面向大型锅炉装备制造行业数字化车间的制造运营管理系统功能设计与应用.pdf

1面向大型锅炉装备制造行业数字化车间的制造运营管理系统功能设计与应用袁标1张知行1吴文亮1钟学矫2闫富乾11.东方电气集团科学技术研究院有限公司，成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 德阳618000摘要：针对大型锅炉装备制造企业在设备研制过程中的生产管理需求，设计并应用了覆盖车间全业务流程的制造运营管理系统。通过对计划控制中台、计划管理、物料管理、生产执行、质量管理、库存管理等模块的设计，实现了车间数据源的统一、信息的电子化传递以及生产过程的全周期追溯。科学地指导车间达到精益生产的目的。关键词：制造运营管理系统；数字化车间；数据结构化；模块化设计中图分类号：TK226文献标识码：A文章编号：1001-9006（2023）02-0001-05Functional Design and Application of Manufacturing Operation ManagementSystem for Digital Workshops in Large Boiler Equipment ManufacturingIndustryYUAN Biao1,ZHANG Zhixing1,WU Wenliang1,ZHONG Xuejiao2,YAN Fuqian1(1.DECAcademy of Science and Technology Co.,Ltd.,611731,Chengdu,China;2.Dongfang Boiler Co.,Ltd.,618000,Deyang,Sichuan,China)Abstract:Aiming at the production management requirements of large boiler equipment manufacturing enterprises duringequipment development,a manufacturing operation management system covering the entire business process of theworkshop was designed and applied.Through the design of modules such as the plan control center,plan management,material management,production execution,quality management,and inventory management,the unification ofworkshop data sources,electronic transmission of information,and full cycle traceability of the production process arerealized,which guides the workshop scientifically to achieve the goal of lean production.Key words:manufacturing operation management;digital workshop;data structuring;modular design1收稿日期：2023-03-20基金项目：项目名称；高温高压部件小径管自动排料和备料自动化集成管控关键技术研究；项目编号：SC0022097。作者简介：袁标(1997)，男，2022 年毕业于西南交通大学机械工程专业，硕士研究生。现任东方电气集团科学技术研究院有限公司，主要从事系统设计，数字孪生方向。随着中国制造 2025 的提出，越来越多的企业为实现制造强国的战略方针，将数字化车间建设作为企业发展的核心项目。锅炉行业产品制造的特点为工序时间长、装配工艺复杂、产品回流和人工干预频繁等。其设计工艺信息存在多头来源、数据不统一等问题。车间制造信息流转过程中存在大量纸质单据，透明化程度低，导致生产数据收集困难，质量追溯失真，给车间生产计划、执行及质量管理带来了极大困难1。