基于WMS系統的核電廠工具管理系統開發及應用

吳 敏，蘇海北

（山東核電有限公司，煙臺 265116）

為了保證核電廠維修工作的安全性、規范性和質量的可追溯性，國內大多數核電廠都采用向檢修單位、檢修人員提供檢修工具的工作方式。一般情況下核電廠工具的使用高峰期為停機換料大修期間，同時開展數千項工作、投入使用數萬件工具，這就要求核電廠要有一套準確、高效的工具管理系統，對工具的采購、入庫、借用、歸還、保養、維修、檢定、盤點、報廢等全部過程內的狀態進行跟蹤管理，并形成真實、有效的存檔記錄。工具管理體系至少要實現高效服務于生產活動、精細管理工具資產和準確的質量數據溯源三大功能。

國內某三代核電廠的工具管理系統在電廠投運初期依托MAXIMO 系統進行開發，形成了較為完備的工具管理體系。隨著工業自動化的發展和精細化管理的需求，智慧化倉儲管理系統的作用越來越突出，它具有提高作業管理效率、提升倉庫管理員管理水平、縮減勞動工作量、降低誤差概率、提升空間利用率等多方面的優點［1］，已經成為核電行業倉儲管理的主要發展趨勢。在集團公司ERP（Enterprise Resource Planning）項目建設的大背景下，核電廠檢修工作對工具管理的精細化、智能化和協同化提出了更高的要求，原本依托MAXIMO 系統開發的工具管理系統無法更好地實現功能需求，轉而進行基于WMS 系統（Warehouse Management System）的全新工具管理系統開發，以實現工具的出入庫管理、庫內管理、報表管理、權限管理等［2］全方位的智能化提升。同時核電廠物料主數據、采購、成本等相關管理系統由CMIS（Contemporary Integrated Manufacturing System）遷移至SAP（Systems Applications and Products）進行同步開發。

1 功能需求與系統接口

工具管理是物資管理的一部分，作為可重復性使用的物資要在不同工作場景中進行流轉，物資狀態隨場景變更而變更并形成有效的循環。工具類物資從提出需求到退出使用主要經歷的環節如圖1 所示，采購管理和資產管理分別是工具管理的上、下游管理接口，遵循上下游管理要求，在管理系統中表現為工具管理系統開發的協同性。

圖1 工具類物資管理的主要環節Fig.1 The main link of tool material management

1.1 工具管理系統功能要求

工具管理的目的是持續、高效地向生產維修工作提供安全、可靠、充足、準確的工具。工具管理功能的所有要求都是圍繞著服務生產這一目標展開的，因此功能要求主要有以下三個方面。

（1）每件（套）工具具有唯一識別碼。工具作為物資的一種，在SAP 中由物料主數據系統進行數據管理，同一種規格型號描述的物資擁有相同的物資屬性，用同一個數字編碼標識，稱為物資編碼。每件（套）工具作為一種有形的資產，可重復性使用，具有一定的使用壽命，而且核電廠生產工作要求部分特殊工具在使用壽期內要進行多次檢定、校準、測量、保養、維修等工作，會形成大量的與單個工具個體相匹配的數據記錄。核電工具的這一特性要求每件（套）工具要有一個身份識別信息，稱為資產編碼。這一系統功能要求工具使用壽期內所有的使用、操作記錄和個體匹配的業務活動數據［3］都要與資產編碼進行有效關聯。

（2）用戶權限管理。工具管理用戶分為兩種：一種是工具管理員，一種是工具借用人。對工具管理員來說，除了工具庫房內的常規倉儲管理外，還要對借出的工具進行使用跟蹤，對安全工具、計量工具、起重工具、電動工具等有使用有效期限制的工具進行有效管控。對于借用人來說，工具借用歸還界面操作應簡單、便捷，界面信息準確、有效。對于使用技術難度大、危險系數高的工具應對借用人設定有效的權限控制，并有效管理借用人權限的時效性。

（3）質保信息追溯。每件（套）工具都有唯一識別碼，對應每件（套）工具全壽期內產生的質量保證記錄具備可追溯性，為維修活動提供工藝質量保證［4］。例1：某個工單中某個關鍵步驟產生的數據是由A 工具測量所得，可查詢信息包括：A 工具在此時間段是由B 工作人員在C 工具庫中借用的，A 工具在X 年X 月X 日由D 計量檢定機構檢定，檢定結果合格，有效期至Y 年Y 月Y 日；例2：a 工具在最近的一次計量檢定中判定不合格，a 工具在上一個使用周期自×年×月×日至送檢之間的時間段內，有b、c、d 等人借用過，分別使用在工單e、f、g 的工作中，a 工具的檢定不合格對工單e、f、g 的工作是否造成質量影響可以進行評估。

（4）數據報表及數據分析。工具管理過程中產生的數據是生產維修工作對工具需求的具體體現，工具管理系統可以利用一定周期內的數據進行分析，智能化地判斷工具的使用情況：配置是否平衡、型號是否需要調整、數量是否需要補充。通過智能判斷給出工具配置的調整意見，持續優化工具配置。

