航天產品總裝MES系統的設計和實施應用

□ 黃海金 □ 邱 凱 □ 季 焓 □ 孫曉鳳

上海航天精密機械研究所 上海 201600

目前，航天產品總裝的生產模式大都還延續傳統的航天產品裝配模式，采用紙質介質，內容以文字、圖表和二維圖紙為主來指導生產現場，即工藝管理過程基本依賴紙質文件，操作者利用專用工具、工裝進行單機手工裝配。與國際先進的總裝制造企業相比，傳統裝配模式存在著一些差距：①總裝生產的指導依據為紙質工藝文件和圖紙，缺少便于理解的三維可視化工藝平臺，依賴于操作人員的經驗；②總裝生產的過程監控手段落后，不能精確把握生產計劃的執行情況，存在黑箱生產的情況；③車間庫存管理手段落后，未采用信息化手段進行出、入庫和查詢操作，也不能根據產品型號總裝BOM進行資源重組；④產品零部件履歷信息、檢驗結果等生產過程數據，采用手工記錄方式，信息采集效率低，傳遞速度慢，可追溯性差；⑤產品零部件上的標識未形成統一標準，沒有一致的標識手段、標識編碼規則，也無法被信息系統所識別；⑥由于缺乏總裝生產過程的信息化管理系統，上層信息化系統的資源未延伸到車間現場，車間控制層設備的數據信息也不能傳遞和分享給上層信息系統，造成上層業務系統和底層生產控制系統的孤立運行，出現生產計劃的適應性弱、可執行性差，以及對車間生產的控制能力不足等問題。

由于近年來出現多型號并舉、多階段任務并行的復雜局面，使傳統的總裝生產模式在一定程度上不能滿足多型號生產及轉換快速響應的要求，也影響了產能的擴大。因此，總裝車間對MES（Manufacturing ExecutionSystem）系統的需求已迫在眉睫，建立一個有效的生產執行、信息集成、信息高效傳遞的MES系統，對提升航天制造企業高效和低成本制造能力、實現快速響應制造和提高企業管理水平具有重要意義。

1 MES系統簡介

美國先進制造研 究 機 構 （AMR）提出了三層企業集成 模 型［1］： 面 向 客戶的計劃層、面向車間的執行層和面向生產作業現場的控制層，如圖1所示。

▲圖1 AMR三層企業集成模型

面向車間的執行層，即MES，其定義為“位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統”，它以當前視角向操作人員/管理人員提供生產所需的全部資源（人員、設備、材料、工具和客戶需求）的數據和信息，通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。

2 總裝MES系統功能模型

在單位內部，生產計劃管理、供應鏈管理、生產資源管理、全面質量管理、外包外協管理等系統模塊已經建設完成或正在規劃建設，為避免重復建設，總裝MES系統的定位是以已有的ERP系統向執行層延伸，覆蓋車間執行管理功能。

借鑒離散型MES系統功能模型［2-4］，結合航天產品的總裝流程和生產特點，總裝MES系統分成計劃管理、車間庫存管理、總裝生產過程管理、質量檢驗4個功能主體，具體的功能模型［5］如圖2所示。通過與ERP、PDM、CAPP等系統相集成，MES系統實現作業計劃、總裝配套工藝、產品型號數據、生產工藝信息、人員等信息輸入。通過計劃管理，實現作業計劃向投產計劃、工序計劃的細化和指派。通過車間庫存管理，實現車間物料的有序管理，并為總裝生產提供物料信息輸入。通過總裝生產過程管理，實現總裝車間的透明化生產和生產過程的信息化記錄。通過質量檢驗，實現產品生產質量信息跟蹤與追溯。

