计算机集成制造系统的应用.docx

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计算机集成制造系统的应用

CIMS技术在外高桥造船厂的应用

摘要

在二十世纪九十年代，国外先进船厂通过研究应用CIMS软件系统，将人、财、物、设计及制造等信息融于一个系统，逐步确立了以信息技术作支撑的现代造船模式，实现了“生产效率大幅度提高、生产成本明显降低”的目标。

进入新世纪，世界船舶工业处于更加激烈的竞争之中。

要缩短与国外先进船厂的差距，实现“跳跃式”发展，就必须认真研究借鉴国外现代造船技术，尤其是信息技术的应用经验。

本文从外高桥造船有限公司自身的需求出发，介绍SWS．CIMS技术方案及系统组成，并讨论了企业应用CIMS成功与失败的各种原因，和影响它成功或失败的关键因素。

关键词：

计算机集成制造；现代集成制造系统；需求分析；系统设计；上海外高桥造船有限公司

ABSTRACT

Inthe20century90s，advancedshipyardinforeigncountryviaresearchCIMSsoftware

system，manpower、property、designandmanufactureinformationcompriseonesystem，establishingmodernmodeofinformationtechnologystepbystep，realizeobjectabout“improvingproductionefficiencygreatly，reduceproductioncostobviously”.

Enteringthenewworld，shippingindustrymorecompetitionthanbefore，shortendifferencewithadvancedshipyardandrealize“leaping”developmentmustresearchmodernshippingtechnologyintheworld，especiallyapplicationexperienceininformationtechnology，thearticleaccordingtoSWS’srequirement，introducingSWS—CIMS，technologyprojectandsystemcomposing，discussingallkindsofreasonsaboutCIMSsuccessanddefeat.

Keywords：

CIM；CIMS；DemandAnalysis；SystemDesign；SWS

目录

摘要2

ABSTRACT3

第1章国内外船舶工业发展现状5

1．1世界造船工业格局的变化5

1．2国际造船业信息技术发展状况5

1．3国内造船业信息技术发展状况8

第二章计算机集成制造和现代集成制造系统9

2．1计算机集成制造CIM9

2．2现代集成制造系统CIMS10

2．3本章小结10

第三章上海外高桥造船有限公司SWS—CIMS概况11

3．1上海外高桥造船有限公司SWS11

3．2SWS-CIMS的需求13

3.2.1SWS存在的主要问题13

3.2.2实施CIMS的必要性14

3．3本章小结15

第四章SWS-CIMS技术方案及系统组成16

4．1SWS-CIMS的目标16

4．1．1SWS-CIMS的总体目标16

4．1．2SWS一CMS的阶段目标17

4．2设计原则17

4．3SWS-CIMS功能要求18

4.4SWS-CIMS信息要求21

4．4．1对信息实时性、准确性的要求21

4．4．2对信息广域性的要求21

4.4．3对系统信息集成的要求21

4．5SWS-CIMS性能要求21

4．5．1支撑系统性能要求21

4．5．2应用系统性能要求22

4．6系统的逻辑结构、总体结构22

4．7系统功能设计29

4．7．1资源管理分系统30

4．7．2设计分系统31

4．7．3生产分系统32

4．7．4质量控制管理分系统32

4．7．5基本信息管理系统34

4．8本章小结34

结论35

参考文献36

致谢38

第1章国内外船舶工业发展现状

1．1世界造船工业格局的变化

世界造船业当前已逐渐形成四极结构，分别是日本、韩国、西欧和以中国为代表的其它国家。

在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务多方面全方位的竞争。

从当前国际造船业的竞争态势以及对日本、韩国、欧洲和中国造船业的分析可知，世界造船能力约为5100万载重吨（DWT），而实际可能的新船需求不会超过4000万DWT，能力过剩率达到21．6％。

这种能力相对过剩的状况已持续多年，并有愈演愈烈之势，给世界船舶工业带来了更为激烈的竞争[1]。

1．2国际造船业信息技术发展状况

当今国际造船业己发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务多方面全方位的竞争。

由于市场竞争激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大革命，其中以造船技术的发展最为突出。

自1956年到1999年，连续44年，日本造船产量一直稳居全球的30-50％，居世界首位。

在船舶产量、船台周期、生产效率、船舶大型化、造船职工和人均产量诸方面，半个多世纪来，日本持续提高，特别是近二十年来，攀升速率明显加快。

●现代造船体制以成组技术和并行工程为主导的现代造船体制的建立，实现了中间产品专业化生产；

●先进制造装备智能技术为手段的切割、加工、装配、焊接和涂装的机器人与自动化装各的全面研究开发、推广应用；

●有效信息集成技术的充分应用，网络集成系统正在向“虚拟企业”方向发展，以建立造船的连续采办与全生命周期支援系统，即CALS的应用实施，都是在向系统集成即实施网络集成系统的方向发展。

