MES关键技术在航天制造企业中的应用研究

作者:首都航天机械公司汤科 张维生 刘京威 周杨 发布时间:[2014/5/10]

摘要:本文结合航天制造企业现状及首航公司实际情况,提出了MES的整体设计思想,并以JobDISPO MES为例,对MES的 关键技术进行了分析与研究,完成了MES 的前期建设,解决了车间现场任务计划的下达、反馈问题,打通了以生产计划为核心的数 字化链路,为车间现场数字化的实现奠定了重要基础。

关键词: MES,计划排产,数据采集,集成

引言

制造业管理模式的变更与数字化生产的应用,是推动制造业信息化发展的基本动力,这也正是企业推行制造执行系统 (manufacturing execution system, MES)的根本原因。纵观国内外企业,MES的应用已经非常普遍,而我国制造业信息系统建设 的重点普遍放在ERP管理系统和现场自动化系统两个方面[1]。数控车间的管理模式和生产流程对企业信息化建设提出了挑战,仅仅 依靠单纯的开发ERP和现场自动化系统已经无法应对新的局面。MES恰好能填补这一空白,它是近几年来在国际上迅速发展、面向执 行层的实时信息系统[2]。近几年来,首都航天机械公司( 以下简称首航公司)的信息化建设在各个领域都取得了不同程度的进展, 但是,仍然面临信息孤岛和信息断层所带来的各种问题。经过多年跟踪国内外的先进技术与理念,并结合国内部分企业的实际应用 情况,我们认为在首航公司提高生产效率最有效的途径就是:通过实施具有企业特色的MES来构建以“精益生产、协同制造” 为核 心的数字化车间。使用MES的用户可以对下达的任务做出快速反应;处理紧急任务有弹性空间;对生产流程做到精细化管理;帮助企业 降低生产成本、缩短制造时间、提高产品质量[3]。

1航天制造业MES现状分析与整体设计思想 1.1现状分析

航天制造业是一个复杂的流程行业,随着首航公司信息化管理水平的不断提高,生产车间的管理已经从宏观向微观深化发 展,对信息技术和综合自动化系统的需求也在日趋突显,因此MES被提上日程。由于MES功能涵盖面广泛,在真正实现的过程中,会 与公司原有管理习惯相冲突,并且与原有的其他信息系统集成上存在一定难度,无法涵盖数字化生产车间的方方面面,从而实现内 部数据的完全集成。如果真正适用于生产,还需进行二次开发。

近两年中,首航公司经过初步实施和推广ERP系统,使管理人员对信息系统的认识正在不断地加深,随着在信息化方面的 多年建设与应用,公司的生产管理和制造系统已经初步成形,而随着首航公司MES的实施,我们发现当前的MES虽然形成了大量有指 导意义的生产管理数据,但是如何进一步利用这些数据为管理人员及时准确地分析预测、掌握生产情况和做出决策,提高公司精细 化管理水平,是企业管理人员要思考的问题。只有逐步解决问题,才能进一步细化车间管理,打造数字化车间,让公司整个生产管 理链条串起来。因此,对航天制造企业来说,要成功应用MES ,如何处理好MES与其他系统的集成就尤为重要。

1.2 MES整体设计思想

首航公司重点针对车间生产管理、MES与其他信息系统集成接口、机床数据采集等内容进行建设,从而形成一整套完整的 MES系统应用平台。首航公司选用的 JobDISPO MES系统,是完全根据离散制造企业的需求而开发的一套图形化MES系统,依据现有 的车间现场管理流程及标准体系,通过与公司级生产管理系统、工艺设计管理平台、产品物料管理系统、质量信息管理系统、制造 资源管理系统的集成接口,实现现场生产、工艺、物流、设备、检验等数据的贯通,通过应用基于MES的工序计划详细调度,实现 车间现场生产管理的柔性化、智能化、数字化。如图1所示。

图1 MES系统实施总体框架

2 MES关键技术研究 2.1MES与其他系统集成技术研究

本文以首航公司现有管理模式为依托,本着总体设计、功能实现、分步实施的原则,提出航天制造业MES与其他系统集成 的技术方案,同时也是一套具有良好先进性的、全闭环的、全透明的、集成化的、充分体现协同制造的实施方案。

首航公司的ERP系统为MES的数据源头,通过与ERP系统的集成接口,完成接收公司级生产任务。通过现场数据采集设备, 对生产过程、质量信息进行实时的获取,反馈给ERP系统和质量信息管理系统,从而形成生产过程信息管理的闭环[4]。生产过程的 流程如图2所示。

图2 生产过程流程图

MES与ERP、质量信息管理系统集成接口主要基于SQL数据库进行开发,通过配置脚本程序,在用户登录MES的同时实现系统 数据库与各系统数据库之间任务、工艺、质量信息的更新传递,同时利用SQL数据库触发器将MES排产结果实时反馈给 ERP系统和质 量信息系统。如图3所示。

