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基于船舶离散加工制造的MES系统研究

2021/5/14    来源:互联网    作者:卞德志  郭际名  胡昌平  王梦  侍守创  宋飞飞      
关键字:MES  船舶离散加工  计划排产  
针对船舶制造企业离散加工车间生产制造流程混乱、生产数据不能实时共享和难以追溯等问题,研究了基于船舶离散加工制造的车间制造执行系统(MES)。
       船舶是一种重要的水上运输工具,在民用和军用方面发挥着巨大的作用。船舶离散加工制造管理的创新与实践对于提高船舶制造水平具有重大意义。当前,船舶离散加工制造企业在生产制造过程方面的管理手段仍相对滞后。工艺信息、工作指令、质量信息普遍是手工采集、纸质存储,信息流转、问题分析则是通过传递纸质任务单或査阅问题记录等方式进行。当前船舶离散加工制造缺少信息化手段,不仅给加工产品的质量追溯带来不便,而且导致生产过程管理缺乏及时的监控。因此,研究适用于船舶离散加工的车间制造执行系统(manufacturing execution system,MES)具有重要意义。当前有关MES系统的研究成果较多,在国外很多

       国家的流程制造和离散加工行业均得到了不同程度的应用。如美国Consilium公司面向半导体和电子行业开发了MES I和MES II系统,美国HoneyweII公司面向制药行业开发了POMSMES系统,德国Siemens公司在航天军工、石化、电力、钢铁等方面均开发了具有行业特点的MES系统。目前国内对于MES的研究也比较广泛,如王法、Maw等人重点研究了MES系统在汽车制造企业的应用。董会波等人在飞机装配领域对MES系统进行研究。丁伯慧、金星等人主要研究了离散型制造业的MES系统架构。周科等人重点研究了采用RFID技术设计离散制造业MES系统。

       船舶机械加工制造企业属于多品种、小批量、多批次的离散型生产模式。本文以国内某大型造船企业为研究对象,研究基于船舶离散加工制造的MES系统,并重点突出针对船舶制造加工企业MES系统整体的数据模型、信息集成、作业排产、质量追溯及看板分析,以实现智能化精益化过程管理,充分利用人、机、料、法、环等生产中的5个重要资源,在有限的时间和资源内,生产更多、更好的产品,最大限度提升车间的生产效率,同时提升管理人员的管理能力。

1 整体架构模型及流程建立

       1.1 整体架构模型

       基于船舶离散加工制造的MES系统在船舶加工制造企业信息化建设中具有承上启下的作用,其位于企业上层生产计划和底层工业控制之间,是企业实现车间透明化管理,优化生产制造模式必不可少的环节。在生产环境中,由ERP系统向MES系统提供生产计划、配料信息等信息,由PLM/PDM系统为MES系统提供车间生产所需的工艺信息。MES系统接收生产计划、物流信息、工艺信息后对其进行拆分、排产、派工。车间工人在工位端接收到任务信息后操作相应的机床或机器人进行动作。整体架构模型如图1所示。

整体架构模型

图1 整体架构模型

       本文研究企业是以JARI平台为基础进行设计开发的,其离散加工车间MES系统主要模块包括:基础信息、生产管理、车间作业管理、过程检验管理、电子看板管理、二级库管理、生产监控、知识管理、系统管理、统计报表等。某船舶加工制造企业MES系统功能模块如图2所示。

某船舶加工制造企业MES系统功能模块

图2 某船舶加工制造企业MES系统功能模块

       1.2 流程建立

       船舶离散加工企业中一个车间的一个任务的开始往往从ERP下达的生产任务开始,MES系统对ERP的生产任务进行拆分,结合PLM/PDM所传输的工艺信息和图纸信息进行车间级零部件生产计划的排产,任务调度人员将车间级计划下发到车间主任,由车间主任进行车间内计划排产。车间主任将排产完的作业计划派工到工位机,工人领工后进行物料准备、工具工装准备、NC编程准备。准备就绪后,工人进行开工汇报,完工后进行对应工序的检验,检验合格后工人进行完工操作。期间,一系列的生产进度、生产计划信息均在车间看板上显示提醒,实现了车间透明化管理,优化了生产制造模式。船舶MES业务流程图如图3所示。

