作者：孔祥君，李文博，楊　超，唱月霞，翟永正，周江林 ?

壓力容器是一種能夠承受壓力的密閉容器，其用途極為廣泛，在工業(yè)、民用及軍工等許多部門，以及科學研究的許多領域都具有重要的地位和作用。大型及特種材質(zhì)壓力容器還廣泛應用于煉油、石化及電力等領域， 主要用于傳熱、傳質(zhì)及反應等工藝過程，以及貯存、運輸有壓力的氣體或液化氣體；在其他工業(yè)與民用領域亦有廣泛的應用，如各類專用壓縮機及制冷壓縮機的輔機（冷卻器、油水分離器、貯氣罐、蒸發(fā)器及液體冷卻劑貯罐等）均屬壓力容器[1]。

壓力容器的主要生產(chǎn)制造特點：①產(chǎn)品按訂單設計、生產(chǎn)，定制化程度高，且為多品種小批量生產(chǎn)或單件制造， 按照工作（項目）令的管理方式進行生產(chǎn)組織的難度較大， 按期交付的壓力大。②質(zhì)量合規(guī)的市場準入門檻，需適應不同國家的質(zhì)量標準體系；焊接生產(chǎn)的質(zhì)量控制要求嚴、規(guī)程多，焊接生產(chǎn)工藝對焊接的質(zhì)量、效率、成本有直接影響。③焊接等關鍵工序?qū)脊ぜ寄艿囊蕾囆暂^強，人工參與度高；作為重型裝備，原材料成本占比較高；企業(yè)普遍存在成本控制壓力。

壓力容器行業(yè)作為一種傳統(tǒng)的裝備制造行業(yè)，因為其項目制、定制化的特點，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的信息化、數(shù)字化、智能化水平普遍較低。主要表現(xiàn)在：①信息系統(tǒng)建設及應用方面，多數(shù)企業(yè)已經(jīng)應用ERP（Enterprise Resource Planning， 企業(yè)資源計劃）、PLM（Product Lifecycle Management，產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)），但多數(shù)沒有MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)） 或MOM（Manufacturing Operation Management，制造運營管理）系統(tǒng)，生產(chǎn)管理的信息化程度低。②設備數(shù)字化及聯(lián)網(wǎng)方面，主要工藝設備焊機的數(shù)字化程度較高[2] ， 新購置焊機絕大多數(shù)具有數(shù)字化接口，但設備聯(lián)網(wǎng)率不 高。③數(shù)據(jù)要素利用方面，生產(chǎn)計劃、技術文件等以人 工傳遞為主，生產(chǎn)過程的各類人員、設備、物料、工藝 參數(shù)及檢驗等數(shù)據(jù)主要依靠紙質(zhì)記錄，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)難 以進行綜合分析利用。④數(shù)字化車間建設方面，極少數(shù) 龍頭企業(yè)建設了壓力容器數(shù)字化車間，多數(shù)企業(yè)尚未建 設，數(shù)字化車間的行業(yè)整體覆蓋率低。? 可以看出，壓力容器設備作為一種安全性要求很高 的復雜裝備，其設計過程基本已使用PLM、PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等系統(tǒng)進行管理；作為一種重型裝備，壓力容器制造企業(yè)的規(guī)模普遍較大， ERP 系統(tǒng)已普遍應用。而作為主要工藝設備的焊機多數(shù)具備數(shù)字化接口。總體上，壓力容器制造企業(yè)具備了較 好的數(shù)字化基礎，但生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化水平低，具 有很大的提升空間。

壓力容器數(shù)字化車間方案關鍵點?

