梁小滿，薛鴻祥，向晉乾，雷 婷

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海201913)

0 引 言

船體鋼切割是典型的項目型切割[1]，是按訂單生產(chǎn)(Cutting to Order，CTO)的復雜制造活動。客戶的訂制要求讓產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)多變，切割過程因產(chǎn)品而異。每件產(chǎn)品均需要根據(jù)客戶的具體要求進行大量訂制設計與制造工作，并在規(guī)定期限內(nèi)交付產(chǎn)品，因此對應的整體業(yè)務過程具有一次性、獨特性、目標確定性等典型屬性特征[2]。不完整和非結(jié)構(gòu)化的過程信息不能及時傳遞至切割現(xiàn)場，不能有效指導切割，導致切割過程的隨意執(zhí)行和錯割漏割，降低產(chǎn)品質(zhì)量[3]。為了修復誤切割引起的質(zhì)量問題，必須進行返工和再切割。過度無效的切割時間將不可避免地導致總切割時間的增加，切割任務不能按時完成。為了解決這個工程問題，有必要控制切割過程。隨著企業(yè)信息化水平不斷提高和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)領域應用越來越廣泛[4],解決此問題顯得比較容易。1976 年，美國CAM-I 公司推出CAM-I'S AUTOMATED PROCESS PLANING 派生式CAPP 系統(tǒng)[5]。20世紀90 年代，美國AMR公司提出了MES 的概念[6]。目前，CAPP 雖然朝著智能化方向發(fā)展[7]，但是在實際應用方面，以編制工藝卡片、匯總工藝信息為主，作為單一的孤島無法傳遞與共享工藝信息，很少涉及切割與制造過程，無法發(fā)揮工藝信息的價值。當前的挑戰(zhàn)是：(1)缺乏反饋系統(tǒng)性能評估反饋方法，無法有針對性地改進切割系統(tǒng)；(2)缺乏對切割執(zhí)行過程的監(jiān)控;(3)工藝信息不完整，結(jié)構(gòu)程度低，無法實現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)。本文基于PBOM(Process Bill of Material)的切割過程管控系統(tǒng)的總體框架，整理PBOM節(jié)點屬性及其生成過程，開發(fā)基于PBOM的船體鋼板切割過程管控系統(tǒng)，包括員工管理、量具和零部件管理、切割執(zhí)行過程管控和切割過程遺漏檢測、實時評估和調(diào)度等功能，確保員工根據(jù)確切的工藝、資源和切割順序約束進行操作，實現(xiàn)對切割過程的監(jiān)控和反饋。

1 基于PBOM 的項目型切割過程管控體系

1.1 基于PBOM的切割過程管控體系總體框架

船體鋼板切割的主數(shù)據(jù)系統(tǒng)是PBOM，其包含的子系統(tǒng)有：切割質(zhì)量檢查系統(tǒng)、切割工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和切割工藝資源管理系統(tǒng)。其中，質(zhì)量檢查系統(tǒng)含有設計質(zhì)量信息、切割過程檢查信息，切割過程的檢查信息是其主要部分?；赑BOM的切割過程管控體系框架如圖1所示。

圖1 基于 PBOM 的切割過程管控體系框架

根據(jù)基于PBOM的切割過程管控系統(tǒng)，項目型切割生產(chǎn)過程可分為3個階段。

(1)切割準備階段。在切割準備階段，員工根據(jù)切割準備的工藝信息，點檢所需的準備內(nèi)容。生產(chǎn)準備是很重要的一個環(huán)節(jié)，所謂“兵馬未動，糧草先行”，員工需要對照PBOM，檢查生產(chǎn)準備情況。員工可以查看并學習相關(guān)工藝，提前消化工藝內(nèi)容，將工藝要求熟記于心，以便后續(xù)落實到實際行動中；員工可以查看操作任務分配情況，了解自己的施工內(nèi)容，提前準備；員工可以領用裝備，明確自己的職責。各職能部門可以提前按照工藝要求進行前期準備工作，按照系統(tǒng)所要求的各個時間節(jié)點提供物料、指令、圖紙、配備工具工裝，提前進行設備維護等。