为解决上述问题，本文运用互联网技术设计出一套符合锅炉行业的制造运营管理系统（Manufacturing Operation Management，MOM），实现车间生产计划、生产执行、质量检测等数据集成管理，对锅炉行业制造效率的提升与数字化的实现具有重大意义。1制造运营系统需求分析1.1 计划管理需求分析以某大型锅炉制造企业为例，目前车间的计划2接收、下发、反馈均通过纸质单据进行执行。计划的传递过程较为繁琐，当计划涉及到变更时，现有计划下发方式未能及时更新。同时车间生产进度汇总困难，工序任务统筹、协同及调度难度大。管理者未能全面、及时的掌握车间生产状态、主料和外协件齐备等信息，不利于后续的生产。因此急需建立一个全面的生产计划管理模块，兼容已有的 ERP系统，适应未来数字工厂的发展趋势。1.2 物料管理需求分析物料管理现有模式为项目部按照计划进行排料需求汇总，技术员再根据需求进行物料排料。车间备料、自动焊、装配工序按照生产计划打印落料单据，现场在落料单据上进行任务进度记录。其物料齐套确认方式为 EXCEL 单据或线下口头询问，沟通效率低，易遗忘。上述模式当生产计划变更频繁时，落料计划与生产计划匹配性校验工作量将会增大。同时车间各工序频繁进行纸质单据打印，加之排料结果也未实现电子化，导致资料收集传递较为困难。1.3 生产执行需求分析在生产执行层面，车间主要依靠纸质单据和口头通知传递生产任务。计划下发、变更及传递效率低下，记录追踪困难。工段排产时线下沟通量大，并且其报工数据未实时采集共享，绩效结算需收集大量数据进行手动转化，生产进度统计较为困难，存在一定的滞后性。1.4 质量管理需求分析质检人员根据质检委托，准备质检相关单据，现场进行质量检验并进行质量检验记录填写、归集。其模式存在的问题为质检基础数据来源不统一，与生产业务结合不紧密。质量检查申请提交不及时，存在漏报或晚报，导致质量检查延时的情况。同时质检工作任务量大，易出现质检漏项。质检数据由人工填写、统计，在电子归档时较为繁琐。1.5 库存管理需求分析（1）焊材库管理需求分析焊材库管理包括焊丝、焊条与焊剂的管理。除焊丝外，焊条和焊剂均需要烘焙加热。其焊材烘焙计划、焊材烘焙管理，焊材领用及退库均通过纸质单据进行记录，使用纸质单据对焊材进行流转管理极大的影响了车间的生产管理效率，亟待通过电子系统解决。（2）工具工装库管理需求分析车间的工具工装管理人员在收到生产计划后，通过内部系统查询工艺数据卡中工具工装的需求数量，与车间的管理台账进行对比，输出工具工装新增需求计划至归口管理的生产部门。工具工装库由于使用人工台账记录，工作量大，因此库存统计较为困难。同时其出库管理不严格，存在物料缺项、错用等情况。1.6 技术资料管理需求分析技术资料员从档案馆领取资料后，在 Excel 台账上做入库登记。车间会在生产之前从资料室成套领取所需的技术资料。但由于目前排料文件并未实现电子化，无法支持多人同时阅览以及通知现场图纸文件变更状况，造成技术资料的管理较为困难。2制造运营系统架构设计制造运营系统在 MES 系统原有的基础功能上进行了更多模块的扩展，既涵盖 MES 中关注的产品定义、资源计划、生产计划和生产性能等生产核心要素，同时又包含了制造运营过程中的设备全面管控、生产执行、物料管理、计划协同和质量管控等模块2。依托车间现有数字化软、硬件设备，对制造运营系统进行整体架构设计，系统分为智能决策层、数据总线层、业务系统层、物联网层、智能装备层，系统架构图如图 1 所示。图 1系统架构图3智能决策层分为生产控制中心与移动终端应用，可实现对整个系统的全面监控及分析决策。业务系统层既包括了制造运营系统的各功能模块，又集成了外部 PLM/CAPP、ERP 系统等3。业务层与决策层之间通过 ESB 数据总线紧密相连。智能装备层实现了设备的数据采集与指令的下达执行，通过物联网层与系统进行信息交换。此系统实现了生产计划调度安排、物料管理、仓储管理等功能的集成，使车间生产执行实现数据全控制、全贯穿。其业务流程框架如图 2 所示：图 2MOM 系统业务流程图3制造运营系统核心模块构建制造运营管理系统是数字化车间最核心的系统。