3 總裝MES系統作業流程

根據總裝MES系統功能模型，通過進一步細化產品總裝生產過程和挖掘需求，總裝MES系統細分為：車間任務管理、工序派工管理、車間物料管理、生產過程管理、質量檢驗管理和數據分析與統計等模塊。按照先后順序對總裝車間作業流程進行梳理：車間計劃員根據從ERP獲取的作業計劃，來制定投產計劃，在開始生產后，生成產品序列號；車間計劃員選定投產計劃并進行關聯工藝操作，針對產品序列號和工序進行一級派工，班組長以工序為單位，指派給帶班人和操作工人；帶班人登錄系統并接收工作，確認具備生產條件后開始生產，通過查看工藝，掃描本工序的物料，完成裝配后進行完工確認并進行工序檢驗及分配工時，完成所有工序后，最后確認車間完工。MES系統具體業務流程如圖3所示。

4 總裝MES系統的實施應用

航天產品總裝MES系統在總裝車間的實施應用，實現了總裝車間制造過程的精確控制與透明管理，具體體現在以下4個方面。

4．1 可視化總裝工藝

▲圖2 總裝MES系統功能模型

▲圖3 總裝MES系統應用作業流程

可視化總裝工藝的編制在PDM系統中的三維可視化工藝設計平臺中完成，如圖4所示。在三維可視化工藝設計平臺中，總裝工藝員除了完成傳統的配套文件和總裝工藝編制外，還包括：總裝工藝的工序信息與配套件的關聯；產品零部件及生產資源的三維模型、CAD圖形、實物照片的上傳以及裝配過程仿真動畫的上傳；工序檢驗點的配置等任務，實現對產品總裝生產中所涉及的各類資源信息的整合。

總裝MES系統通過集成三維可視化工藝設計平臺，實現全面繼承產品可視化總裝工藝（如圖5所示），完成工藝、物料、設計數據到車間生產環節的信息傳遞。具體體現在：在工序派工管理模塊中，MES根據本項任務所關聯的工藝，自動生成總裝工序計劃；在生產過程管理模塊中，操作工人可通過MES系統直接查看與本工序計劃關聯的可視化工藝；在質量檢驗模塊中，MES系統自動導入本道工序計劃的檢驗項目，檢驗員登錄系統后，根據檢驗項完成檢驗。

4.2 總裝生產單元作業調度

作業調度是協調整個制造管理系統活動的核心，其優劣對整個制造執行系統的運作性能有著重大的影響［6］。根據車間崗位配置和作業調度制度，為適應總裝車間多品種小批量的生產特點，總裝MES系統中的調度派工采用了具有較大柔性和靈活性的兩級派工模式，即計調員派工和班組長派工，以人工調度為主，系統調度為輔，如圖6所示。

總裝生產單元作業調度在MES系統中具體為工序派工模塊，其業務流程為：生成工序級生產計劃后，計調員將其與工藝文件相關聯，生成產品序列號并指派給裝配生產班組長，班組長將接到的任務分派給以帶班人為首的裝配生產團隊。根據MES系統試運行的情況，以兩級派工模式為核心的工序派工模塊能夠很好地適應航天產品總裝車間的生產特點，較好地實現了控制、指導總裝車間生產全過程的活動，如圖7所示。

4.3 基于二維條碼的信息采集

生產現場數據的采集是MES系統的數據輸入環節，不但關系到MES系統運行效率，而且是系統正常運行的關鍵因素?？傃bMES系統采用二維條碼技術［7］構建快捷方便的信息輸出和數據采集模塊，旨在快速、準確地獲取工人身份、物料信息等數據，實現以二維碼掃描替代鍵盤錄入，改善用戶體驗，提高系統穩健性和運行效率，解決車間信息采集與作業流程系統間的信息斷層問題。在實際應用中，MES系統通過采用二維條碼識別技術實現了以下兩點。

（1）快捷登錄。通過掃描工作證上的身份二維碼，總裝工人可以自動登錄系統而無須輸入用戶名、密碼，并進入生產過程管理模塊，顯示該總裝工人被派的裝配任務。對于檢驗人員，則相應地跳轉到質量檢驗模塊，并顯示相應的待檢驗項目。