(2)切割執(zhí)行階段。當現(xiàn)場進行實際切割生產(chǎn)時，應嚴格根據(jù)系統(tǒng)事先確定的先后順序進行生產(chǎn)，對已定順序不更改，包括工具、材料、設備等的完整性檢查，生產(chǎn)操作，卡片提交，檢查和記錄。同時，質(zhì)量控制過程包含在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，包括：不合格報告(Non-Conformed Report，NCR)反饋和處理、時間統(tǒng)計、生產(chǎn)過程檢查、質(zhì)量數(shù)據(jù)收集。工人通過刷卡記錄使操作的每一步都記錄在系統(tǒng)中。系統(tǒng)根據(jù)卡片記錄自動記錄生產(chǎn)過程中的操作員信息、工作時間信息和異常信息。

(3)質(zhì)量分析和反饋。項目型切割在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制效果主要有：一方面，當生產(chǎn)過程中發(fā)生簡單易處理的質(zhì)量事故時，系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以根據(jù)以往的數(shù)據(jù)積累直接給出解決方案，并及時將解決方案反饋至現(xiàn)場，解決問題，提高生產(chǎn)水平；另一方面，制造過程的質(zhì)量檢驗記錄可用于評估系統(tǒng)的性能，按照評估結(jié)果思考具體的工藝改進思路，及時對PBOM進行更新。當PBOM更新后，需要重新調(diào)整相關(guān)生產(chǎn)準備及切割執(zhí)行工藝，不斷改進，使工藝系統(tǒng)性能不斷提高。

1.2 基于PBOM的切割過程管控系統(tǒng)總體組成

項目型產(chǎn)品切割過程管控系統(tǒng)包括：物料零部件管理模塊、切割執(zhí)行模塊、工藝裝備管理模塊、質(zhì)量檢測模塊、切割主數(shù)據(jù)模塊和工作單模塊。切割執(zhí)行模塊是指導現(xiàn)場切割的一般基礎;物料零部件管理模塊顯示每個步驟所需的物料部件的類型、數(shù)量和其他技術(shù)要求，根據(jù)實際分布判斷物料部件是否到位，并將結(jié)果傳遞至切割執(zhí)行模塊；工藝裝備管理模塊顯示每個步驟所需的工藝裝備的類型和數(shù)量，結(jié)合實際的到位情況，統(tǒng)計、梳理后將結(jié)果發(fā)送至切割執(zhí)行模塊;質(zhì)檢模塊為每個工藝步驟檢驗項目提供質(zhì)量檢驗，并將檢查結(jié)果傳遞給切割執(zhí)行模塊;切割主數(shù)據(jù)模塊包括大量切割項目信息和員工信息;工單模塊將切割主數(shù)據(jù)模塊中的信息與工單相關(guān)聯(lián)，然后將信息發(fā)送至切割執(zhí)行模塊，以指導現(xiàn)場切割。系統(tǒng)的總體組成如圖2所示。

圖2 切割過程管控系統(tǒng)總體組成

切割過程管控系統(tǒng)采用總線型拓撲，包含切割主數(shù)據(jù)維護(員工、資源、零件、工藝、質(zhì)檢等方面的數(shù)據(jù)維護)、產(chǎn)線控制端和服務器端，其總體物理組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體物理組成

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 切割員工管理

實際用工信息是制訂工藝工時定額的重要參考因素，切割車間工人的工作狀態(tài)、實動工時等信息與企業(yè)考評績效直接相關(guān)?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)常用的MES中，人員定額在做生產(chǎn)計劃時確定，一旦下達生產(chǎn)任務到切割現(xiàn)場，員工數(shù)量、工種和技能等級等關(guān)鍵要素不能變動。顯然，這與實際生產(chǎn)現(xiàn)場情況不符，現(xiàn)有的MES并不能實時反映上述鋼板切割過程中現(xiàn)場人員變動的情況，不能實現(xiàn)對現(xiàn)場切割工人配置情況的實時監(jiān)控。

在項目型切割過程中，由于工期緊張，往往會抽調(diào)其他工人加入切割任務，在滿足工種和技能等級要求的情況下，并不固定由幾個工人執(zhí)行具體的切割任務。例如在執(zhí)行載重量13 000 t LPG 船321分段和810分段的坡口切割時，由于810分段坡口工作量大，需要不同等級的人員完成這道工序，員工A在321分段坡口切割結(jié)束后，幫助員工B一起執(zhí)行810分段坡口切割任務。若需要趕工期，還需要后期臨時再加入2～3名員工以加快速度。