本文所设计的制造运营管理系统业务功能覆盖生产计划中台、计划管理、物料管理、质量管理、生产执行、库存管理等，如图 3 所示。通过各层级的大数据分析和图形化的数据看板，提供部件进度监控、外协进度监控、两料齐套监控、落料进度监控、车间负荷监控和外协件齐套监控4。图 3MOM 系统业务功能图3.1 生产计划控制中台计划管理在企业管理中占有核心地位，合理的计划可以提高工厂的整体产能，但是计划排产过程中需要参考的数据繁多，需要进行多系统或多部门数据协调。通过生产计划控制中台的设计，将车间排产过程中的数据实现透明化，为后续自动计划排产打下数据基础。本文从两料齐套、计划排产、进度跟踪、计划平衡四个方面对生产计划控制中台进行功能设计。其具体设计如表 1 所示。表 1生产计划控制中台功能设计表功能名称功能描述两料齐套可实现工艺文件齐套及主料齐套的便捷查询，对应的业务口可根据查询的主料情况及工艺资料情况，手动选择该部件物料齐套以及工艺资料的齐套计划排产实现辅助计划排产，项目计划自动拆分，车间负载自动计算，计划交期预测进度跟踪实现车间、外委进度自动采集及展示计划平衡实现系统管理计划平衡流程3.2 车间计划管理模块车间计划管理用于接收生产计划和控制中台拆分后的车间计划，其模块相关功能为：计划同步、计划排产、计划跟踪、负荷拆解、物料齐套等。通过计划管理模块将车间计划分为三个层级进行管理：第一个层级为计调计划，计调计划包括月度计划、周计划；第二个层级为工段长计划，工段长根据计调计划进行工段节点计划下发；第三个层级为班组计划，班组长根据工段长排的节点计划进行任务派工，将任务指定到具体执行人员。其计划管理页面如图 4 所示。图 4计划管理页面3.3 物料管理模块物料管理模块通过物料管理过程信息化、排料4数据结构化等，实现了物料管理规范化和工艺BOM向制造 BOM 转换，为生产执行提供基础数据。采用信息化的手段在现有业务流程的基础上进行优化，将物料需求及原材料管理进行数字化改造，降低沟通成本、提高过程透明性。物料管理模块基于CAPP 基础数据实现原材料需求汇总。通过系统直接关联落料计划与生产计划，提高计划匹配性，并根据结构化落料单、排料单，系统自动生成备料、自动焊、装配工序生产任务。车间可根据生产任务自动关联结构化的落料单、排料单，实现车间无纸化管控。同时将工序物料齐套情况也实时显示，并作为计划执行顺序调整的指标。3.4 生产执行模块生产执行模块主要是以车间生产任务为核心管理对象，通过对生产任务全生命周期过程的记录，实现车间生产业务执行过程的监控与管理。通过生产任务派工信息电子化，实现生产及异常情况下计划的灵活调整。基于结构化物料清单自动生成各工序生产任务，系统自动汇总各工序计划排产条件，完成辅助排产。实时反馈前后工序的加工情况以及物料齐套情况，更好的调整、控制生产任务执行顺序，减少在制品的积压，提高周转效率。对在制品进行虚拟入库，支持多维度的生产进度统计查询和报表导出。同时系统根据在线报工数据及绩效结算逻辑自动输出员工绩效，更有利于数据的统计、分析、防错等。部分工序生产执行页面如图 5 所示。图 5生产执行页面3.5 质量管理模块车间质检模型维护由质检项、质检内容、质检规则、质检委托等基础数据建模工作组成，通过质量管理模块触发质检任务，质检提醒，降低漏检率。检查员在 PC 端和移动端进行质检工序的开工与报工，按照模板录入质检数据，动态设置关键工序，系统自动控制质检节点，实现质检流程的管控，关键数据的集成、存储以及电子档案的生成。辅助生成质量保证书，减少人员质量保证书归集工作量。通过质量管理模块的建设，对车间的改善效果如表2 所示，质量管理模块操作页面如图 6 所示。表 2质量模块改善表流程名称流程差异单据取消质检执行变更前：质检执行人员在纸质单据上填写质检结果，并通过纸质单据进行质检记录的保存变更后：系统自动根据质检建模基础数据生成质检执行单据，通过手持端进行质检单据填写，并留存质 量执 行单据质量保证书变更前：质量保证书中所有单据均为质检人员线下进行收集汇总并装订成册变更后：质量保证书中满足自动获取条件的单据：光谱分析检验报告、完工检查记录、无损检测报告等系统自动生成部 分质 量保 证书图 6质量管理操作页面3.6 库存管理模块库存管理模块可分别对焊材、零件、工具工装进行管理。