面向飛機裝配的MES系統(tǒng)研究

1、面向飛機裝配的MES系統(tǒng)研究作者：西北工業(yè)大學(xué) 董會波 許建新 董思洋    來源：航空制造技術(shù) 制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecution System, MES）是連接企業(yè)上層管理系統(tǒng)與下層自動控制系統(tǒng)的橋梁，起著信息傳遞與溝通的作用，其重要程度越來越多地得到制造企業(yè)的關(guān)注。MES作為當前制造業(yè)信息化領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點，已經(jīng)成為一個不爭的事實。針對我國飛機裝配的特點和車間生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，研究飛機裝配的制造執(zhí)行系統(tǒng),對促進我國飛機裝配企業(yè)制造信息和自動化的建設(shè)具有重要意義。 飛機裝配車間的管理現(xiàn)狀及MES特點 飛機裝配過程是一個復(fù)雜的過

2、程，與一般的機械產(chǎn)品相比，主要具有以下特點： （1）飛機裝配過程中包含大量的零件、部件、工裝夾具和設(shè)備等制造資源； （2）飛機裝配過程中涉及大量工裝制造和協(xié)調(diào)工作，而且裝配質(zhì)量要求嚴格，機身裝配要確保氣密性，機翼裝配要確保剛度和水平度等； （3）飛機裝配必須按客戶訂單進行計劃生產(chǎn)，按批架次進行管理； （4）飛機裝配涉及部門眾多，工作量大，周期長，設(shè)計更改頻繁。 飛機裝配生產(chǎn)管理中存在大量的物流和信息流，管理涉及的面廣，難度大。在對裝配車間管理的過程中不僅需要從生產(chǎn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息，而且需要隨時獲取其他的管理系統(tǒng)( 如物料采購系統(tǒng)、市場銷售系統(tǒng)等) 中的信息。同時，其他管理系統(tǒng)也需要從車間生產(chǎn)管

3、理系統(tǒng)獲取必要的數(shù)據(jù)信息。 飛機裝配過程涉及到設(shè)計部門、工藝部門、生產(chǎn)部門與管理部門等眾多部門，并且裝配過程復(fù)雜多變，給生產(chǎn)與管理帶來許多不便。面向飛機裝配MES系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的車間或者生產(chǎn)廠的管理相比，具有以下顯著特點： （1）整體性。 針對飛機裝配過程的MES能夠使得飛機制造過程中所涉及的部門減少協(xié)調(diào)時間，提高企業(yè)各部門的工作效率，建立良好的部門通信協(xié)調(diào)以及反饋機制。 （2）動態(tài)性。 飛機裝配過程的MES能快速向計劃管理層反饋生產(chǎn)現(xiàn)場的具體情況，計劃層及時對生產(chǎn)計劃進行調(diào)整，并將調(diào)整計劃通過MES傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)對計劃的快速反應(yīng)。 （3）面向客戶性。 在制造過程的各個環(huán)節(jié)中均考慮到客戶的

4、需求，使得產(chǎn)品的最新要求能夠融入到生產(chǎn)過程中，最終保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 面向飛機裝配MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能模塊研究 面向飛機裝配的MES系統(tǒng)為了方便現(xiàn)場操作和系統(tǒng)的靈活性，采用C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)相混合的方式，如圖1所示。 一部分查詢、瀏覽和工位操作等與現(xiàn)場工作人員結(jié)合比較緊密的功能采用B/S方式實現(xiàn)，如車間現(xiàn)場的工藝瀏覽功能、任務(wù)查看和綜合信息的展示等；其他功能大多采用C/S方式實現(xiàn)，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理等。 結(jié)合飛機制造企業(yè)信息化的發(fā)展情況，分析裝配過程的業(yè)務(wù)流程，面向飛機裝配的MES系統(tǒng)的主要功能模塊如下。 1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是整個MES系統(tǒng)實現(xiàn)的1個基礎(chǔ)模塊，它既要向本系統(tǒng)的各個

5、模塊（如裝配計劃、裝配過程控制、質(zhì)量分析等）提供各種資料和數(shù)據(jù)，還要接受來自企業(yè)其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及向其他系統(tǒng)反饋現(xiàn)場信息。該模塊維護的各種數(shù)據(jù)與其他模塊和系統(tǒng)的信息交互見圖2。 2裝配生產(chǎn)計劃與調(diào)度管理模塊 該模塊的主要功能包括計劃導(dǎo)入、計劃編制、計劃查詢和計劃下達，該系統(tǒng)的總生產(chǎn)計劃由ERP系統(tǒng)導(dǎo)入，再根據(jù)各個車間進行任務(wù)的合理編制并下達相應(yīng)車間進行車間裝配生產(chǎn)；根據(jù)車間裝配生產(chǎn)計劃及各生產(chǎn)指令和物料準備情況，適時制定、調(diào)整各班組的周生產(chǎn)計劃；確保生產(chǎn)計劃節(jié)點完成生產(chǎn)任務(wù)。 3裝配作業(yè)管理模塊 裝配作業(yè)管理模塊是整個MES的核心，用來控制和協(xié)調(diào)計劃訂單在車間現(xiàn)場的執(zhí)行過程。該功能模塊可以根據(jù)

