船舶分段制造执行系统模型研究

俞 峰

（厦门船舶重工股份有限公司，福建厦门 361026）

0 引言

现代造船模式下，为实现“以中间产品为导向”原则组织生产和编制生产计划，将生产进行空间上分道，并优化资源分配，达到生产连续、负荷均衡的目标，国内各主要船厂纷纷通过实施部署 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems，计算机集成制造系统）或 ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源规划）作为管理工具，以支撑企业资源与计划管理体系的科学运行，并取得一定效果。但由于缺乏企业级计划管理层与底层车间控制层之间的“桥梁”，CIMS或ERP往往无法实现对企业生产现场信息进行及时有效的管理。近年来，借鉴其他行业制造执行系统 MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）的研究与实践成果，国内船舶行业也开展了大量关于船舶MES系统的应用研究。MES系统可以有效地帮助船舶企业解决公司层面生产计划与车间生产调度管理联系不紧密的问题，是船舶企业推动管理向车间控制层延伸的关键管理工具，本文依托厦门船舶重工股份有限公司承担的工信部智能制造新模式项目和某型邮轮型客滚船建造项目，开展船舶分段制造执行系统模型研究。

1 船舶分段建造计划层次与信息流模型研究

在制造企业中，MES系统几乎不可能独立运行，美国先进制造研究机构（AMR）将MES系统定义为：“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”，为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等方面）的当前状态。

船舶分段建造是总装造船模式的关键，船厂的自动化/标准化生产主要集中在分段制作阶段，故将本次研究的主要范围定位为分段制造车间MES系统研究。参考国际仪表学会（ISA）编制的ISA-SP95企业控制系统集成标准功能层次模型（见图1），结合生产实践建立了船厂MES系统集成信息流模型，如图2所示。

图1 企业控制系统集成标准功能层次模型

图2 船厂MES系统集成信息流模型

从模型中可以看出，MES系统位于计划管理层和底层控制之间，是企业计划管理信息、物流信息、工艺信息和车间班组级生产数据信息的交汇点。车间级生产管理是MES系统的根本任务，MES系统实现了对车间级生产信息的实时掌握和反馈，是支撑公司级计划正常运行的关键层级。

为支持自身的正常运行，MES系统要从上层系统获取必要的数据信息。以船厂分段制作车间生产为例：MES进行生产调度需要以ERP系统提供的分段建造计划信息为约束，并考虑钢材物资到货集配等信息；PDM系统为MES系统提供实际生产所需的生产物量、零件表信息、组立信息、套料信息、图纸等；从数字式切割、加工、焊接设备、数字式生产线控制系统、人工采集等多个途径反馈的生产数据，由MES系统用于生产监控、物量考核与分析评估。

从时间因素分析，船厂的计划管理层ERP系统考虑的问题域集中在公司级的中长期计划管理方面，具体应是线表计划、主计划/搭载计划、中日程计划、生产管理部月度计划层级，时间因子=100X，执行层 MES系统的问题域集中在车间班组层级的生产任务协调安排问题，时间因子=10X，控制层系统则必须实时下达生产指令和接收生产状态信息，时间因子=1X。3个层面互联互通共同实现企业信息流的连续运转，支撑企业正常运行，如图3所示。

图3 ERP、MES、PCS这3层时间因素

2 船舶分段制造执行系统功能模型研究

现代造船企业一般是按订单生产的离散型制造模式，传统的MES系统实际上无法满足船厂生产的敏捷性、特异化要求，在实际应用中需要充分结合船厂生产特点构建MES系统，以确保MES系统能真正为企业生产管理带来实效。

研究目前主流的MES功能模型，参考ISA提出了8个功能的模块模型（产品定义管理、产品资源管理、详细生产排程、生产调度、生产执行、生产跟踪、产品数据采集分析），结合对船厂PDM、ERP系统运行基础和分段制作车间生产管理模式的理解，构建了基于船厂实践的船舶分段制造执行系统功能模型，力求能够直接推动MES系统在船厂分段制造车间落地执行。

2.1 产品数据模块

对应ISA模型的产品定义管理模块，主要内容是与产品设计相关的信息，包括产品基础信息（号船/分段）、制造BOM、工艺文件、图纸等。如图4所示。

图4 产品数据模块功能模型

2.2 车间资源数据模块

对应ISA模型的产品资源管理模块，主要内容是生产过程中所使用的各类生产要素，包括车间组织架构/人员信息、加工制造设备/生产线信息、工装设备信息、物料集配信息。如图5所示。

图5 车间资源数据模块功能模型

2.3 生产计划与调度管理模块

涵盖了ISA模型的详细生产排程、生产调度、生产执行、生产跟踪、产品数据采集分析5个模块功能。该模块是 MES系统的核心模块，主要内容（见图6）如下。

图6 生产计划与调度管理功能模型

1）作业标准定义：对分段建造的标准工序、标准作业类型进行定义，并据此生成号船作业任务清单。

2）车间计划管理：根据物料集配和图纸下达计划/实际情况，将ERP下达的分段建造中日程计划根据作业任务分类分解为车间级各工序月度计划、周计划，如下料月计划、小组立月计划、小组立周计划等；

3）作业派工管理：按车间级计划安排，以标准作业对象为维度，班组为对象进行作业派工，如根据车间下料计划按单元给某个预处理班组派工；

4）内托集配管理：为准确实现对车间内物流的跟踪，以零/部件类型、工艺流向为依据，由系统自动生成标准虚拟托盘，车间班组在转序环节选取虚拟托盘的零/部件，登记到车间实物托盘；

5）生产跟踪统计分析：车间管理层根据计划反馈、作业反馈、托盘信息反馈掌握车间日、周、月的计划、物量完成情况、车间物流情况，分析计划实际完成信息、车间生产效率信息，及时进行生产计划和派工调整，保障车间物流顺畅、生产连续。

2.4 质量管理模块

在ISA模型中没有涉及质量管理的功能，但车间管理有必要覆盖设计质量管理、制造质量管理以及设备运行记录信息的分析管理功能，为企业实现全面质量管理、进行产品质量追溯提供基础数据。

2.5 基础管理模块

主要包含国家、船级社、船东、船型、日历定义，用户管理、权限管理、日志管理等功能。

3 关键信息集成基础研究

船舶分段制造执行系统的模型研究，必须以车间工序标准化、制造工艺信息标准化为基础，关注关键信息集成的研究，重点应包括PDM与MES集成标准研究、ERP与MES集成标准研究、MES与设备物联的集成标准研究等方面内容，本文限于篇幅不再展开。

4 结论

本文通过研究MES的相关理论以及模型，结合对造船企业分段建造相关业务流程以及造船设计、PDM、ERP等信息系统集成信息的研究，提出了船舶分段制造执行系统集成信息流模型。目前，相关模型已用于指导企业MES系统开发部署实践。MES系统的实施应用可以逐步帮助船厂车间管理人员从繁重的现场“救火式”调度和手工作业中解脱出来，真正提升船厂车间的生产管控水平。