壓力容器對安全性要求高，2012 年3 月1 日實施的GB150—2011《壓力容器》（Pressure Vessels）規(guī)范[3]， 簡稱容規(guī)，對于壓力容器設計、生產(chǎn)過程中的合規(guī)性有 嚴格要求。因此，生產(chǎn)過程中焊縫的工藝執(zhí)行合規(guī)性管控、 受壓元件的物料信息全過程跟蹤記錄、質(zhì)量報告的完整 性是壓力容器數(shù)字化車間建設首先要滿足的需求[4]。同時， 壓力容器作為一種復雜裝備，生產(chǎn)過程中的計劃排產(chǎn)、 作業(yè)調(diào)度，以及不同車間之間的計劃協(xié)同、物流協(xié)同等 也是壓力容器數(shù)字化車間的建設重點。

2.1 　焊縫焊接過程工藝執(zhí)行合規(guī)性監(jiān)控

壓力容器主要由板材、管材等原材料通過焊接工藝 裝配形成，焊縫的焊接質(zhì)量決定了壓力容器的性能和安 全性。因此，焊接工藝對于A 類和B 類焊縫（即主要的縱縫和環(huán)縫）的每道焊縫每個焊層的人員資質(zhì)、焊機、 焊材焊劑及工藝參數(shù)等均有明確的要求[5]，焊縫的質(zhì)量取 決于焊接過程中是否嚴格按照工藝要求執(zhí)行，合規(guī)性管 控要點如圖1 所示。容規(guī)也要求對焊接實際執(zhí)行過程中的執(zhí)行人員及所用的焊機、焊材焊劑及工藝參數(shù)等有完 整的數(shù)據(jù)記錄。?

實際執(zhí)行過程中，由于缺少有效的數(shù)字化手段，對 于實際執(zhí)行焊接作業(yè)的工人的資質(zhì)管控、焊接過程中工 藝參數(shù)是否存在超差等問題無法進行實時有效的監(jiān)控， 存在人員資質(zhì)與工藝要求不符，焊接工藝參數(shù)超差等問 題，對焊縫的質(zhì)量帶來重大隱患。焊接過程的參數(shù)記錄 也以紙質(zhì)手工記錄為主，后續(xù)形成質(zhì)量報告需要再次轉 錄，不僅效率低，而且容易出錯。? 因此，焊接過程工藝執(zhí)行合規(guī)性管控是壓力容器焊 接數(shù)字化車間建設的重點之一。將結構化后的焊接工藝 進入MOM 系統(tǒng)，在焊縫的每個焊層作為工步進行管理， 每個工步在MOM 中進行開工及完工報工操作，開工前MOM 系統(tǒng)根據(jù)工藝要求進行人員資質(zhì)檢查，對焊機、焊材進行掃碼記錄并由系統(tǒng)進行防錯檢查；焊接作業(yè)過程 中，通過MOM 與焊接設備的集成實現(xiàn)電流、電壓及氣體流量等焊機參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并通過MOM 實現(xiàn)與工藝參數(shù)的實時比對，對出現(xiàn)超差的情況進行記錄及報警。?焊接完成后可以對系統(tǒng)記錄的全過程工藝參數(shù)進行查看及統(tǒng)計分析。以此，實現(xiàn)對于焊接作業(yè)執(zhí)行過程的事前、事中、事后的工藝執(zhí)行合規(guī)性監(jiān)控如圖2 所示。

2.2 　受壓元件全生產(chǎn)過程數(shù)字化跟蹤

受壓元件是指壓力容器中按幾何形狀劃分的基本承壓單元，其設計強度取決于介質(zhì)壓力，例如殼體、封頭、接管、法蘭、螺栓和管板等[6]。該類元件的強度直接關系到壓力容器的安全性，一旦破壞或失效會造成很大危害。按照容規(guī)要求，每一個受壓元件的原材料批次信息都要進行記錄，并體現(xiàn)在壓力容器的質(zhì)量報告中。 壓力容器的受壓元件大部分是由板材剪切/ 切割下料而成，因此受壓元件的批次記錄及跟蹤需要從板材入庫開始記錄，并在生產(chǎn)領料、毛坯下料、轉運和焊接裝配等環(huán)節(jié)能夠記錄每個受壓元件的批次信息。目前全過程物料批次數(shù)據(jù)均需要手工紙質(zhì)記錄，數(shù)據(jù)量大且繁瑣、易錯，事后也不便于質(zhì)量問題的追溯和分析。 因此，從板材、管材等原材料的采購到貨入庫開始， 按原材料批次、尺寸等信息生成物料的二維碼并對物料進行賦碼標記，在毛坯下料后，對毛坯同樣進行二維碼標記，實現(xiàn)物料的批次化、條碼化管理。在生產(chǎn)領料、物料轉運交接及焊接上料等環(huán)節(jié)，則可通過掃碼的方式， 直接采集受壓元件的原材料或毛坯的批次信息，代替之前的手工記錄方式，提高效率，保證信息一致性。受壓元件全過程條碼化批次化跟蹤追溯如圖3 所示。