6、企業(yè)對產(chǎn)品的復(fù)雜程度以及計劃控制粒度靈活設(shè)置現(xiàn)場生產(chǎn)管理的層次和可控制點數(shù)，具有制造單元或設(shè)備的任務(wù)排序和負荷調(diào)整能力。作業(yè)管理模塊與基于條碼技術(shù)的數(shù)據(jù)采集過程、質(zhì)量檢查過程、故障處理過程和質(zhì)量跟蹤過程實現(xiàn)無縫集成。裝配作業(yè)管理模塊可實現(xiàn)不同生產(chǎn)方式的結(jié)合，以保證整個企業(yè)的需求為目標，其功能見圖3。 （1）車間訂單管理：根據(jù)裝配計劃管理模塊下發(fā)的裝配計劃或者派工單將整個車間的裝配任務(wù)分解成為按順序排列的若干分段計劃，以管理裝配的縱向協(xié)同。 （2）生產(chǎn)準備管理：生產(chǎn)準備為車間生產(chǎn)作業(yè)管理的重要內(nèi)容，主要職責包括工具工裝可用性檢查、標準樣件可用性檢查、設(shè)備可用性校核、提前期校核和物料可用性檢查。

7、（3）工序作業(yè)計劃管理：按照工作訂單和車間訂單的時間節(jié)點要求，采用最小加工周期確定工序的最早開工和最晚完工時間。將整個車間的裝配任務(wù)分解成按工序順序排列的工序計劃，以管理需求物件在車間內(nèi)部流轉(zhuǎn)的縱向協(xié)同。確定每臺設(shè)備或者每個工人在較短期間內(nèi)的任務(wù)次序，進行裝配任務(wù)的橫向協(xié)同。 （4）工序計劃維護：工序計劃維護功能主要是為適應(yīng)企業(yè)批量投入分批產(chǎn)出習(xí)慣而專門設(shè)置的。主要任務(wù)是：對已開工批次的工序作業(yè)計劃，因臨時任務(wù)調(diào)整，分批進行生產(chǎn)，從完工的工序開始，生產(chǎn)新的工序作業(yè)計劃并記錄原工序作業(yè)計劃的批號和任務(wù)號；當發(fā)生工序順序變化和工序超越、臨時增加工序時，生成新的批次號，打印新的工藝流程卡，記錄工藝臨

8、時更改單號。 （5）數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控：在數(shù)據(jù)采集中，主要采用與軟件集成封裝的條碼數(shù)據(jù)采集技術(shù)進行生產(chǎn)進度和質(zhì)量狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和輸入，以提高現(xiàn)場信息采集的精準度和效率；在裝配的重要裝配區(qū)和關(guān)鍵點進行實時監(jiān)控來確保裝配的質(zhì)量，減少人為因素對裝配質(zhì)量的影響。 （6）追溯功能：根據(jù)工序點采集的質(zhì)量信息，可以向前和向后追溯質(zhì)量狀態(tài)和處理單號，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，可以追溯到批架次號、操作人、檢驗人、不合格品處置單號等信息。 4裝配車間資源管理模塊 主要功能包括工裝、工具管理、物料管理、設(shè)備管理、人員管理等。物料管理主要功能包括物料出入庫管理、物料庫存管理、物料準備、物料調(diào)度和物料追蹤等；設(shè)備管理主要負責設(shè)

9、備檔案管理、設(shè)備運行管理、設(shè)備維修與維護和設(shè)備訂購等；人員管理主要負責車間工作人員的工作職責、工作任務(wù)和考勤等。針對飛機裝配過程涉及大量工裝、工具，主要分析模塊的工裝工具入庫管理、工裝工具出庫管理、工裝工具計劃和控制管理、工裝工具庫存查詢、庫存盤點、報廢和丟失管理、定檢管理和工裝工具的臺賬管理等功能。各功能模塊的業(yè)務(wù)流程見圖4。 5車間質(zhì)量管理模塊 該模塊主要由檢驗、分析、控制3個環(huán)節(jié)組成。對裝配全過程的質(zhì)量信息進行管理和控制，通過自定義的質(zhì)檢過程進行制造過程各階段的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、故障記錄和分類分析，對設(shè)備、工具、儀器的定期復(fù)檢過程進行數(shù)據(jù)采集、故障記錄和分類分析，提供對產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)的全程跟蹤