图3 MES与其他系统集成接口图

2.1.1 MES与ERP集成技术

ERP建立在物料编码的基础上,虽然MES内部也定义了作为唯一标识的物料编码,但是其编码与ERP物料编码完全不一致, 因此两个系统在数据定义性方面存在区别,这里必须实现数据统一性的要求。ERP从完成产品对装配、及零组件需求的角度出发编 制并下达计划。MES则按照从需求出发,按照公司质量管理的程序和资源能力统筹的原则进行车间具体加工任务的计划调度、派工 ,并实施车间任务。MES 的车间任务来源于ERP的工作订单,工作订单是车间生产的依据,ERP根据车间的完工数量对计划的完成程 度进行查询并考核。

ERP下达工作定单后,MES提取已经下达的工作定单数据,根据零件图号、需求数量及交付时间编排车间任务,根据需要进 行领料,填写领料申请单,送入ERP进行出库审批并登记。车间根据完工计划,由车间在MES中填写完工入库申请单提交给ERP进行 入库登记。定单下达后,根据订单查询MES中的生产进度,从而对MES进行控制以及对预排产实现不了的任务进行及时调整。MES系 统集成思路如图4所示。

图4 MES与ERP集成思路

2.1.2 MES与公司级生产管理系统集成技术

MES与公司级生产管理系统接口开发主要目标是实现月份计划数据的自动下发,实现计划的自动排产;通过对生产计划的快 速分解,做出基于设备有限能力的科学排产计划;基于各种高级自动排产算法,制定出科学的生产计划,计划可准确到每一工序、 每一分钟、每一设备,实现对车间的精益管理;完成车间生产任务的无纸化派工管理、计划反馈的全流程管理,贯通计划主线,达 到快速响应、协同制造的目的;实现操作工人在现场终端进行技术文档的调阅,达到无纸化生产的目的;通过协同平台对生产计划执 行进度的图形化展现,可使计调人员第一时间掌握生产现场的进度信息,实时追踪现场在制品,提升生产过程的透明度;最终建立 透明、高效的车间生产管理系统,全面提升车间的生产能力和管理效率,增强对生产全过程的控制。如图5所示。

图5 自动排产流程图

2.1.3 MES与工艺设计系统集成技术

通过MES与工艺设计系统接口,主要实现车间调度人员查看产品工序信息,并根据工序信息进行工序详细计划调度。

它的主要功能为:将工艺设计系统的工序信息导入到MES;工序计划自动设为激活状态;将MES排产结果信息反馈至车间生产 计划管理系统;排产结果按照规定格式和内容进行打印输出。如图6所示。

图6导入工序信息界面

2.2生产计划智能排产技术

通过MES系统的智能排产技术,公司的生产调度根据特定人员、设备、时间、空间等资源对工件工序的加工序列进行排序 。给出每个工件的每道工序优化的资源组合,即给出每道工序的起止时间、加工中心、加工设备、班组人员等信息,优化目标,提 高生产效率。

首航公司的生产计划智能排产技术主要基于JobDISPO MES智能排产模块,所有产品、部件、零件、工序全以形象直观的图 形化表现,实现工序任务的手动拖拽,并以不同的颜色来区分,当产品或工序开始后,颜色条的长度将实时地减少,直到最终完成 。全透明的计划流程便于监控所有产品的进度和生产,以产品、部件、零件、工序等多级别管理生产,结构清楚,一目了然。可以 立即查看一个项目或一个零件及其工序的所有相关信息。通过基于有限资源能力的作业排序和调度来优化车间生产计划,能够综合 设备实际加工能力,并根据现场生产实际情况随时做出调整,按交付日期、精益排产、生产周期等多种排产方式,最大程度地满足 各类复杂的排产要求。如图7所示。

图7 MES智能排产界面

在工序计划排产时,调度人员通过精确计划看板查看每台设备每天的工作计划,根据以往产品加工经验,对每道工序计划 开始时间、加工时间、结束时间、机床准备时间、加工设备、操作人员等进行基础数据设置,在图形化排产界面中进行工序拆分、 生产订单拆分、工序合并、外协加工、手工用鼠标拖拽调整机床的生产计划和对订单工序进行编辑,将最终生产的工序计划派发至 现场进行生产。