2.3 　質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量報告自動生成

壓力容器生產(chǎn)完成后，按照容規(guī)的要求，要形成一套完整的質(zhì)量報告。質(zhì)量報告包含設計圖紙、工藝信息， 生產(chǎn)過程中的人員、物料、設備及工藝參數(shù)等信息，各類質(zhì)量檢驗的信息，以及生產(chǎn)過程中的變更、返工返修等異常信息。 目前，大量質(zhì)量數(shù)據(jù)主要以紙質(zhì)文件形式記錄收集， 手動錄入電腦后再手動生成質(zhì)檢報告；與行業(yè)專業(yè)的計量理化檢測機構、鍋檢所檢測系統(tǒng)的檢驗業(yè)務的交互及數(shù)據(jù)的提取也需要手工進行，整個過程數(shù)據(jù)采集及報告形成的工作量大、效率低，且質(zhì)量數(shù)據(jù)事后難以分析利用。 通過實施MES 實現(xiàn)對質(zhì)檢過程的管理，并實現(xiàn)與計量理化、鍋檢所等檢測系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)的自動采集；通過MES 與PLM、OA 等系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)對設計文件、質(zhì)量問題審批文件的自動獲取；在MES 中實現(xiàn)質(zhì)量報告的目錄、模板及電子簽章的維護。在一套壓力容器設備生產(chǎn)完成后，通過對各類質(zhì)量報告相關信息的抓取，自動生成質(zhì)量報告文件，可以大大提高質(zhì)量檢驗及質(zhì)量報告生成的效率，減少人工進行數(shù)據(jù)錄入 和傳遞的出錯幾率，并實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的結構化、數(shù)字化， 便于質(zhì)量問題的統(tǒng)計、分析及追溯，報告生成流程如圖4 所示。?

2.4 　生產(chǎn)計劃排產(chǎn)及協(xié)同

壓力容器生產(chǎn)涉及部機總裝焊接、零件加工及毛坯 下料等多級。與一般的復雜裝備制造一樣，壓力容器的 生產(chǎn)組織也以人工的排產(chǎn)及協(xié)調(diào)為主，同時存在著計劃 排產(chǎn)和調(diào)整困難、各車間計劃聯(lián)動協(xié)同的信息傳遞的效 率和及時性差等問題，計劃協(xié)同的問題會進一步導致部 機/ 子部機總裝齊套性差、零部件/ 毛坯下料車間插單多或者提前生產(chǎn)導致在制品擠壓等問題，對企業(yè)的效率及 成本均產(chǎn)生影響。? 針對計劃排產(chǎn)及協(xié)同存在的問題，可在ERP 生成的總裝、零件及毛坯的生產(chǎn)計劃的基礎上，在MES 中實現(xiàn)不同車間的生產(chǎn)訂單之間基于訂單狀態(tài)的協(xié)同。

部機/ 子部機總裝訂單在MES 中下達車間時，同時釋放毛坯生產(chǎn)訂單，從ERP 下發(fā)至MES，允許毛坯下料車間進行生產(chǎn)計劃排產(chǎn)；在部機/ 子部機總裝的各工序作業(yè)任務派工到相應班組時，發(fā)送物料需求至下料車間，允許下料車間 進行物料的配送，可相對準時地將毛坯準確配送至班組 工作區(qū)域的線邊緩存，以此提高齊套率的同時，減少提 前生產(chǎn)或配送造成的毛坯在制品積壓問題。對于MRP 計劃與實際生產(chǎn)脫節(jié)的，也可在MES 中按部機BOM 實現(xiàn)簡單排產(chǎn)，將部機/ 子部機、零件及毛坯的計劃自動排出， 以此指導計劃員進行計劃的下發(fā)。在實際生產(chǎn)執(zhí)行過程 中，則可以根據(jù)實際任務的執(zhí)行進度情況，逐級進行齊 套檢查，進行車間級/ 班組級已齊套生產(chǎn)任務的安排及執(zhí)行，并對不齊套的任務進行預警。壓力容器各車間的生 產(chǎn)計劃及任務執(zhí)行協(xié)同如圖5 所示。