項目型切割等離子切割工序現(xiàn)場，員工的活動范圍約為30 m×6 m，員工會在這個范圍內(nèi)經(jīng)常走動。只要員工在這個區(qū)域內(nèi)，就認為該員工在這里工作，為其統(tǒng)計工作工時等信息，若離開了其切割區(qū)域，則不能算工作時間，即使是上班時間，也不統(tǒng)計工時。

為了在切割現(xiàn)場員工管理子系統(tǒng)反映員工實時工時信息，用RFID技術(shù)對員工進行實時位置感知，系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

主要功能包括:

(1)感知實時員工信息:感知RFID員工卡信息，將正在進行中的工步信息與員工工種、技能等級關(guān)聯(lián)，并在系統(tǒng)中記錄。

每個RFID員工卡中帶有相應的RFID標簽，每個標簽都有1個全世界唯一的ID號碼，在系統(tǒng)中將唯一員工工號與其所持的RFID卡標簽電子碼一一關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)每一個RFID標簽代表一名員工。只要帶有RFID卡的員工出現(xiàn)在相應的工作區(qū)域，就可以對其位置進行實時監(jiān)控、追蹤。RFID系統(tǒng)識別員工信息的基本工作原理如圖5所示。

(2)統(tǒng)計實動工時:系統(tǒng)以1 Hz的頻率刷新，若感知到切割區(qū)域有員工，則工時增加1 s，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄員工總工時。

2.2 量具和零部件管理

量具管理系統(tǒng)流程如圖6所示，主要功能如下：

(1)分類及主數(shù)據(jù)維護。分類用于區(qū)分不同種類的量具(通用、專用等)，根據(jù)不同的屬性值區(qū)分同一分類下的不同物料。量具由大類、中類、小類組成，其中大類、中類和小類具有層級關(guān)系，大類、中類和小類的不同決定了此類量具相關(guān)屬性的不同。主數(shù)據(jù)維護包括量具序列號、量具分類和量具失效日期等參數(shù)維護。

(2)二維碼標識。使用建立的計量編碼規(guī)則+序列號生成計量二維碼。根據(jù)實際需要，可以打印激光二維碼或打印普通二維碼。要完成二維碼打印，需要確認二維碼的可識別性和唯一性，并檢查打印效果。由于打印錯誤或打印表面太彎曲而引起二維碼的失真，需要重新打印二維碼。對于滿足打印要求的二維碼，量具將被入庫到倉庫中。

圖4 切割現(xiàn)場員工管理子系統(tǒng)工作流程

圖5 RFID 系統(tǒng)基本工作原理

圖6 量具管理系統(tǒng)流程

(3)量具完備性檢驗。在收到量具請求時，系統(tǒng)結(jié)合庫存信息配送量具，記錄出庫量具類型數(shù)量等基本信息，記錄操作員刷卡，系統(tǒng)記錄其操作信息。切割現(xiàn)場配有硬件設備紅外掃槍，掃量具二維碼，并在系統(tǒng)中作判斷:量具到位，則判斷結(jié)果為通過并傳給切割執(zhí)行模塊，若其他準備條件滿足，則開始切割;量具不到位，則判斷結(jié)果為不通過，需要重新配送量具。該過程在系統(tǒng)管理計算機中進行，判斷結(jié)果在切割執(zhí)行終端界面上可以直觀體現(xiàn)。

零部件管理系統(tǒng)功能與量具系統(tǒng)類似，主要包括3個功能模塊:零部件分類及主數(shù)據(jù)維護、二維碼標識、零部件完備性檢驗，不再贅述。

2.3 切割執(zhí)行過程管控

該功能模塊主要由以下幾個硬件設備組成:1臺可觸摸的顯示器、1個員工卡讀卡器、1個RFID發(fā)射器、1個瘦客戶機終端和1個掃碼器。切割執(zhí)行過程管控系統(tǒng)組成如圖7所示。

主要功能包括:

(1)工藝信息查閱。該系統(tǒng)界面顯示以工步為單位的工藝路線，以及關(guān)聯(lián)到工步的零部件信息、量具信息、質(zhì)檢項目信息，供員工查閱。

(2)實時工藝狀態(tài)顯示功能。每一個工步操作都對應著5個工藝狀態(tài):待切割、正常切割、暫停、異常和完工。員工在執(zhí)行工步操作時，根據(jù)切割現(xiàn)場實際情況，反饋工藝狀態(tài)，并刷卡提交至系統(tǒng)中。

