基于iMOM 的机械装备行业下料数字化车间解决方案

下料是大型机械装备制造的常见工艺类型，下料车间以初步加工的方式为其他车间提供所需的零部件毛坯。下料车间虽然工艺较为简单，且其产出毛坯的加工精度不高，但其生产过程的组织及管理有鲜明的特点。下料车间的生产效率、毛坯齐套性、原材料利用率、原材料及毛坯管理的精细化程度等,对于机械装备生产制造的整体效率、成本都有重要影响。本文结合作者单位在机械装备行业下料车间的数字化车间解决方案的研发及应用方面的实践经验，总结归纳了建设下料数字化车间的需求要点及建设重点，给出了数字化车间解决方案的实现路径，并对数字化车间解决方案落地的边界条件等进行了总结。1、引言下料车间常见于船舶制造、海洋工程和压力容器等重型装备及重工企业。所谓下料，是指使用板材、管材和型材等通用原材料，通过剪切、切割等方式加工出装备产品所需的零部件的毛坯，并对毛坯进行粗加工的过程。常见的钣金车间实际上也可以视为一种下料车间，钣金车间主要对6mm以下的板材进行下料和加工。下料车间是企业自制件生产制造的起始环节，其交付的及时性和准确性对后续的机加工、装配等车间的生产效率有关键的影响。下料车间虽然工艺较为简单，且加工精度通常要求不高，但其生产组织及管理具有很高的复杂度，且具有不同于一般的机加工车间的需求特点，具体特点包括：1）生产任务繁多细碎，管理难度大。从订单排产到车间作业任务派工、执行，整个过程都具有批量化操作的需求。下料车间往往是为整个装备制造企业甚至是多个企业提供零件毛坯，每天要处理几百个生产任务。计划员通常根据零件订单的交期、齐套性、原材料种类、加工方式等进行批量打包排产，并整体派工到相应的下料生产单元，下料作业完成后，工人也会一次性将切割或加工完成的生产任务进行批量汇报，并对完工的生产任务进行原材料的批量投料。2）原材料需要进行批次细化管理，谱系要求高。原材料管理需要支撑生产计划乃至采购计划的合理安排，是下料车间的重要职能，很多企业将下料和原材料仓储管理都设在同一部门，因此原材料的仓储管理也应包含在下料数字化车间的范畴内。下料所用的板材、管材等可以按照材质类型、板材厚度等显著特征分为一些物料大类，但同一物料大类下按照不同的尺寸规格、物料型号、原材料炉号等又可以细分为不同的物料小类，在一些特殊行业，同样的物料小类还可以按供应商、采购日期等再进行细分加以区别。在实际生产中，需要基于细分物料的可用库存进行计划排产、套料以及采购安排。否则可能会出现缺料或者物料呆滞的情况。3）套料效率和结果对生产效率及材料利用率有关键影响。对于下料车间，尤其是板材的下料，套料的复杂度较高，套料的效率和合理性严重依赖执行套料的人的经验和水平。而套料对原材料的利用率有决定性的影响，也最终影响整机的成本。因此，使用套料算法及专业软件，并与生产管控系统、仓储管理系统集成，实现基于订单、原材料库存的自动化套料，是提升下料车间效率、降低成本的重要手段。4）原材料及毛坯都具有条码化数字化管理的需求。原材料数字化管理是装备整机制造过程物料追溯的基础，下料是生产自制件时将原材料转化成零件的首个环节，对关键重要零部件有批次跟踪追溯要求的行业或企业，需要在零件生产完成后随即进行条码化标记，并将零件批次与原材料批次建立关联关系，以便于在后续加工、转运及装配这些零件的过程中可以实现便捷化扫码采集物料信息，实现从整机到原材料信息的完整追溯。下料车间的数字化、信息化建设受到很多企业和学者的重视，如河北科技大学王金业教授在2011年就开展了面向下料车间的数字化车间解决方案及MES的研究工作，天津火箭公司研发了针对钣金车间的MES。但从文献内容来看，部分方案内容或系统功能满足了机械加工车间的通用信息化管理需求，但对于下料车间在信息流和物流管理方面的一些关键需求特征的响应不够深入。也有很多高校和企业针对套料算法及套料工具软件进行了深入的研究和系统的开发，但多数未充分考虑物流管理、计划管理等其他需求。综上，建设完整覆盖下料车间的信息流、物流管理需求，并充分适配下料车间需求的数字化车间解决方案，仍有很多的工作要做。2、下料数字化车间方案下料数字化车间的建设，以MOM/MES的实施为核心，与ERP、WMS等进行集成，覆盖生产订单排产、车间工序作业任务调度及执行、车间物流管理等机械加工车间通用需求。在此基础上，需要对具有下料车间特点的原材料批次化管理、智能化套料、任务批量化操作、物料的全过程条码化数字化追溯等需求进行重点的方案设计和系统实现。2.1原材料的批次化精细管理下料车间原材料物料的细化管理需要从两个方面进行，一是物料需要按自定义批次属性进行原材料批次的细化管理，二是原材料仓库需要支持库区级或库位级的细化管理。1）物料的批次化管理。下料车间使用的原材料，具有相同物料编码的同种物料，根据其物料类型，以及不同行业的工艺及质量要求，可按物料的不同属性进行细分，在MES内自动生成不同的内部批次号进行标记管理。以板材为例，同一种材质和厚度的钢板作为一种物料，使用一个物料编码，但对于某一长度、宽度的钢板，可以在入库时单独作为此物料的一个批次，即长度、宽度定义为此物料一组批次属性；而在某些特定的行业，对于同一物料编码、同一尺寸的钢板，当供应商不同时，要作为一个新的批次进行管理，则此时长度、宽度、供应商编码为此物料一组批次属性。