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系統(tǒng)實現(xiàn)及方案實施?

3.1 　整體系統(tǒng)架構

根據(jù)壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間的建設內(nèi)容及重點， 整體的系統(tǒng)架構方案設計如圖6 所示。其中，面向壓力容器行業(yè)的MOM 系統(tǒng)是整個方案的核心，既實現(xiàn)整個生產(chǎn)管理的主要功能，又負責集成包括PLM、ERP、OA及SRM 等相關信息化系統(tǒng)，以及與SCADA 系統(tǒng)集成實現(xiàn)與焊機的集成，以此打通壓力容器制造企業(yè)的設計、經(jīng)營、供應鏈、生產(chǎn)及設備運維的全流程。

MOM 系統(tǒng)與各信息系統(tǒng)集成方面，與PLM 集成所交互的設計及工藝數(shù)據(jù)是整個MOM 系統(tǒng)業(yè)務運行的與項目相關的基礎數(shù)據(jù)的主要來源，包括BOM、圖紙及工藝等；與ERP 系統(tǒng)集成所交互的數(shù)據(jù)，一方面是物料檔案、人員及組織架構等基礎數(shù)據(jù)，另一方面是生產(chǎn)訂單、進度及庫存賬等業(yè)務數(shù)據(jù)；與OA 集成交互的主要是不合格品、物料變更等審批的結果及審批文件信息，一方面是支持下一步流程的運行，另外也是質(zhì)量報告所要求的內(nèi)容。

3.2 　MOM 系統(tǒng)實現(xiàn)的技術路線

面向壓力容器焊接行業(yè)的iMOM（ 即intelligent MOM）系統(tǒng)是整個數(shù)字化車間解決方案的核心。其中，既包含具有機械裝備行業(yè)共性特征的計劃派工、工序作業(yè)任務派工、物料工輔具生產(chǎn)準備協(xié)同、質(zhì)量檢驗及設備維保等通用性功能，又要針對壓力容器焊接工藝的特點，實現(xiàn)基于工步作業(yè)的焊層焊接過程執(zhí)行合規(guī)性監(jiān)控、物料批次策略及批次跟蹤、質(zhì)量報告生成等具備行業(yè)特色的功能。 方案基于國機智能技術研究院自主研發(fā)的面向機械裝備制造的iMOM 平臺進行實現(xiàn)。iMOM 已在機械裝備行業(yè)的農(nóng)業(yè)機械、制藥裝備、礦山裝備、能源裝備、海油裝備及紡織機械等多個行業(yè)得到實際應用，形成了針對具體行業(yè)的智能工廠/ 數(shù)字化車間解決方案，運行效果良好。iMOM 對于項目制復雜裝備制造的特點，已在生產(chǎn)計劃管理、車間任務調(diào)度、作業(yè)過程管理、倉儲物流管理及質(zhì)量管理等方面具備了相關的業(yè)務模型、系統(tǒng)功能及APP 等，對壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間的多數(shù)業(yè)務需求已具備良好的支撐。