基于上述技术进步，日本每家骨干船厂的职工由70年代的万人左右，下降到800-1300人。

日本全国造船工人也由十多万减少到2万，提高了效率，降低了成本，并从根本上改变了传统造船业的“肮脏、困难、危险”劳动力密集的状态，成为现代化按流水线方式生产的高技术产业。

韩国为加快本国造船业的发展，投入巨资建造大型船坞，扩充造船设施，同时积极引进了日本退休的造船人才，全面实施现代造船体制。

通过推行造船精度控制技术，简化了造船工序，大幅度降低了工时消耗，建立了网络集成系统。

随后又引进CALS系统，试图建立造船虚拟企业。

2000年韩国的造船产量首次超过日本（韩国1200万吨，日本980万吨），成为世界第一造船大国。

韩国造船工业发展的过程：

1994年前，投入巨资扩充造船设施

1995年起，强化信息技术在造船设计、制造和管理中的应用管理软件能够控制每个工人的每天工作内容

“现代重工”造船产量由1995年30艘，提高到2000年100艘

2000年，韩国造船产量（1200万吨）首次超过日本（980万吨）

美国率先提出了“先进制造技术”（AMT--AdvancedManufacturingTechnology）的概念，得到世界工业化国家的普遍响应。

美国海军管辖的“全国造船研究组织”与日本联合开展了“先进的造船体制和技术”（ASSAT--AdvancedShipbuildingSystemAndTechnology）的研究，创建了为全球造船界公认的现代造船理论。

美国设计建造海狼级核潜艇时，全面运用了“模块技术”和“信息技术”，在潜艇设计中运用“并行工程”技术，不仅满足了产品功能需要，更重要的是考虑建造的需要；即以各级模块化“中间产品”的组合，建造整艘潜艇。

使用计算机共用数据库，100％交互的三维数字模型，替代了传统昂贵的全尺度实物模型。

全美六大造船公司率先联合建成基于信息技术的造船虚拟企业（动态联盟）。

它联合了造船的分包商、供应商和舰船使用、检验、研究部门。

造船虚拟企业采用能交互的、一致的定义和设计、建造过程的控制方法，实现了造船CAL系统。

1．3国内造船业信息技术发展状况

20世纪60年代，我国启动了计算机技术在造船中的应用研究，自主开发和实际使用了计算机辅助船舶性能和结构的计算、船体建造系统（HCS）和管子加工系统（PCPS）。

“七五”和“八五”期间又自主开发了计算机辅助造船集成系统（CASIS）、计算机辅助柴油机制造集成系统（CADI）和计算机辅助海洋工程设计集成系统（CAMIS），显示了我国船舶工业计算机应用的进展，这些系统在当前我国主要船厂船舶设计和生产中继续发挥着作用[1][2]。

“八五”期间，我国骨干船厂引进了先进的造船CAI）设计软件，大大减少了设计和制造中的修改工作量，提高了设计质量，缩短了设计周期。

我国渤海船厂、沪东船厂和广船国际作为863计划：

计算机集成制造系统CIMS应用的示范工程，通过硬件和软件配置，联网和集成，初步实施了设计、建造和管理信息在船厂范围沟通和有效运行。

三家船厂的CIM示范工程均通过了863专家验收[3]。

第二章计算机集成制造和现代集成制造系统

2．1计算机集成制造CIM

计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM），最早由美国的约瑟夫·哈林顿（J．Harrington）博士于1973年提出。

哈林顿认为，企业的生产组织和管理应该强调两个观点，即：

（1）企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑；

（2）整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。

哈林顿强调的一是整体观点，即系统观点，二是信息观点。

两者都是信息时代企业组织和企业管理最基本、最重要的观点。

可以说，CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。

基于这一哲理和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems，CIMS）。

对于CIM和CIMS，至今还没有一个公认的定义。

因此，了解其内涵的发展过程有助于加深对CIM和CI胍的理解。

美国制造工程师学会计算机与自动化系统协会（SME／CASA）用轮图形象地表示对CIM的理解，在1985年给出了一个CIMS轮图。

1987年，中国863计划CIMS主题专家组认为：

CIWS是未来工厂自动化的一种模式，它把以往企业内相互分离的技术（如CAD、CAM、FMC、CIMS等）和人员，通过计算机有机地综合起来，使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行，从而提高企业对多变竞争环境的适应能力，使企业经济效益持续稳步地增长[4][5]。

