜裝備制造的特點，已在生產計劃管理、車間任務調度、作業(yè)過程管理、倉儲物流管理和質量管理等方面具備了相關的業(yè)務模型、系統(tǒng)功能和APP等，對壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間的多數(shù)業(yè)務需求已具備良好的支撐。在iMOM平臺基礎上，擴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；其他生產計劃管理、車間作業(yè)管理、物流管理和質量檢驗管理等功能則采用iMOM平臺原有的功能?；趇MOM平臺進行擴展及增量開發(fā)的技術路線，既保證了系統(tǒng)對下料車間的適配性，也保證了平臺的可靠性及穩(wěn)定性。4、結束語下料數(shù)字化車間解決方案根據(jù)下料工段的生產管理特點，通過研發(fā)并實施