1.2 工具管理與采購和資產管理的接口

原有的采購管理和資產管理系統在CIMS系統中，而原有的工具管理系統在MAXIMO 系統中，數據不共享，造成工具物資的采購信息只能依靠人工進行輸入，即工具物資在完成采購與入庫流程后，工具管理人員在采購管理系統中完成驗收與領用審批，生成領用單，以領用單為數據依據，錄入工具管理系統，生成并打印工具資產標簽，完成資產上架。

工具管理系統遷移至WMS 系統的同時，物料主數據、采購、成本等相關的采購管理和資產管理系統遷移至SAP 系統中。WMS 與SAP兩個系統之間采用接口集成的方式進行數據傳輸，實現信息傳遞及交互，將后端操作與前端業務關聯，實現精細化管理的同時也做到一體化管理。WMS 與SAP 系統都具有物料倉儲管理的功能，相較于SAP 系統的倉儲管理功能，WMS 系統主要負責倉庫內物料存放貨位的管理，既可記錄庫存數據，又可控制自動化設備的運行，其不僅關注結果，也注重過程指導和控制，更為靈活及適用［5-6］。

1.3 工具管理與工單管理的接口

該核電廠生產管理系統在MAXIMO 系統中，所以與生產直接相關的工單管理和新開發的工具管理分別在不同的系統中工作，這樣造成工單與工具相關聯的數據需要預設接口并允許部分數據的相互調用。工具管理系統與工單管理系統之間的關聯關系如圖2 所示。

圖2 工具管理系統與工單管理系統之間的關聯Fig.2 The relationship between the tool management system and the work order management system

（1）在核電廠中，按照質量保證、工業安全和計量管理的要求：工作中使用的計量工具、電動工具、吊裝工具和安全工具等，應在工作記錄中詳細記錄工具資產號、名稱、規格型號及有效期；若某計量工具在周期性檢定中結果為不合格，應當追溯其上次檢定合格到本次檢定的時間區間內，有哪些工作使用了此工具，是否對工作造成影響，是否需要數值復測。

（2）按照此核電廠工單管理的相關要求：工單準備階段要填寫工具需求，即可以在工單中的工具需求欄中直接讀取并選擇需要使用的工具（形成物資編碼列表）；工具管理系統中創建的工具借用單可以實現一鍵調用工單中工具需求欄的內容；通過調用工單工具需求觸發的工具借用單，實際借用的工具清單（形成資產編碼列表）可以反傳給工單形成工具記錄，最終體現在完工報告中。

（3）在核電廠中，雖然專用工具是按照工具管理進行物資管理的，但因其具有功能特殊性高、性能要求高、可替代性低等特點，要求用戶需要對專用工具進行周期性的維護保養，以保證其可用性。簡單專用工具維護保養工作在工具管理系統中工具保養模塊周期性開展，形成維護保養記錄。但有些專用工具的保養工作作業相對復雜、風險較高、有質量控制要求或者是對在線運行設備有一定的風險影響時，保養執行人員會采用工單執行的方式由生產管理相關流程的審批進行。這一系統功能要求工具管理系統中工具保養模塊可以讀取工單相關信息以保證專用工具保養周期性執行記錄的連貫性。

1.4 新舊數據銜接

為了保證工具管理使用的銜接性，原有的MAXIMO 系統中的工具數據需要遷移至新的WMS 系統中。MAXIMO 系統工具管理模塊使用約10 年，資產數據6 萬余條，借用數據55 萬余條，另有數萬條檢定和保養信息。新舊系統切換需要對數據進行重新整理和遷移，工作量較大。

而且因為主數據系統變更的緣故，原有物資編碼在SAP 系統中發生了變化，新舊物資編碼對照與關聯在使用新系統后會成為一個新的挑戰：新系統中的數據是否能與原系統中的歷史數據形成有效的數據鏈保證數據的追溯性。

因此新系統投用時原系統停止服務但不刪除數據，以停用時刻的數據作為新系統的初始數據，歷史數據在原系統查詢，新產生的數據在新系統查詢。因主數據系統變化而造成的物資編碼發生變化，新系統中要同時存在新舊兩套物資編碼以方便用戶查詢使用，因此需要開發新舊物資編碼對照關聯功能，新舊編碼同時可用。

2 工具管理功能升級

本次工具管理系統的開發，是在已有的工具管理模式下通過更換管理系統進行的管理升級，在已成熟的管理流程的基礎上增加了移動化工作終端、精細化庫位規劃、智能化數據分析等功能，另做了無人化功能的拓展規劃。下文將針對新增功能開發進行論述。

2.1 移動化工作終端

由于核電廠內部辦公業務所用的信息內網與外部網絡是隔離開的，因此在移動終端開發和信息數據上會受到一些限制。隨著網絡技術的發展和內部網絡信息管理技術的不斷提升，在此次的工具管理系統開發中，操作模塊采用了PDA 和企業APP 兩種移動化工作終端的形式。移動化工作終端極大地提升了工作效率，相較于人工輸入數據的方式大大降低了失誤率。企業APP 的使用極大地方便了工具使用者的業務辦理的體驗，減少了業務等待時間，提升了生產工作效率。