中国的这一认识比美国制造工程师学会计算机与自动化系统协会定义有所发展，其发展表现为：

一是考虑了人的集成，二是将CIMS的目标明确地表达出来。

1991年日本能源协会提出：

CIMS是以信息为媒介，用计算机把企业活动中多种业务领域及其职能集成起来，追求整体效益的新型生产系统[6]。

欧共体CIM／OSA认为；CIM是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由此，企业的所有功能、信息和组织管理都是集成进来的整体的不同部分[7][8]。

1992年ISOTCl84／SC5NVGI提出：

CIM是把人、经营知识和能力与信息技术、制造技术综合应用，以提高制造企业的生产率和灵活性，将企业所有的人员、功能、信息和组织诸方面集成为一个整体[9][10]。

美国SME于1993年提出了CIMS的新版轮图。

该轮图将顾客作为制造业一切活动的核心，强调了人、组织和协同工作，以及基于制造基础设施、资源和企业责任之下的组织、管理生产的全面考虑。

经过十多年的实践，中国863计划CIMS主题专家组在1998年提出了CIMS的新定义：

“将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。

通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、资金流的集成和优化运行。

达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的T（时间）、Q（质量）、C（成本）、s（服务）、E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力[4]。

2．2现代集成制造系统CIMS

与计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）相比，现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）不仅重视信息集成，而且强调了企业运行的优化。

现代集成制造系统是一个先进的技术系统，但更应强调先进的经营思想和运行模式。

在国际贸易高度发展的今天，任何新技术、新软件、新设备，都可以从市场上买到。

但是，“集成”是不能从货架上买来的。

而企业竞争能力的差别就可能主要取决于集成的好坏。

或者说，信息化不仅是引进信息技术，更主要是用好这些技术，让它产生尽可能大的效益。

CIMS中的“C”经过发展深化由“计算机”拓展为“现代”。

“现代”的含义是；计算机化、信息化、智能化和绿色化。

“集成”也从信息集成（含功能集成）拓展为过程集成，人（人／组织）、管理、技术三要素集成，信息流、物流、价值流的集成优化，CIMS相关技术和各类人员的集成优化，以及企业间集成。

其要点如下：

●CIM所指的系统集成是：

“信息集成”，“过程集成”，“企业集成”，异地设计、异地制造，多供应商、多销售中心的企业集成。

●信息集成要做到在正确的时间、正确的地点、以正确的方式、为正确的人提供正确的信息。

●过程集成就是在完成过程之间的信息集成，和协调后进一步消除过程中各种冗余和非增值的子过程（活动），以及由人为因素和资源问题等造成的影响过程效率的一切障碍，使企业过程总体达到最优。

●企业问集成：

同类企业基于“核心能力”（corecompetence）组成“动态联盟”（或称“虚拟企业”virtualenterprise）；不同类企业基于“供应链”（supplychain）实现的集成，或称“广义企业”（extendedenterprise）。