▲圖4 三維可視化工藝設計平臺界面

▲圖5 MES系統的工藝查看界面

▲圖6 計調員派工

▲圖7 班組長派工

（2）物料信息的高效流轉。為實現車間物料的信息化管理和裝配物料的跟蹤追溯，總裝MES系統須實現將物料實物與系統物料信息的一一對應，并在物料信息的流轉過程中與人員、計劃相關聯。通過采用二維碼信息采集技術，實現了總裝MES系統中的車間物料管理模塊和生產過程管理模塊之間信息的高效流轉。

車間物料管理模塊包括車間物料入庫、出庫、退領、查詢等功能，其物料信息的輸入輸出頻繁。通過采用二維碼信息識別技術，根據制定的物料編碼規則，MES系統完全避免了物料信息采集的效率低、傳遞速度慢、片面不完備、離散分布等傳統信息采集方法的弊端，實現車間物料信息的高效、實時、精確管理。在生產過程管理模塊中，采用掃描物料的出庫二維碼，實現本道工序任務裝配物料的錄入，作為物料實物信息與工藝規定的裝配物料信息比對的輸入，也是物料去向追蹤和產品質量追溯的信息來源。

4．4 總裝生產數據統計和綜合分析

通過總裝MES的計劃管理、車間庫存管理、總裝生產過程管理、質量檢驗4個主要功能，實現了航天產品總裝車間作業流程的信息化、程序化、部分可視化管理。為進一步達到可視化、科學化的車間透明生產的目的，還需對總裝生產作業過程所積累的信息進行統計分析，能實時、直觀顯示計劃執行情況、人員工時統計、產品質量情況等，以輔助決策。總裝生產數據統計和綜合分析主要包括以下幾項。

（1）計劃進度跟蹤監控。計劃進度跟蹤監控分為3個層次，通過對工序計劃的進度統計，分析出所需序號產品的完成進度，進而統計整個作業計劃的完成情況，如圖8所示。

（2）工時統計?？傃bMES系統通過生產過程管理模塊，記錄各工序任務、序列號、作業計劃、人員的工時信息，如圖9所示。工時統計則綜合了所有工時信息，作為決策分析的一項基礎數據。

（3）總裝過程記錄卡生成和管理?？傃b過程記錄卡是航天產品總裝車間最重要的生產過程質量記錄文件，記錄了包括產品屬性、裝機清單、工藝過程、總裝工人、檢驗員、檢驗結果等信息在內的產品質量數據。總裝MES系統根據生產過程管理模塊中采集的信息，實現了對總裝過程記錄卡自動生成和管理。

5 結束語

作為連接頂層計劃管理系統與底層控制系統的紐帶，總裝MES在車間的實施應用，從根本上改變了總裝車間現場黑箱生產的狀況，能夠實時跟蹤生產進度，反應車間現場情況，實現車間現場料、機、人、法的透明化管理，對信息化、程序化、科學化的車間作業管理起到決定性作用，已成為航天產品總裝生產不可或缺的管理工具。

▲圖9 工時統計管理

［1］ 吳澄．現代集成制造系統導論——概念、方法、技術和應用［M］．北京:清華大學出版社，2002．

［2］ 李飛，黎小華．離散行業制造執行系統的應用實踐［J］．CAD/CAM 與制造業信息化，2008（1）：24-27．

［3］ 李清．制造執行系統［M］．北京:中國電力出版社，2007．

［4］ 金星，杜寶瑞．離散航空制造業MES系統設計與實施［J］．航空制造技術，2011（7）:43-46．

［5］ 陳禹六．IDEF建模分析與設計方法［M］．北京:清華大學出版社，1999．

［6］ 張德勝．基于MES的制造車間生產調度系統的研究［D］．沈陽：沈陽工業大學，2005．

［7］ 楊展，孫樹棟，牛剛剛，等．條碼技術在MES信息采集系統中的應用研究［J］．中國制造業信息化，2008（5）:1-5，9．