通过本技术应用,可以为现场管理人员提供一个直观、方便的计划排产工具,从而改变传统基于纸质的手工排产模式,缩 短生产计划准备时间,提高现场计划执行率。

2.3 产品制造过程数据实时采集及管理技术

产品制造过程数据实时采集主要包括机床数据实时采集及现场数据实时采集两方面。

(1)基于OPC的机床运行数据实时采集技术

对于机床数据实时采集,主要以OLE/COM技术为基础,通过运行 Windows 系统的分布式对象组件(DCOM)进行设置,设定 对OPC服务器的访问权限,并在客户端上注册其为服务器。数据采集软件进行通讯硬件组态、网络组态。根据底层数控系统中地址 映射关系建立数据通信。建立OPC服务器与监控对象之间数据通道,实现数据交换,实现OPC服务器配置和OPC服务器与底层数控设 备之间的通信,从而获取机床设备的相关数据。完成OPC服务器与底层数控设备的数据通讯之后,在远程机和本机上都进行DCOM组 态设置。在完成 DCOM组态设置之后,客户端通过对建立的 OPC组和OPC数据项进行访问以实现对过程数据的控制;当服务器响应客 户的过程数据访问请求,并处理完毕时通知客户,断开OPC服务器。机床数据实时采集原理如图8所示。

图8 机床数据实时采集原理图

(2)基于条码扫描的现场数据采集技术

对于本项目研究中现场数据实时采集,主要基于MES的自动数据采集(MDC)模块,开发了自动生成工序生产任务条形码的工 序卡片输出接口,通过此接口,工段长在完成工序详细排产之后,即可打印输出具备条形码识别的工序卡片,现场操作人员在进行 生产任务的领取、交付时,只需通过扫描生产任务条形码,即可获取相关生产任务信息,在终端触摸屏上完成生产任务数据反馈, 从而将任务进度数据及时反馈与MES系统中。使用条码技术解决了现场数据输入的自动化,实现了数据的准确传输,确保数据反馈 的及时,准确。

2.4 MES资源信息集成管理平台构建技术

构建多视图、多层次、可扩展以及制造资源全生命周期的模型,包括ERP在采购、制造、库存、使用以及维护、报废等过 程中制造资源的信息;构建公司级的核心制造资源库,研究制造资源的语义模式及制造资源不同数据模式间的映射机制,采用基于 视图以及中间文件的方式集成公司制造资源的信息,逻辑上集成制造资源的各应用视图以及业务视图。

3 应用效果

首航公司建设的MES是面向执行层的实时信息系统,用户可以快速下达任务;针对每道工序进行精细化管理;帮助公司降低 成本、缩短制造时间、提高产品质量。

系统实现了制造基础数据管理、车间生产计划及作业调度管理、制造资源管理、生产派发管理、生产现场数据采集管理、 现场物流管理以及生产过程管控等功能,具体为:

(1)在生产方面,系统可以达到车间管理层到设备控制层的管理,便于制造车间数字化技术的全面应用和实施,降低实施 难度和应用风险。

(2)在生产执行过程中,对订单的全程跟踪、缩短流转周期、生产与质量作业过程协同有了更好的改进措施。

(3)系统本身具备良好的开放性和可扩展性,便于与公司现有的应用系统无缝集成,允许根据实际应用进行灵活的集成接 口定制,确保集成的成功。

(4)系统提供实时化、网络化的信息管理功能,实现对生产制造过程的各类信息进行有效分类和合理组织,提供预定义的 车间指标、丰富的报表和统计查询功能,实时、全面的反映公司计划、执行、存货、质量和过程状态。

(5)通过在试点车间现场推广应用MES系统,为车间现场管理人员提供了数字化的管理技术,获得了良好的效率,通过计算 机辅助排产,大大节省了生产准备时间,结合机床数据采集系统,充分挖掘现有设备的运行效率,现场生产率提升了21% 。

结束语

随着企业信息化在理论和实践上的不断深入,以系统集成思想为基础的制造业信息化建设体系已经基本清晰。在整个体系 中,可以与多系统集成的MES对于整合企业信息化体系起到了关联上下的重要作用。首航公司完成了MES的前期建设,解决了车间现 场任务计划的下达、反馈问题,打通了以生产计划为核心的数字化链路,为车间现场数字化的实现奠定了重要基础。下一步公司将 加强工艺精细化建设,保障MES应用数据源,同时积极推进基于MES平台的集成技术,逐步完善系统之间数据集成传递,尽快打造具 有航天特色的数字化制造车间。

参考文献

[1] 蔡长岚. 面向表面贴装的制造执行系统研究.2009.1.1

[2] 胡新平.制造执行系统(MES)建设的思考与实践.国防制造技术,2010.4

[3] 黎小平, 曾国平.面向国防军工行业数控机加车间的制造执行系统研究与应用.国防制造技术,2010.8

[4] 石化企业.MES关键技术及应用研究可行性研究报告[R].国家高技术研究发展计划课题技术资料

[5] 李向文.炼油企业制造执行系统(MES)的研究和应用.华中科技大学硕士学位论文 2006


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