其中对焊材的管理实现了焊材入库、烘焙管理、有效期管理、焊材追溯管理等功能。通过与 CAPP 系统集成，自动获取零件清单、工艺流转卡和工艺数据表，生成电子台账。结合生产月、周计划，生成焊材领用计划和领料申请。在 MOM 系统内实现对焊材库管理，其具体功能如表 3 所示。5表 3焊材管理功能设计表名称功能焊材库管理通过系统管理焊材库基础信息管理焊材入库通过系统完成焊材入库登记焊材出库通过系统完成焊材出库登记烘焙管理可通过系统录入烘焙记录，可通过看板进行烘焙完成提醒有效期管理通过系统管理焊材使用有效期，超出有效期进行提醒焊材领用系统内填报焊材领用申请，实现系统提醒焊材追溯管理基于条码单据的焊材发放记录和追溯库存管理模块对工具库的管理实现了车间工具二级库数字化管控以及入库台账记录，支持工具齐套检验。其具体功能如表 4 所示。表 4工具库管理功能设计表名称功能工具工装维护工具工装基础数据维护,库管员根据现场工具工装变动进行及时更改完善,记录所有工具工装信息工具工装库存查询查询系统中的所有工具工装的库存信息工具工装入库库管员通过在手持设备上输入对应的编码、规格、单位、货架、库位收货数量、品牌和厂家信息将工具工装进行入库借用管理借用申领:生产人员在手持设备选择需要借用的工具工装及数量进行申请借用借用审批:负责人收到现场人员申请的工具工装借用信息,进行工具工装借用审批借用出库:库管员对已审批的工具借用信息,将需要借用的工具进行出库借用更换:现场人员使用工具有损坏或者需要更换时,对借用的工具进行更换借用退还:借用的工具使用完或需要退还时,在手持端对该工具发起退还借用统计统计的工具工装借用信息,借用数量、借用日期、归还日期、借用类型、借用人及状态,可进行导出维修统计将损坏的工具工装进行导出打印,批量进行维修,维修完成后入库报废统计记录所有已报废的工具工装信息,可批量导出工具工装申领向一级库申领工具工装,填写申领数据后进行打印申领单工具工装条码打印在系统中通过标签打印机进行打印标签二维码3.7 技术资料管理模块技术资料管理模块通过生产现场操作终端进行技术资料在线查看，实现技术资料的在线预览。其功能设计如表 5 所示。表 5技术资料管理功能设计表模块名称功能技术资料管理技术资料电子化由 PLM、CAPP 数据结构化，CAPP 等系统进行基础数据的结构化，通过接口获取上游系统结构化数据及排版图并在生产过程追踪进行使用；生产人员可通过现场固定操作终端，获取产品技术资料及排版图，支持在线查看。排料数据结构化建立结构化排料数据工艺变更关联工艺人员在 MOM 中维护工艺变更内容，系统自动将变更内容更新至现场3.8 可视化管理模块在日益追求效率与精益管理的现代企业工厂里，生产线上的管理受到越来越高的重视，其中可视化生产管理技术是数字化发展的必然趋势。通过智能电子看板系统，将彻底使制造流程中的原本不可见的内容转变为可视化管理，使生产、品质、设备的状况处于可控状态，相关人员可在第一时间发现问题并解决问题。采用可视化的管理模式比当前的邮件、电话通知的方式更加有效。通过在车间布置两类电子看板：生产看板、库房电子看板，实现数字可视化管理，为车间精益生产提供了更强大的工具支持。4结语在数字化、智能化建设的主题下，本文围绕锅炉车间生产运营核心业务管理系统进行开发设计，旨在满足锅炉行业小批量、多品种、人工干预频繁产品的生产总装需求。结合信息技术以及互联网技术，通过对生产计划、生产执行、质量、物料、库存、技术资料管理模块进行优化设计，实现了车间生产的规范化、智能化。同时车间可视化管理模块的推进，不仅完成了生产业务全流程的透明化，提高了企业核心竞争力，而且对整个锅炉行业的数字化建设提供了一定的示范参考作用。参考文献：1 潘红伟.研制与批产混线生产的 MOM 应用研究J.内蒙古煤炭经济,2021(10):185-1862 王春学.大型电子装备总装数字化工厂制造运营管理系统J.智能制造,2022(1):106-1113 林锦州,于英杰,赵彦春.面向智能工厂建设的汽车制造运行管理系统方案研究J.现代工业经济和信息化,2018,8(2):79-814 田俊,章磊,刘丽花.面向军工电子生产的制造运营管理系统设计与应用J.制造业自动化,2022,44(6):63-66