10、、質(zhì)量歸零管理、質(zhì)量成本管理等。 MES系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究 在制造業(yè)信息化建設(shè)中，MES系統(tǒng)處于企業(yè)管理層和車間層的中間層，是實現(xiàn)企業(yè)車間層管理透明化，為企業(yè)其他系統(tǒng)提供可靠信息的基礎(chǔ)。在MES系統(tǒng)的應(yīng)用中，主要包括以下3個方面的關(guān)鍵問題。 1 MES 系統(tǒng)與企業(yè)其他信息系統(tǒng)的集成技術(shù)研究 飛機制造企業(yè)信息化發(fā)展中，采用的系統(tǒng)包括PDM、CAD、CAPP 和ERP等信息系統(tǒng)，各自都有自己的數(shù)據(jù)庫以及所涉及的核心數(shù)據(jù)模型，MES也不例外。但是作為信息化建設(shè)中的一個子系統(tǒng)，MES必須從其他系統(tǒng)中獲取自己所需的基本數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)等，所以MES與其他系統(tǒng)之間的集成是必不可少

11、的。 MES的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是MBOM，在HB78022006中規(guī)定，“制造物料清單（Manufacturing Bill of Material,MBOM）包含產(chǎn)品所有的裝配、制造零組件，反映工藝裝配關(guān)系并說明配套來源的分層次的物料清單”。MBOM包含所有構(gòu)成產(chǎn)品的零組件、AO、標準件、成品件、材料等組成單元及其裝配關(guān)系和數(shù)量配套關(guān)系。圖5為MBOM中的數(shù)據(jù)組成示意圖。 MBOM應(yīng)描述的數(shù)據(jù)關(guān)系包括： （1）MBOM中的裝配關(guān)系應(yīng)記錄裝配單元之間的層次關(guān)系、裝配單元與AO之間以及AO與零組件之間的裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系，零組件之間裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系與PBOM相同； （2）MBOM中零組件生產(chǎn)類型及工藝分工路線等信

12、息與PBOM中相同； （3）零組件工藝文件，定義零組件的AO、加工設(shè)備、工裝夾具、刀具、量具、工時定額、車間、班組等數(shù)據(jù)； （4）零組件之間的裝配數(shù)量關(guān)系，主要描述零組件在裝配過程中每道工序或每本AO需要裝配的零組件號和數(shù)量，零組件之間的數(shù)量關(guān)系與PBOM相同。 MBOM可為CAD、CAPP、ERP、PDM等的有機集成及企業(yè)集成提供統(tǒng)一有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以滿足數(shù)據(jù)的唯一性、實時性、有效性、安全性等需求。MBOM的管理是制造數(shù)據(jù)管理的核心內(nèi)容，而工藝信息是MBOM管理的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要包括AO、FO、TO及其他工藝技術(shù)文件。 飛機制造是以BOM為主線組織新產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)的。從設(shè)計開始到生產(chǎn)加工過程中

13、涉及的BOM結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流向如圖6 所示。以BOM為核心進行系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的有效集成，確保系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的鏈通，從而使得系統(tǒng)之間實現(xiàn)強內(nèi)聚、弱耦合的功效。 2車間生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)研究 車問調(diào)度方法包括Petri網(wǎng)方法、基于人工智能的調(diào)度方法、基于計算智能的調(diào)度方法和基于仿真的調(diào)度方法等。針對車間調(diào)度的算法包括智能算法和遺傳算法、禁忌搜索法、模糊邏輯法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。這些調(diào)度方法及算法都較好地解決了某方面的生產(chǎn)調(diào)度問題，但是由于飛機裝配生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜，難以用單一的調(diào)度方法或算法解決所有生產(chǎn)調(diào)度問題。 面向生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)調(diào)度方法的實質(zhì)是按照OPT（OptimizedProduction Te

14、chnology, 最佳生產(chǎn)技術(shù)）思想，根據(jù)車間生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)度問題描述選擇合適的車間調(diào)度方法，以求得車間調(diào)度的最優(yōu)解或準最優(yōu)解；根據(jù)裝配車間生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)度問題描述，選擇合適的車間調(diào)度方法以求得車間調(diào)度的最優(yōu)解或準最優(yōu)解。該方法的主要特點在于對調(diào)度問題的處理方法的累積，它對生產(chǎn)中的調(diào)度處理算法在調(diào)度庫和算法庫中進行知識累積，可以結(jié)合人為處理方式來選擇合適的優(yōu)化或準優(yōu)化算法，進行問題處理，其工作過程如圖7所示。 3物料工藝狀態(tài)的建模技術(shù)研究 物料工藝狀態(tài)建模方法一直是生產(chǎn)管理問題中的研究熱點，目前國內(nèi)外大多數(shù)生產(chǎn)管理軟件主要包括以下幾種物料工藝狀態(tài)的描述：當前實時工序記錄方式、繩結(jié)式字符串方法、基于S(I)理論的方法、線狀BOM法和基于數(shù)制的描述方法。面向飛機制造這樣的離散性制造企業(yè)，基于16 進制物料工藝狀態(tài)描述方法能精確地對物料的工藝狀態(tài)進行描述，尤其是能夠解決在突發(fā)情況下引起的生產(chǎn)計劃滾動或重排中對物料狀態(tài)的準確