面向飞机装配的MES系统研究.docx
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面向飞机装配的MES系统研究
面向飞机装配的 MES 系统研究
作者:
西北工业大学 董会波 许建新 董思洋来源:
航空制造技术
制造执行系统(ManufacturingExecution System, MES)是连接企业上层管理
系统与下层自动控制系统的桥梁,起着信息传递与沟通的作用,其重要程度越
来越多地得到制造企业的关注。
MES 作为当前制造业信息化领域的研究与应用
热点,已经成为一个不争的事实。
针对我国飞机装配的特点和车间生产管理现
状,研究飞机装配的制造执行系统,对促进我国飞机装配企业制造信息和自动化
的建设具有重要意义。
飞机装配车间的管理现状及 MES 特点
飞机装配过程是一个复杂的过程,与一般的机械产品相比,主要具有以下特点:
(1)飞机装配过程中包含大量的零件、部件、工装夹具和设备等制造资源;
(2)飞机装配过程中涉及大量工装制造和协调工作,而且装配质量要求严格,
机身装配要确保气密性,机翼装配要确保刚度和水平度等;
(3)飞机装配必须按客户订单进行计划生产,按批架次进行管理;
(4)飞机装配涉及部门众多,工作量大,周期长,设计更改频繁。
飞机装配生产管理中存在大量的物流和信息流,管理涉及的面广,难度大。
在
对装配车间管理的过程中不仅需要从生产现场采集数据信息,而且需要随时获
取其他的管理系统( 如物料采购系统、市场销售系统等) 中的信息。
同时,其
他管理系统也需要从车间生产管理系统获取必要的数据信息。
飞机装配过程涉及到设计部门、工艺部门、生产部门与管理部门等众多部门,
并且装配过程复杂多变,给生产与管理带来许多不便。
面向飞机装配 MES 系统,
与传统的车间或者生产厂的管理相比,具有以下显著特点:
(1)整体性。
针对飞机装配过程的 MES 能够使得飞机制造过程中所涉及的部门减少协调时间,
提高企业各部门的工作效率,建立良好的部门通信协调以及反馈机制。
(2)动态性。
飞机装配过程的 MES 能快速向计划管理层反馈生产现场的具体情况,计划层及
时对生产计划进行调整,并将调整计划通过 MES 传递到生产现场,实现对计划
的快速反应。
(3)面向客户性。
在制造过程的各个环节中均考虑到客户的需求,使得产品的最新要求能够融入
到生产过程中,最终保证产品的质量。
面向飞机装配 MES 系统结构和功能模块研究
面向飞机装配的 MES 系统为了方便现场操作和系统的灵活性,采用 C/S 结构与
B/S 结构相混合的方式,如图 1 所示。
一部分查询、浏览和工位操作等与现场工作人员结合比较紧密的功能采用 B/S
方式实现,如车间现场的工艺浏览功能、任务查看和综合信息的展示等;其他
功能大多采用 C/S 方式实现,如基础数据的管理等。
结合飞机制造企业信息化的发展情况,分析装配过程的业务流程,面向飞机装
配的 MES 系统的主要功能模块如下。
1 基础数据管理模块
基础数据管理是整个 MES 系统实现的 1 个基础模块,它既要向本系统的各个模
块(如装配计划、装配过程控制、质量分析等)提供各种资料和数据,还要接
受来自企业其他系统的数据以及向其他系统反馈现场信息。
该模块维护的各种
数据与其他模块和系统的信息交互见图 2。
2 装配生产计划与调度管理模块
该模块的主要功能包括计划导入、计划编制、计划查询和计划下达,该系统的
总生产计划由 ERP 系统导入,再根据各个车间进行任务的合理编制并下达相应
车间进行车间装配生产;根据车间装配生产计划及各生产指令和物料准备情况,
适时制定、调整各班组的周生产计划;确保生产计划节点完成生产任务。
3 装配作业管理模块
装配作业管理模块是整个 MES 的核心,用来控制和协调计划订单在车间现场的
执行过程。