(3)員工操作刷卡功能。為保證員工的每一個動作在系統(tǒng)可追溯，修改工藝狀態(tài)、上報異常、質(zhì)檢記錄都要經(jīng)過刷員工卡步驟，系統(tǒng)將員工信息、動作信息、時間信息關(guān)聯(lián)并保存以供查詢回溯。以往這個過程是員工在紙質(zhì)工藝文檔中親筆簽字，但這樣無法及時查詢員工動作信息，也降低了員工效率。

(4)異常類型報修功能。若切割現(xiàn)場出現(xiàn)異常停工，切割員工從系統(tǒng)報修異常信息，并刷卡提交至系統(tǒng)，系統(tǒng)將異常信息共享至服務器，并提醒管理部門及時處理異常。主要異常類型包括:返工、測試返修、工具缺失、物料缺失和元件更換。

(5)先后順序約束判斷。系統(tǒng)根據(jù)實時工藝狀態(tài)進行先后順序約束判斷，確定當前可執(zhí)行工步情況，激活可執(zhí)行工步對應執(zhí)行終端上的操作按鈕。員工可以操作任意已激活的工步，并根據(jù)實際切割情況反饋工藝狀態(tài)，供系統(tǒng)繼續(xù)進行接下來的可執(zhí)行工步。

圖7 切割執(zhí)行過程管控系統(tǒng)組成

此外，系統(tǒng)還包含PDF版本技術(shù)文檔閱讀功能和視頻演示功能:點擊PDF或者視頻按鈕，界面上顯示當前工步相關(guān)技術(shù)文檔或者視頻供查閱。切割執(zhí)行過程管控系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 切割執(zhí)行過程管控系統(tǒng)流程

2.4 切割過程質(zhì)檢

切割過程質(zhì)檢分為自檢和專檢。

(1)自檢。自檢是切割員工在切割過程中檢驗關(guān)鍵質(zhì)量點的過程。質(zhì)檢項目在該系統(tǒng)中被細分至相應的工步，在該工步中可以查看相關(guān)圖紙和質(zhì)量要求。質(zhì)檢項目可以分為以下幾種類型：

① 幾何尺寸型：長度數(shù)值、角度數(shù)值等；

② 配合尺寸型：上偏差值、下偏差值等；

③ 狀態(tài)確認型：數(shù)控切割狀態(tài)、坡口切割狀態(tài)。

用刷卡的方式記錄員工的行為，作為實名制記錄代替原來的紙質(zhì)版上書寫日期和簽名的形式。如果初次質(zhì)量檢驗不合格，需要進行第二次檢驗，系統(tǒng)會記錄兩次檢驗的情況，員工會刷兩次卡，第二次檢驗記錄不會覆蓋第一次的記錄。質(zhì)檢流程如圖9所示。

圖9 切割過程質(zhì)檢流程

(2)專檢。專檢的內(nèi)容和流程與自檢一致，是在自檢的基礎上，由檢驗員刷卡確認，進行專門抽檢。

3 鋼板切割過程管控系統(tǒng)實現(xiàn)

鋼板切割過程管控系統(tǒng)各模塊相互獨立，各自有分工但又相互聯(lián)系，不可分割。系統(tǒng)各功能模塊與子模塊之間相互協(xié)作，共同完成切割過程管控。系統(tǒng)整體功能的框架如圖10所示。

圖10 切割過程管控系統(tǒng)整體功能框架

3.1 鋼板切割過程管控系統(tǒng)流程

為實現(xiàn)切割過程管控，首先需保證切割主數(shù)據(jù)的準確性，其次要保證物料、工裝及時配送，各工序質(zhì)檢按時完成，切割人員才能準確執(zhí)行切割操作任務，在系統(tǒng)的幫助下，從源頭上大幅降低錯割、漏割等問題發(fā)生的概率。

(1)管理切割主數(shù)據(jù)。工藝人員根據(jù)工藝裝備信息、工藝路徑信息、質(zhì)量檢驗信息、材料零部件信息，將質(zhì)量檢測模塊、工藝裝備管理模塊和零部件管理模塊的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到相應的圖號上。

(2)生成生產(chǎn)工單。負責生產(chǎn)的部門進行生產(chǎn)派工工作，將圖號鏈接到相關(guān)派工單，負責計劃的人員將工單的優(yōu)先順序傳遞給生產(chǎn)現(xiàn)場，指導生產(chǎn)現(xiàn)場進行生產(chǎn)活動。