（1）PDA

PDA 因其便攜性、實用性等特點，具有數據實時采集、自動存儲、即時顯示/反饋、自動傳輸等功能［7］，被廣泛使用在倉儲管理業務中。在工具管理系統中，PDA 可以完成物資入庫、上架、下架、借用、歸還、盤點、查詢等多項業務處理。在實物保護區域外的工具庫房，工作人員通過專用5G 無線網實現PDA 掃描數據實時傳輸。在實物保護區域內的的工具庫房，PDA 采用離線的方式進行數據掃描和存儲，工作完成后通過數據線進行數據傳輸。

（2）企業APP

本次的開發項目在企業APP 中增加工具管理中的審批管理功能。企業APP 通過專屬的隔離裝置可以實現利用互聯網安全地訪問信息內網，工具管理人員和工具使用人員通過智能手機安裝企業APP 并獲得授權后，可以在相應的工作模塊中進行工具授權、借用、損壞、遺失、維修等相關審批業務處理、業務跟蹤查看及工作信息提醒等。

2.2 精細化庫位規劃

利用WMS 系統的精細化貨區、貨位的管理功能，以及推薦規劃路線的功能，倉儲管理人員重新細化各類工具的存放貨位，資產編碼與貨位編碼精確匹配，根據庫房貨架的排放情況制定貨位編碼規則，通過系統自動規劃最優上架/下架路徑，避免因人員經驗不足在多個貨架之間無效往返造成工作效率下降。常見的推薦路徑形式如圖3 所示。精細化庫位與路徑優化的使用，平均每個借用單預計縮短約40%的時間。

圖3 兩種不同形式的推薦路徑Fig.3 Two different forms of recommended paths

2.3 智能化數據分析

核電廠中會根據使用區域劃分設置多個工具庫房，例如常規島工具庫、X 號機組核島工具庫、去污熱檢修車間工具庫等。因工作需求的變化，各工具庫的工具配置類型和配置數量會發生變化，工具庫之間會有工具的流動和轉移。智能化數據分析會通過一個時間周期內的各庫房工具使用情況，給出下一階段工具類型和工具數量配置推薦，結合工具殘值和維修成本給出補充采購、維修或報廢的建議，并根據某一時間段放射性玷污工具的數量變化給出輻射控制區內的控制預警。智能化數據分析示意圖見圖4。

圖4 智能化數據分析示意圖Fig.4 Intelligent data analysis diagram

2.4 多功能報表

工具管理系統應按照核電廠內的管理要求對工具使用情況、工具周轉情況、工具狀態等參數進行監督，并實施預警，提前消除一些可預見性的不規范行為。例如：

（1）借用工具即將到檢定有效期且未歸還，向借用人和工具管理員發出預警；

（2）借用工具即將到申請的使用期限且未歸還，向借用人和工具管理員發出預警；

（3）待維護、保養、維修的工具到達維保期限1 個月未完成，向維保人員發出預警；

（4）統計某一時間段內工具的周轉率、修復率、損壞率等數據；

（5）統計人員在工具借用授權期限內的用戶活躍程度，凍結長期不活躍用戶工具借用權限。

多功能報表的預警功能充分與用戶工作臺、郵箱和企業APP 相結合，及時推送預警信息，提高用戶處理業務的時效性。

2.5 無人化功能拓展

無線射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID）作為物聯網感知數據的重要技術手段之一，在工業、農業、軍事等諸多領域應用成熟廣泛［8］?，F在市場流通的PDA 主流型號既可以掃描條形碼、二維碼等圖片型標簽，也可以讀取RFID 標簽。通過5G 專網的搭設，在部分工具庫中建立5G 通訊網絡，實現移動設備的無線數據傳輸。在搭建了RFID 讀取裝置、門禁管理裝置、視頻監控裝置等設施后，對工具進行加裝RFID 標簽改造，即可以實現借用人自助借用、歸還工器具的場景，無須工具管理員干涉，打造成按需取用、自動記錄、零等候的無人化工具庫。對于輻射控制區工具庫，則需要將無人系統輻射監測技術［9］與工具管理系統有效結合，實現無人化管理。

3 結論

核電工具管理精細化是核電維修質量保證的具體表現，工具管理系統的升級也是對精細化管理的實踐應用。本文以某核電廠工具管理系統開發為例，具體描述了核電工具管理的要求和系統的功能實現。移動化工作終端的使用可以很大程度上降低對工具管理員的工作經驗的依賴和借用人的等候時間，企業APP 的功能使用打破了傳統的工作空間和時間的界限，很大程度上提升了工作的準確性和時效性，極大地提高了用戶的體驗度。智能化數據分析功能可以很好地輔助工具管理人員對管理要求、采購策略或工作計劃作出決策，形成工具管理和工具配置的標準化。同時，升級后的工具管理系統預留了無人化自助工具借用的拓展空間，可為智能物流模式打下基礎。