该功能模块可以根据企业对产品的复杂程度以及计划控制粒度灵活
设置现场生产管理的层次和可控制点数,具有制造单元或设备的任务排序和负
荷调整能力。
作业管理模块与基于条码技术的数据采集过程、质量检查过程、
故障处理过程和质量跟踪过程实现无缝集成。
装配作业管理模块可实现不同生
产方式的结合,以保证整个企业的需求为目标,其功能见图 3。
(1)车间订单管理:
根据装配计划管理模块下发的装配计划或者派工单将整个
车间的装配任务分解成为按顺序排列的若干分段计划,以管理装配的纵向协同。
(2)生产准备管理:
生产准备为车间生产作业管理的重要内容,主要职责包括
工具工装可用性检查、标准样件可用性检查、设备可用性校核、提前期校核和
物料可用性检查。
(3)工序作业计划管理:
按照工作订单和车间订单的时间节点要求,采用最小
加工周期确定工序的最早开工和最晚完工时间。
将整个车间的装配任务分解成
按工序顺序排列的工序计划,以管理需求物件在车间内部流转的纵向协同。
确
定每台设备或者每个工人在较短期间内的任务次序,进行装配任务的横向协同。
(4)工序计划维护:
工序计划维护功能主要是为适应企业批量投入分批产出习
惯而专门设置的。
主要任务是:
对已开工批次的工序作业计划,因临时任务调
整,分批进行生产,从完工的工序开始,生产新的工序作业计划并记录原工序
作业计划的批号和任务号;当发生工序顺序变化和工序超越、临时增加工序时,
生成新的批次号,打印新的工艺流程卡,记录工艺临时更改单号。
(5)数据采集和过程监控:
在数据采集中,主要采用与软件集成封装的条码数
据采集技术进行生产进度和质量状态的数据采集和输入,以提高现场信息采集
的精准度和效率;在装配的重要装配区和关键点进行实时监控来确保装配的质
量,减少人为因素对装配质量的影响。
(6)追溯功能:
根据工序点采集的质量信息,可以向前和向后追溯质量状态和
处理单号,一旦发现质量问题,可以追溯到批架次号、操作人、检验人、不合
格品处置单号等信息。
4 装配车间资源管理模块
主要功能包括工装、工具管理、物料管理、设备管理、人员管理等。
物料管理
主要功能包括物料出入库管理、物料库存管理、物料准备、物料调度和物料追
踪等;设备管理主要负责设备档案管理、设备运行管理、设备维修与维护和设
备订购等;人员管理主要负责车间工作人员的工作职责、工作任务和考勤等。
针对飞机装配过程涉及大量工装、工具,主要分析模块的工装工具入库管理、
工装工具出库管理、工装工具计划和控制管理、工装工具库存查询、库存盘点、
报废和丢失管理、定检管理和工装工具的台账管理等功能。
各功能模块的业务
流程见图 4。
5 车间质量管理模块
该模块主要由检验、分析、控制 3 个环节组成。
对装配全过程的质量信息进行
管理和控制,通过自定义的质检过程进行制造过程各阶段的质量数据采集、故
障记录和分类分析,对设备、工具、仪器的定期复检过程进行数据采集、故障
记录和分类分析,提供对产品质量状态的全程跟踪、质量归零管理、质量成本
管理等。
MES 系统应用中的关键技术研究
在制造业信息化建设中,MES 系统处于企业管理层和车间层的中间层,是实现
企业车间层管理透明化,为企业其他系统提供可靠信息的基础。
在 MES 系统的
应用中,主要包括以下 3 个方面的关键问题。
1 MES 系统与企业其他信息系统的集成技术研究
飞机制造企业信息化发展中,采用的系统包括 PDM、CAD、CAPP 和 ERP 等信息
系统,各自都有自己的数据库以及所涉及的核心数据模型,MES 也不例外。
但
是作为信息化建设中的一个子系统,MES 必须从其他系统中获取自己所需的基
本数据,如产品结构、工艺数据、物料数据等,所以 MES 与其他系统之间的集
成是必不可少的。
MES 的数据基础是 MBOM,在 HB7802—2006 中规定,“制造物料清单