(3)材料零部件和工藝裝備到位判斷和反饋。配送人員根據(jù)切割清單分配物料并根據(jù)工具清單分配工具，現(xiàn)場工作人員使用紅外掃描槍掃描材料和工具上的實際二維碼信息，并將掃描到的信息傳遞給相關(guān)模塊，相關(guān)模塊根據(jù)信息判斷物理狀態(tài)，并將結(jié)果傳遞給切割執(zhí)行模塊，如果材料和工具已經(jīng)就位，則“操作”按鈕點亮，可以執(zhí)行切割。

(4)生產(chǎn)執(zhí)行過程。根據(jù)生產(chǎn)工作中準確的零件、材料、工藝和工藝設備，工人以工作步驟為基本操作執(zhí)行單元進行生產(chǎn)，并在檢驗模塊中進行切割過程的質(zhì)量檢驗，記錄相應的切割質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，并執(zhí)行該過程。該過程中的每個步驟都包括刷卡提交過程。

3.2 鋼板切割過程管控系統(tǒng)實例

由上海交通大學與江南造船(集團)有限責任公司聯(lián)合開發(fā)的鋼板切割管控系統(tǒng)已于2017年在江南造船(集團)有限責任公司正式開始運行，現(xiàn)場情況如圖11所示。

圖11 鋼板切割管控系統(tǒng)實際應用

(1)選擇制造單號進入切割系統(tǒng)，如圖12(a)所示。

圖12 選擇制造單號及切割狀態(tài)

(2)執(zhí)行管控系統(tǒng)主操作界面。如圖12所示，系統(tǒng)右部及下部是基本功能模塊，包括切割版圖、切割指令、鋼材匯總、工藝清單、工序清單等，在工藝模塊中的每一步嵌入與該工步相關(guān)的質(zhì)檢要求，質(zhì)檢有專業(yè)的檢查和自檢，分別由品質(zhì)保證部質(zhì)檢人員檢查和車間自檢人員檢查。右端分上下兩部分：上半部分是一些主鍵信息，包括制造單號、套料版圖號、施工內(nèi)容等信息；下半部分是切割操作主控界面，目前軟件的版本提供暫停、完成、異常等主要操作按鈕。這些操作的提交過程都嵌入操作人員刷卡的過程，確保操作的可追溯性，減少因人為因素造成不必要的切割問題。主操作按鈕下方是對當前工步信息的詳細描述以及當前工步的責任人信息。在界面右下方，系統(tǒng)提供與當前工步相關(guān)的作業(yè)指導，包括操作規(guī)范PDF格式文件、操作視頻文件等。

(3)實時切割狀態(tài)。可執(zhí)行切割的工步按鈕激活時，表示材料、工裝量具全部配送或領用到位，該工步處于待切割狀態(tài)，如圖12(b)所示，員工可以進行切割和工藝狀態(tài)更新。

(4)切割過程質(zhì)檢。如圖13(a)所示，點擊進入自檢或?qū)z模塊，完成工步所包含的質(zhì)檢項目并記錄質(zhì)檢數(shù)據(jù)。

圖13 質(zhì)檢模塊及刷卡確認

(5)刷卡提交。員工的每一步操作和質(zhì)檢保存后，系統(tǒng)自動跳出刷卡確認界面，如圖13(b)所示，代替手寫簽字確認的繁瑣流程，便于在系統(tǒng)中查詢和追溯，提升切割效率。

(6)異常報修。若切割過程出現(xiàn)異常，切割員工需要及時選擇異常類型，如圖14所示，并通過系統(tǒng)刷卡確認及時報修。

圖14 異常報修

4 結(jié)束語

以PBOM的思想為核心組織架構(gòu)，開發(fā)了一種項目型產(chǎn)品切割過程管控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)實現(xiàn)了切割過程的電子化管控，能實時反映員工狀態(tài)、工藝執(zhí)行狀態(tài)等信息，確保物料的完備性，保證嚴格按照工藝執(zhí)行切割，防止錯割、漏割和漏檢的情況。該項目型切割過程管控系統(tǒng)已經(jīng)在江南造船(集團)有限責任公司制造部切割作業(yè)區(qū)成功實施，并計劃在其他作業(yè)區(qū)、部門、工廠進一步推廣。