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、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制造特點：①產品按訂單設計、生產，定制化程度高，且為多品種小批量生產或單件制造， 按照工作（項目）令的管理方式進行生產組織的難度較大， 按期交付的壓力大。②質量合規的市場準入門檻，需適應不同國家的質量標準體系；焊接生產的質量控制要求嚴、規程多，焊接生產工藝對焊接的質量、效率、成本有直接影響。③焊接等關鍵工序對技工技能的依賴性較強，人工參與度高；作為重型裝備，原材料成本占比較高；企業普遍存在成本控制壓力。

壓力容器行業作為一種傳統的裝備制造行業，因為其項目制、定制化的特點，生產制造環節的信息化、數字化、智能化水平普遍較低。主要表現在：①信息系統建設及應用方面，多數企業已經應用ERP（Enterprise Resource Planning， 企業資源計劃）、PLM（Product Lifecycle Management，產品生命周期管理系統），但多數沒有MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統） 或MOM（Manufacturing Operation Management，制造運營管理）系統，生產管理的信息化程度低。②設備數字化及聯網方面，主要工藝設備焊機的數字化程度較高[2] ， 新購置焊機絕大多數具有數字化接口，但設備聯網率不 高。③數據要素利用方面，生產計劃、技術文件等以人 工傳遞為主，生產過程的各類人員、設備、物料、工藝 參數及檢驗等數據主要依靠紙質記錄，生產過程數據難 以進行綜合分析利用。④數字化車間建設方面，極少數 龍頭企業建設了壓力容器數字化車間，多數企業尚未建 設，數字化車間的行業整體覆蓋率低。? 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，產品數據管理）等系統進行管理；作為一種重型裝備，壓力容器制造企業的規模普遍較大， ERP 系統已普遍應用。而作為主要工藝設備的焊機多數具備數字化接口。總體上，壓力容器制造企業具備了較 好的數字化基礎，但生產制造環節的數字化水平低，具 有很大的提升空間。

壓力容器數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）規范[3]， 簡稱容規，對于壓力容器設計、生產過程中的合規性有 嚴格要求。因此，生產過程中焊縫的工藝執行合規性管控、 受壓元件的物料信息全過程跟蹤記錄、質量報告的完整 性是壓力容器數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，生產過程中的計劃排產、 作業調度，以及不同車間之間的計劃協同、物流協同等 也是壓力容器數字化車間的建設重點。

2.1 　焊縫焊接過程工藝執行合規性監控

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（即主要的縱縫和環縫）的每道焊縫每個焊層的人員資質、焊機、 焊材焊劑及工藝參數等均有明確的要求[5]，焊縫的質量取 決于焊接過程中是否嚴格按照工藝要求執行，合規性管 控要點如圖1 所示。容規也要求對焊接實際執行過程中的執行人員及所用的焊機、焊材焊劑及工藝參數等有完 整的數據記錄。?

實際執行過程中，由于缺少有效的數字化手段，對 于實際執行焊接作業的工人的資質管控、焊接過程中工 藝參數是否存在超差等問題無法進行實時有效的監控， 存在人員資質與工藝要求不符，焊接工藝參數超差等問 題，對焊縫的質量帶來重大隱患。焊接過程的參數記錄 也以紙質手工記錄為主，后續形成質量報告需要再次轉 錄，不僅效率低，而且容易出錯。? 因此，焊接過程工藝執行合規性管控是壓力容器焊 接數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，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 系統根據工藝要求進行人員資質檢查，對焊機、焊材進行掃碼記錄并由系統進行防錯檢查；焊接作業過程 中，通過MOM 與焊接設備的集成實現電流、電壓及氣體流量等焊機參數的數據采集，并通過MOM 實現與工藝參數的實時比對，對出現超差的情況進行記錄及報警。?焊接完成后可以對系統記錄的全過程工藝參數進行查看及統計分析。以此，實現對于焊接作業執行過程的事前、事中、事后的工藝執行合規性監控如圖2 所示。

2.2 　受壓元件全生產過程數字化跟蹤

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，并體現在壓力容器的質量報告中。 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，并在生產領料、毛坯下料、轉運和焊接裝配等環節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據均需要手工紙質記錄，數據量大且繁瑣、易錯，事后也不便于質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，實現物料的批次化、條碼化管理。在生產領料、物料轉運交接及焊接上料等環節，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 　質量數據采集及質量報告自動生成

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

2.4 　生產計劃排產及協同

壓力容器生產涉及部機總裝焊接、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 生產組織也以人工的排產及協調為主，同時存在著計劃 排產和調整困難、各車間計劃聯動協同的信息傳遞的效 率和及時性差等問題，計劃協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導致在制品擠壓等問題，對企業的效率及 成本均產生影響。? 針對計劃排產及協同存在的問題，可在ERP 生成的總裝、零件及毛坯的生產計劃的基礎上，在MES 中實現不同車間的生產訂單之間基于訂單狀態的協同。

部機/ 子部機總裝訂單在MES 中下達車間時，同時釋放毛坯生產訂單，從ERP 下發至MES，允許毛坯下料車間進行生產計劃排產；在部機/ 子部機總裝的各工序作業任務派工到相應班組時，發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 工作區域的線邊緩存，以此提高齊套率的同時，減少提 前生產或配送造成的毛坯在制品積壓問題。對于MRP 計劃與實際生產脫節的，也可在MES 中按部機BOM 實現簡單排產，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。在實際生產執行過程 中，則可以根據實際任務的執行進度情況，逐級進行齊 套檢查，進行車間級/ 班組級已齊套生產任務的安排及執行，并對不齊套的任務進行預警。壓力容器各車間的生 產計劃及任務執行協同如圖5 所示。

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系統實現及方案實施?