(Manufacturing Bill of Material,MBOM)包含产品所有的装配、制造零组件,
反映工艺装配关系并说明配套来源的分层次的物料清单”。
MBOM 包含所有构成
产品的零组件、AO、标准件、成品件、材料等组成单元及其装配关系和数量配
套关系。
图 5 为 MBOM 中的数据组成示意图。
MBOM 应描述的数据关系包括:
(1)MBOM 中的装配关系应记录装配单元之间的层次关系、装配单元与 AO 之间
以及 AO 与零组件之间的装配结构关系,零组件之间装配结构关系与 PBOM 相同;
(2)MBOM 中零组件生产类型及工艺分工路线等信息与 PBOM 中相同;
(3)零组件工艺文件,定义零组件的 AO、加工设备、工装夹具、刀具、量具、
工时定额、车间、班组等数据;
(4)零组件之间的装配数量关系,主要描述零组件在装配过程中每道工序或每
本 AO 需要装配的零组件号和数量,零组件之间的数量关系与 PBOM 相同。
MBOM 可为 CAD、CAPP、ERP、PDM 等的有机集成及企业集成提供统一有效的数据
基础,以满足数据的唯一性、实时性、有效性、安全性等需求。
MBOM 的管理是
制造数据管理的核心内容,而工艺信息是 MBOM 管理的基础内容,主要包括
AO、FO、TO 及其他工艺技术文件。
飞机制造是以 BOM 为主线组织新产品开发与生产的。
从设计开始到生产加工过
程中涉及的 BOM 结构以及数据流向如图 6 所示。
以 BOM 为核心进行系统之间数
据的有效集成,确保系统之间能够实现基础数据的链通,从而使得系统之间实
现强内聚、弱耦合的功效。
2 车间生产调度技术研究
车问调度方法包括 Petri 网方法、基于人工智能的调度方法、基于计算智能的
调度方法和基于仿真的调度方法等。
针对车间调度的算法包括智能算法和遗传
算法、禁忌搜索法、模糊逻辑法、人工神经网络法等。
这些调度方法及算法都
较好地解决了某方面的生产调度问题,但是由于飞机装配生产现场复杂,难以
用单一的调度方法或算法解决所有生产调度问题。
面向生产现场的生产调度方法的实质是按照 OPT(OptimizedProduction
Technology, 最佳生产技术)思想,根据车间生产现场的调度问题描述选择合
适的车间调度方法,以求得车间调度的最优解或准最优解;根据装配车间生产
现场的调度问题描述,选择合适的车间调度方法以求得车间调度的最优解或准
最优解。
该方法的主要特点在于对调度问题的处理方法的累积,它对生产中的
调度处理算法在调度库和算法库中进行知识累积,可以结合人为处理方式来选
择合适的优化或准优化算法,进行问题处理,其工作过程如图 7 所示。
3 物料工艺状态的建模技术研究
物料工艺状态建模方法一直是生产管理问题中的研究热点,目前国内外大多数
生产管理软件主要包括以下几种物料工艺状态的描述:
当前实时工序记录方式、
绳结式字符串方法、基于 S(I)理论的方法、线状 BOM 法和基于数制的描述方法。
面向飞机制造这样的离散性制造企业,基于 16进制物料工艺状态描述方法能
精确地对物料的工艺状态进行描述,尤其是能够解决在突发情况下引起的生产
计划滚动或重排中对物料状态的准确描述,能够有效地保证作业计划进行滚动
或者重排时,即使一道工序的加工未完成也可以顺利地排入下一步作业计划,
解决这一过程中出现的计划编排的停滞问题。
结束语
面向飞机装配的 MES 系统在飞机装配制造车间的生产管理中,起到了连接企业
管理层和车间控制层的桥梁作用,优化了装配车间生产管理的流程,对企业生
产计划的车间执行做到了实时监控,降低了装配过程中人为因素的影响,提高
了人的灵活性和车间的生产效率。
该系统将继续在其他行业产品装配生产应用
中得以验证。
(end)
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