2．3本章小结

本章研究了计算机集成制造CIM定义的发展，讨论了CI惦的概念中从计算机集成制造系统发展深化为现代集成制造系统的过程。

第三章上海外高桥造船有限公司SWS—CIMS概况

3．1上海外高桥造船有限公司SWS

（1）基本情况

上海外高桥造船有限公司一期建设项目是经国务院批准的“九五”重点工业建设项目，是目前中国技术设备最先迸的大型现代化总装船厂。

坐落于上海市浦东新区长江口南港河段南岸（邻近外高桥保税区）。

由中国船舶工业集团公司（CSSC）、上海宝钢集团公司、上海电气（集团）总公司、中国船舶工业贸易公司联合出资建设，其中CSSC占一半以上股份。

规划占地总面积210万平方米，分二期建设。

一期工程于1999年lO月18日开工。

占地面积144万平方米，岸线长度1500米，建筑物19万平方米。

建设项目包括：

两座大型造船坞，各配置600吨门式起重机l台；舾装码头643米，配置32吨门座式吊车2台；钢材切割、平面分段、曲型分段、分段涂装等生产中心。

造船生产线整体布局呈“u”字型，工艺合理、流程顺畅，采用计算机集成系统辅助设计、制造及管理。

一期工程已按“三年建成出船，四年收尾竣工”的建设目标完成。

（2）生产能力

一期工程完工后，生产效率为25MH／GT（兆工时／修正总吨），形成年造船总量105万载重吨的能力，修船4亿元／年（以船舶改装为主）。

二期工程完工后年造船总量将达到180万载重吨，目标劳动生产效率为20MH／GGT。

（3）产品种类，技术含量，结构特点

上海外高桥造船有限公司承建超大型、高技术、高附加值的各类船舶和海洋工程构造物，以建造10-30万吨级的大型船舶为主，兼及大型集装箱船或其他物价值船舶。

以30万吨级大型油船（VLCC）、17万吨级好望角型散货船、16万吨级苏伊士型油轮、10万吨级Aframax型油船等船舶为代表产品。

（4）公司生产组织机构

上海外高桥造船有限公司按现代造船理论设计建设，按“制造中心”的建制，根据船舶结构和其所需的制造资源的相似性，遵循分道建造和并行工程原理，立足于社会化协作的总装造船，已建成切割配送、单壳模块、曲面模块、单元舾装、涂装和总装制造中心，二期将建设双壳模块中心。

每个“中心”是相对独立的责任生产单元，例如，单壳中心的责任不只是平面分段结构的装配焊接任务，还包括制造平面分段所需钢板的切割和在分段上安装舾装件等作业。

各制造中心的主要任务如表3．2所示。

“中心制”模式与物流见图3．1。

（5）公司生产组织方式

上海外高桥造船公司的发展定位是建成国内领先、世界一流的现代船舶总装厂．公司通过学习、借鉴、消化国内外先进的造船管理思想的基础上，确定了“造船总装化、作业区域化、管理复合化、配套社会化”的生产管理机制。

中心制造船模式以总装化思想为先导，不同于车间管理模式，是一种结合了专业性与综合性的优势，全新的综合型生产组织方式。

生产运作过程以计划为导向，各生产中心形成相对封闭的责任单元，完成按作业指令的中间产品，实施精益化管理，实现质量、进度、成本三可控，且最终达到全局利润最优的目标。

制造中心造船模式构思的基本原则：

1）中心是制造产品的一种生产资源，是包括各种生产能力单元的基本实体。

2）每个生产中心侧重于某种“中间产品”