3.1 　整體系統架構

根據壓力容器行業數字化車間的建設內容及重點， 整體的系統架構方案設計如圖6 所示。其中，面向壓力容器行業的MOM 系統是整個方案的核心，既實現整個生產管理的主要功能，又負責集成包括PLM、ERP、OA及SRM 等相關信息化系統，以及與SCADA 系統集成實現與焊機的集成，以此打通壓力容器制造企業的設計、經營、供應鏈、生產及設備運維的全流程。

MOM 系統與各信息系統集成方面，與PLM 集成所交互的設計及工藝數據是整個MOM 系統業務運行的與項目相關的基礎數據的主要來源，包括BOM、圖紙及工藝等；與ERP 系統集成所交互的數據，一方面是物料檔案、人員及組織架構等基礎數據，另一方面是生產訂單、進度及庫存賬等業務數據；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，另外也是質量報告所要求的內容。

3.2 　MOM 系統實現的技術路線

面向壓力容器焊接行業的iMOM（ 即intelligent MOM）系統是整個數字化車間解決方案的核心。其中，既包含具有機械裝備行業共性特征的計劃派工、工序作業任務派工、物料工輔具生產準備協同、質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，實現基于工步作業的焊層焊接過程執行合規性監控、物料批次策略及批次跟蹤、質量報告生成等具備行業特色的功能。 方案基于國機智能技術研究院自主研發的面向機械裝備制造的iMOM 平臺進行實現。iMOM 已在機械裝備行業的農業機械、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得到實際應用，形成了針對具體行業的智能工廠/ 數字化車間解決方案，運行效果良好。iMOM 對于項目制復雜裝備制造的特點，已在生產計劃管理、車間任務調度、作業過程管理、倉儲物流管理及質量管理等方面具備了相關的業務模型、系統功能及APP 等，對壓力容器行業數字化車間的多數業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法規的了解及分析，結合行業對質量、效率提升及成本管控的需求。重點增量開發了壓力容器焊接管理模塊，實現了基于工步作業的焊接過程管理功能模塊，實現對焊接作業過程的管控，包括壓力容器行業質量數據采集及質量報告生成功能；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的物料批次管理及跟蹤模式；其他生產計劃管理、車間作業管理、物流管理及質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 系統研發技術路線如圖7 所示?；趇MOM 平臺進行擴展及增量開發的技術路線， 既保證了系統對壓力容器行業的適配性，也保證了平臺的可靠性及穩定性。

3.3 　方案實施落地的前置條件

壓力容器行業數字化車間解決方案既實現了壓力容器生產過程的管理，也實現了對焊接作業過程的細化管控。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字化車間解決方案能夠完整落地的基礎保證，企業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、工藝等基礎數據的完備性：這是MOM/MES 系統實施的共性基礎條件，物料編碼體系需完整，BOM、工藝路線等數據需實現結構化管理。②焊接工藝數字化、結 構化：焊接工藝需要實現結構化管理，具備CAPP（Computer Aided Process Planning，計算機輔助工藝過程設計）系統， 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、設備要求、焊材焊劑要求、工藝 參數及質檢要求等數據。③原材料批次化條碼化管理：受 壓原件的原材料需要實現按原材料批次、尺寸及材質書編 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

壓力容器行業數字化車間解決方案依據壓力容器設 備行業生產管理及產品制造工藝特點，以及行業質量法 規要求，充分考慮壓力容器制造企業的實際需求及企業 內部各制造主體生產業務的協同特點，通過研發并實施 面向壓力容器行業的iMOM 系統，覆蓋生產、物流、質量及設備等業務，并實現與相關業務系統及焊接設備的 深度集成，搭建壓力容器相關制造主體業務集成及流程 優化的生產管理平臺。方案既滿足了壓力容器行業質量 法規對生產制造過程的合規性管控需求，也滿足了實際 制造企業對質量、效率及成本管控等方面的需求，實現 了壓力容器生產過程的透明化、集成化、協同化、結構化、 數字化、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行合規性監控、 受壓元件全生產過程數字化跟蹤、質量數據采集及質量報 告自動生成等內容，具有顯著的壓力容器行業特色，具備 很高的行業推廣價值；方案中關于生產計劃排產及協同、 物流的協同等內容，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同樣具有較好的應用價值。

編輯：黃飛

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