因此MES需要支持对不同物料自定义批次属性，自动生成批次号进行管理。物料批次属性自定义及批次自动生成流程如图1所示。图1物料批次属性自定义及批次自动生成2）仓库的库区或库位级管理。下料的原材料以板材、型材和管材为主，其种类繁多且占地面积大。若仓库不能进行细化管理，则容易出现即使库存中有某种物料，也难以快速定位到物料存放位置的问题，盘点时也会出现信息查找的困难。因此，应对仓库按库区、库位乃至库位内存放的具体物料进行细化的管理，对每个库区、库位及库位内的物料进行条码化标识，以便于生产用料及盘点时高效精准进行物料的定位。库区库位的条码化管理如图2所示。图2库区库位的条码化管理2.2基于实时库存及人工智能算法的自动化套料基于人工智能算法的自动化套料软件的使用在下料车间已较为普遍，相对于人工手动排版套料，自动化套料软件对于套料的效率及材料利用率都带来了显著提升。但套料软件的两个输入信息，即订单优先级及物料的可用库存信息对套料结果的可执行性有决定性影响。因此，需要实现套料软件与MES的集成，实现基于MES的生产订单排产及实时库存信息的套料，以避免出现套料后因为订单优先级不合理或者使用的物料库存不足造成套料结果不可执行的情况。基于实时库存的自动化套料及下料作业如图3所示。图3基于实时库存的自动化套料及下料作业此外，通过MES与下料设备集成，将套料结果及自动生成的下料程序通过MES直接下发至下料设备，并在下料任务执行过程中自动将执行进度反馈至MES，可以提高信息传递的效率和准确性，从而提高下料工序的生产效率。2.3生产任务的批量化作业套料之后，下料的多个生产订单已被打包成多个下料任务包，每个任务包在后续的生产调度和任务执行过程中均可按整个任务包进行批量的派工、报工、投料等操作。考虑到实际执行过程中由于插单、原材料尺寸不准等异常情况，车间作业任务执行过程中也会出现在MES中临时批量操作生产订单的情况。因此，MES需要支持对生产订单的批量选择进行派工、报工、投料等操作。下料任务的批量化操作流程如图4所示。图4下料任务的批量化操作流程对于某些特殊行业，需要严格记录原材料批次与零件毛坯批次的关联关系，以便于后续的质量问题追溯。因此，生产订单的毛坯批次与原材料批次的关联关系也需要支持批量操作。2.4物料的全过程数字化追溯跟踪对于大部分的机械装备行业，下料之前的原材料及之后的毛坯，都需要记录其部分或者全部物料的批次信息。因此，下料作业后需要对物料的批次信息进行数字化的记录，以便于后续毛坯加工或者装配过程中的物料信息采集。下料作业报工后，MES应自动生成毛坯的条码或信息，并以单据条码或者对物料直接赋码的方式对毛坯进行标记。MES可支持条码的管理，后续条码出现损坏、丢失等异常时可对条码进行补全。3、系统实现及方案实施3.1整体系统架构根据下料数字化车间的建设内容及重点，整体的系统架构方案设计如图5所示。其中，面向下料工艺的MES是整个方案的核心，既实现整个生产管理的主要功能，又负责与PLM、ERP等信息化系统及下料生产设备等软硬件集成，以此打通下料车间的信息流、物流的全流程。MES与套料软件集中，将生产订单、库存信息等数据传入套料软件，后者将经过优化算法计算出来的套料结果返回给MES以指导生产。图5下料数字化车间系统整体架构在MES与各信息系统集成方面，与PLM集成所交互的设计及工艺数据，是整个MES业务运行的与项目相关的基础数据的主要来源，包括BOM（BillofMaterial，物料清单）、图纸和工艺等；与ERP系统集成所交互的数据，一方面是物料档案、人员和组织架构等基础数据，另一方面是生产订单、进度和库存账等业务数据。3.2MES实现的技术路线面向下料车间的iMOM（intelligentManufacturingOperationManagemen，智能制造运营管理）系统是整个数字化车间解决方案的核心。其中，既包含具有机械装备行业共性特征的计划派工、工序作业任务派工、物料工辅具生产准备协同、质量检验和设备维保等通用性功能，又有针对下料工艺的特点，实现原材料批次属性管理、自动化套料、批量化作业等具备下料工艺特色的功能。本文研究的数字化车间解决方案基于国机智能技术研究院自主研发的面向机械装备制造的iMOM平台进行实现。iMOM已在机械装备行业的农业机械、制药装备、矿山装备、能源装备、海油装备和纺织机械等多个行业得到实际应用，形成了针对具体行业的智能工厂/数字化车间解决方案，运行效果良好。iMOM对于项目制复杂装备制造的特点，已在生产计划管理、车间任务调度、作业过程管理、仓储物流管理和质量管理等方面具备了相关的业务模型、系统功能和APP等，对压力容器行业数字化车间的多数业务需求已具备良好的支撑。在iMOM平台基础上，扩展原有的批次管理功能，形成适用于下料车间的批次属性管理及跟踪模式；其他生产计划管理、车间作业管理、物流管理和质量检验管理等功能则采用iMOM平台原有的功能。基于iMOM平台进行扩展及增量开发的技术路线，既保证了系统对下料车间的适配性，也保证了平台的可靠性及稳定性。4、结束语下料数字化车间解决方案根据下料工段的生产管理特点，通过研发并实施