船舶MES流程图

图3 船舶MES流程图


2 关键技术研究

       2.1 排产技术研究

       船舶零部件加工呈现小批量,多种类的特点。任务的排产为有限能力排产,考虑加工工位及加工人员的能力,同时将节假日排除。某船厂排产界面如图4所示。船厂车间生产排产调度问题一般描述为:假设有m个待加工的零部件,要在n个车间加工(每个车间的加工种类唯一)。每个车间有l个加工工位,h个加工工人,每个零部件有k道工序,每道工序可以在指定车间的l个工位加工。每个工位同一时间内只能加工一道工序,同一个零部件只能在一个工位上加工完成。为此建立数学模型如下:

       ①m个待加工的零部件M={M1,M2,…,Mm};

       ②n个加工车间N={N1,N2,…,Nn};

       ③l个加工工位L={L1,L2,…,Li};

       ④h个加工工人H={H1,H2,…,Hh};

       ⑤k道加工工序K={K1,K2,…,Kk};

       ⑥k道加工工序加工时间T={T1,T2,…,Tk}。

       以最大完成时间最短为原则考虑排产最优情况,设目标函数为:

目标函数


       系数P受加工车间N、加工工位L、加工工人H影响,具体计算方法根据各企业特点制定。

MES任务排产图

图4 MES任务排产图

       2.2 业务系统集成技术研究

       MES系统作为车间级应用系统,在船舶建造企业系统架构中处于中间层。上层一般由企业资源管理系统ERP将车间生产订单等信息通过企业服务总线ESB传输至车间制造执行系统MES中,PDM/PLM将图纸、工艺等信息通过ESB传输至MES中,MES将接收到的信息进行处理,按任务优先级、工位资源、人员资源等进行排产,最后将任务信息发送到各工位终端、机器人,并与DNC系统相连进行数据采集

       接口统一采用Web Service技术实现,数据采用XML字符串进行封装,以SOAP协议、WSDL文件和HTTP协议实现服务的注册、调用以及数据的传输。

3 MES系统实施及效果

       3.1 系统实施

       在Windows Server 2016系统环境下,采用JARI扬帆开发平台对某船厂离散加工车间MES系统进行了定制开发。该系统采用B/S架构,以Visual Studio2017作为开发工具,并采用Oracle 12c作为数据管理系统。该MES系统实现了传统MES的主流功能,包括基础信息管理、生产管理、库存管理、质量检验管理、现场管理和看板管理等功能。实施完成图如图5和图6所示。

MES管理端功能截图

图5 MES管理端功能截图
MES工位端功能截图
图6 MES工位端功能截图

       3.2 实施效果

       某船厂在使用本系统后,工作效率和产品质量获得了明显的提升。通过图6系统使用效果曲线图可以看出,在系统开始推广实施的时候工作效率出现了较为明显的下降,产品质量也出现小幅度下降。随着系统运行2个月后,生产效率和产品质量在稳步上升。最终总结该系统达到的效果如下:

       (1)优化了船舶离散加工业务流程,大幅度提高了船舶产品质量,缩减部分人员,实现管理成本同比下降25%。

       (2)转变数据采集方式,实现生产过程数据实时采集,延期提醒,使得数据采集效率提升80%,产品质量数据实现实时追溯,为产品质量分析奠定基础。

       (3)倒逼管理办法改进,优化管理流程,通过实施效果的大幅提升,使得车间优化部分工作流程,使得生产管理办法与生产紧密结合,形成良性发展。

4 结语

       以某船舶离散加工企业的MES整体解决方案为研究背景,对船舶离散加工的流程和功能特点进行了详细研究,并将MES系统与其他业务系统进行数据集成,形成自上而下数据指令准确下达,自下而上反馈信息及时确认。该系统的顺利实施提高了生产执行的效率,缩短了加工协调的时间,使最大完工时间达到最小。另外,车间看板和进度管理模块将整个生产过程出现的问题,直接暴露给相关管理者,大大提升管理效率,实现生产计划与实际任务稳步推进,产品质量逐步提升,产品数据持续累积的良性生产,为其他船厂及离散加工制造业提供有力参考。
 
责任编辑:程玥
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