3）“专业化”、“区域化”与“综合化”有机结合

4）从作业的封闭性达到责任的封闭性

（6）主要先进设备

无论是厂区规划还是建造设备，外高桥造船有限公司在国内外都是一流的。

主要加工设备有：

船坞：

一号造船坞480米长×106米宽

二号造船坞360米长×76米宽

起重机：

（一期工程各1台、二期工程各2台）

一号造船坞600吨门式起重机（轨距185米）

二号造船坞600吨门式起重机（轨距155米）

其它设备：

400吨数控肋骨冷弯机

型钢自动划线切割流水线

2200吨21米三辊卷板机

数控等离子切割机4台

型钢／钢板预处理流水线1条（全长180．74米）

钢板预处理流水线1条（全长180．74米）

平面分段流水线22．5米×20米

平面分段流水线20米×20米

3．2SWS-CIMS的需求

3.2.1SWS存在的主要问题

外高桥船厂虽然是21世纪新建的企业，但在信息化建设上也面临着前述国内船舶行业普遍遇到的问题。

由于没有实现CIMS，信息数据只能手工收集处理，效率较低。

具体表现在：

（1）信息采集手段落后，收集生产数据困难。

由于信息共享度低，且多为手工输入，反馈速度慢，难以分类汇总及迅速检索。

（2）缺乏一体化的设计，与生产进程联系不够紧密，生产设计图纸中物量及制造信息没能充分反映，相关数据库有待建立与充实。

不能自动更改设计错误，不能自动抽取有关信息生成BOM（物料清单）表，供后续工序或软件应用。

（3）缺少严密精细的生产日程计划系统，难以每日对作业班组、场地、设备及物资等方面做预先安排。

难以实现与生产中心模式相匹配的计划管理与工作流程控制；难以模拟、分析计划进程，对人力、设备进行资源平衡。

（4）在中国造船企业中，材料设备成本要占造船成本的60-70％以上。

由于缺少统一的物流管理系统，对物资采购、仓储配送的时间、位置及数量难以有效控制。

（5）缺乏预算管理系统，由于缺少计划、物资等系统配套，成本信息不充分，难以实现对人力、物资、设备及资金的准确控制。

3.2.2实施CIMS的必要性

船舶CIMS以先进的制造理论和现代科技手段，全面优化造船全过程的各个层次的每项工作。

船舶CIMS是增强造船行业整体能力和实力的复杂巨系统。

建立船舶CIMS不只是外高桥造船有限公司的紧迫需要，更是中国造船业生存和发展的紧迫需求。

（1）先进造船模式的建立需要CIMS

传统造船模式以工种专业化的哲理组织生产，效率低下；现代造船模式以“中间产品”专业化生产为导向，实现了船舶生产的优质、高效和低成本。

中国造船业自1995年起以极强的行政力度推行船舶建造模式转换，在提高生产效率方面仅仅是初露端倪，尚未取得突破性的进展。

生产“中间产品”的扁平的“制造中心制”在外高桥造船有限公司已经初见规模。

空间分道，时间有序，壳、舾、涂不同性质作业并行协同秩序远未实现。

船厂生产作业还处于传统造船模式的“肮脏、困难、危险”的状态。

CIMS的主要组成部分之一是以先进管理技术改造落后的生产组织体制和生产方法，是与造船业建立先进生产模式正相吻合。

CIMS的另一个主要组成部分是信息集成，它在先进

造船模式的运行中，起到了不可缺少的“神经网络”的传感作用；把准确的信息，及时转达到所需的地方；为总的造船目标，控制及管理生产过程中的每项工作[1][2][11][12]。

（2）现代造船装备的运作需要CIMS

外高桥造船有限公司装备有各种数控的设备、自动化的大型装置、成套的多功能流水线等。

而要使现代造船装备高效运行的支持条件是：

第一，现代造船模式的精度控制造船技术，以“补偿量”替代“余量”，船舶制造过程中实现“一次切割”的加工和“一次定位”的装配作业。

第二要依靠现代造船模式的“制造中心”建制的同类“中间产品”集中组织生产，保证设备的利用率提高。

第三，要依靠信息技术为造船现代装备提供数字化的制造信息，含“中间产品”的加工和管理信息。

上述三个支撑条件正是我国造船业所不足的，急待健全，也正是船舶CIMS的研究开发的主要内容。

3．3本章小结

本章介绍了上海外高桥造船有限公司的企业概况，企业经营目标及思路。

研究了SWS-CIMS的需求分析，以及SWS存在的主要问题并对外高桥造船厂实施CIMS的必要性进行了分析，指出了外高桥实旌CIMS的必要性和迫切性。

第四章SWS-CIMS技术方案及系统组成

4．1SWS-CIMS的目标

4．1．1SWS-CIMS的总体目标

从企业经营战略目标出发，运用现代管理技术、信息技术、自动化技术、系统工程、计算机软硬件技术等，实现企业生产经营过程中的人力资源、信息、物流和价值流的有机集成和优化运行，并在产品质量、生产成本、生产周期等方面达到总体最优，提高企业的快速应变能力和综合竞争能力[14-17]。

信息化是推动传统造船业现代化的有力措旖，以信息化手段推动船舶工业现代化并逐步走向信息密集型是SWS-CIMS的设计的总目标。

具体包括以下内容：

（1）建立以信息化为基础的现代造船模式

一个成功的船舶CIMS应与相应的造船模式相对应，本方案以中心制造生产模式进行系统的构造，体现总装化造船思想和精益管理理念。

以船舶设计、生产、管理一体化为主线，以船舶建造为主要生产对象，利用先进的船舶制造软件开展生产设计，并提供技术工艺、物流、计划、人员组织等相关信息。

（2）形成具有可持续发展的框架

将可持续发展的概念和思想引入SWS-CIMS，在SWS—CIMS规划、设计和实施过程中处处贯彻可持续发展的思想，在产品的整个寿命循环过程，即从市场调研、产品规划及设计、产品制造、产品包装发运、产品的安装维护到产品的使用以及产品报废后的回收处理及再利用的全过程实施严格的管理，充分考虑能源资源的合理利用，考虑环境保护和劳动保护，使SWS-CIMS在生产过程和产品两方面都具有“绿色”特性。

通过清洁化生产分系统实现了制造企业、顾客和社会的连接。

（3）建立SWS-CIMS集成应用支撑平台

SWS-CIMS是提高造船行业竞争力的有效手段。

实施SWS-CIM