在iMOM 平臺基礎上，通過對壓力容器行業(yè)法規(guī)的了解及分析，結合行業(yè)對質(zhì)量、效率提升及成本管控的需求。重點增量開發(fā)了壓力容器焊接管理模塊，實現(xiàn)了基于工步作業(yè)的焊接過程管理功能模塊，實現(xiàn)對焊接作業(yè)過程的管控，包括壓力容器行業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量報告生成功能；在iMOM 平臺上擴展原有的批次管理功能，形成適用于壓力容器及相近行業(yè)的物料批次管理及跟蹤模式；其他生產(chǎn)計劃管理、車間作業(yè)管理、物流管理及質(zhì)量檢驗管理等功能則采用iMOM平臺原有的功能。面向壓力容器焊接的iMOM 系統(tǒng)研發(fā)技術路線如圖7 所示?；趇MOM 平臺進行擴展及增量開發(fā)的技術路線， 既保證了系統(tǒng)對壓力容器行業(yè)的適配性，也保證了平臺的可靠性及穩(wěn)定性。

3.3 　方案實施落地的前置條件

壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間解決方案既實現(xiàn)了壓力容器生產(chǎn)過程的管理，也實現(xiàn)了對焊接作業(yè)過程的細化管控。因此，方案的實施落地也存在一些前置條件，這些前置條件的落實是數(shù)字化車間解決方案能夠完整落地的基礎保證，企業(yè)需要在方案實施前進行評估，確保這些前 置條件在方案實施時具備可行性。主要的前置條件包括：①物料、工藝等基礎數(shù)據(jù)的完備性：這是MOM/MES 系統(tǒng)實施的共性基礎條件，物料編碼體系需完整，BOM、工藝路線等數(shù)據(jù)需實現(xiàn)結構化管理。②焊接工藝數(shù)字化、結 構化：焊接工藝需要實現(xiàn)結構化管理，具備CAPP（Computer Aided Process Planning，計算機輔助工藝過程設計）系統(tǒng)， 焊接工藝（尤其是A、B 類焊縫）結構化至焊層級別，包括焊接相關的人員資質(zhì)、設備要求、焊材焊劑要求、工藝 參數(shù)及質(zhì)檢要求等數(shù)據(jù)。③原材料批次化條碼化管理：受 壓原件的原材料需要實現(xiàn)按原材料批次、尺寸及材質(zhì)書編 號進行細化的批次化管理，包括入庫、出庫及退料過程。④物料及設備的條碼化管理：物料實現(xiàn)條碼化管理，貫穿 從入庫到領料、用料、毛坯轉運及上料；焊接設備實現(xiàn)條 碼化管理，具備掃碼采集設備信息的條件。

結束語

壓力容器行業(yè)數(shù)字化車間解決方案依據(jù)壓力容器設 備行業(yè)生產(chǎn)管理及產(chǎn)品制造工藝特點，以及行業(yè)質(zhì)量法 規(guī)要求，充分考慮壓力容器制造企業(yè)的實際需求及企業(yè) 內(nèi)部各制造主體生產(chǎn)業(yè)務的協(xié)同特點，通過研發(fā)并實施 面向壓力容器行業(yè)的iMOM 系統(tǒng)，覆蓋生產(chǎn)、物流、質(zhì)量及設備等業(yè)務，并實現(xiàn)與相關業(yè)務系統(tǒng)及焊接設備的 深度集成，搭建壓力容器相關制造主體業(yè)務集成及流程 優(yōu)化的生產(chǎn)管理平臺。方案既滿足了壓力容器行業(yè)質(zhì)量 法規(guī)對生產(chǎn)制造過程的合規(guī)性管控需求，也滿足了實際 制造企業(yè)對質(zhì)量、效率及成本管控等方面的需求，實現(xiàn) 了壓力容器生產(chǎn)過程的透明化、集成化、協(xié)同化、結構化、 數(shù)字化、可溯化、實時化及無紙化等目標。? 方案中所包含的焊縫焊接過程工藝執(zhí)行合規(guī)性監(jiān)控、 受壓元件全生產(chǎn)過程數(shù)字化跟蹤、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量報 告自動生成等內(nèi)容，具有顯著的壓力容器行業(yè)特色，具備 很高的行業(yè)推廣價值；方案中關于生產(chǎn)計劃排產(chǎn)及協(xié)同、 物流的協(xié)同等內(nèi)容，則具有機械裝備制造的共性特點，在 其他的復雜裝備制造行業(yè)同樣具有較好的應用價值。

編輯：黃飛

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