1、面向飛機裝配的MES系統研究作者：西北工業大學 董會波 許建新 董思洋    來源：航空制造技術 制造執行系統（ManufacturingExecution System, MES）是連接企業上層管理系統與下層自動控制系統的橋梁，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的關注。MES作為當前制造業信息化領域的研究與應用熱點，已經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管理現狀，研究飛機裝配的制造執行系統,對促進我國飛機裝配企業制造信息和自動化的建設具有重要意義。 飛機裝配車間的管理現狀及MES特點 飛機裝配過程是一個復雜的過

2、程，與一般的機械產品相比，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、工裝夾具和設備等制造資源； （2）飛機裝配過程中涉及大量工裝制造和協調工作，而且裝配質量要求嚴格，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，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，設計更改頻繁。 飛機裝配生產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現場采集數據信息，而且需要隨時獲取其他的管理系統( 如物料采購系統、市場銷售系統等) 中的信息。同時，其他管理系統也需要從車間生產管

3、理系統獲取必要的數據信息。 飛機裝配過程涉及到設計部門、工藝部門、生產部門與管理部門等眾多部門，并且裝配過程復雜多變，給生產與管理帶來許多不便。面向飛機裝配MES系統，與傳統的車間或者生產廠的管理相比，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調時間，提高企業各部門的工作效率，建立良好的部門通信協調以及反饋機制。 （2）動態性。 飛機裝配過程的MES能快速向計劃管理層反饋生產現場的具體情況，計劃層及時對生產計劃進行調整，并將調整計劃通過MES傳遞到生產現場，實現對計劃的快速反應。 （3）面向客戶性。 在制造過程的各個環節中均考慮到客戶的

4、需求，使得產品的最新要求能夠融入到生產過程中，最終保證產品的質量。 面向飛機裝配MES系統結構和功能模塊研究 面向飛機裝配的MES系統為了方便現場操作和系統的靈活性，采用C/S結構與B/S結構相混合的方式，如圖1所示。 一部分查詢、瀏覽和工位操作等與現場工作人員結合比較緊密的功能采用B/S方式實現，如車間現場的工藝瀏覽功能、任務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，如基礎數據的管理等。 結合飛機制造企業信息化的發展情況，分析裝配過程的業務流程，面向飛機裝配的MES系統的主要功能模塊如下。 1基礎數據管理模塊 基礎數據管理是整個MES系統實現的1個基礎模塊，它既要向本系統的各個

5、模塊（如裝配計劃、裝配過程控制、質量分析等）提供各種資料和數據，還要接受來自企業其他系統的數據以及向其他系統反饋現場信息。該模塊維護的各種數據與其他模塊和系統的信息交互見圖2。 2裝配生產計劃與調度管理模塊 該模塊的主要功能包括計劃導入、計劃編制、計劃查詢和計劃下達，該系統的總生產計劃由ERP系統導入，再根據各個車間進行任務的合理編制并下達相應車間進行車間裝配生產；根據車間裝配生產計劃及各生產指令和物料準備情況，適時制定、調整各班組的周生產計劃；確保生產計劃節點完成生產任務。 3裝配作業管理模塊 裝配作業管理模塊是整個MES的核心，用來控制和協調計劃訂單在車間現場的執行過程。該功能模塊可以根據

6、企業對產品的復雜程度以及計劃控制粒度靈活設置現場生產管理的層次和可控制點數，具有制造單元或設備的任務排序和負荷調整能力。作業管理模塊與基于條碼技術的數據采集過程、質量檢查過程、故障處理過程和質量跟蹤過程實現無縫集成。裝配作業管理模塊可實現不同生產方式的結合，以保證整個企業的需求為目標，其功能見圖3。 （1）車間訂單管理：根據裝配計劃管理模塊下發的裝配計劃或者派工單將整個車間的裝配任務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同。 （2）生產準備管理：生產準備為車間生產作業管理的重要內容，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）工序作業計劃管理：按照工作訂單和車間訂單的時間節點要求，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部流轉的縱向協同。確定每臺設備或者每個工人在較短期間內的任務次序，進行裝配任務的橫向協同。 （4）工序計劃維護：工序計劃維護功能主要是為適應企業批量投入分批產出習慣而專門設置的。主要任務是：對已開工批次的工序作業計劃，因臨時任務調整，分批進行生產，從完工的工序開始，生產新的工序作業計劃并記錄原工序作業計劃的批號和任務號；當發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）數據采集和過程監控：在數據采集中，主要采用與軟件集成封裝的條碼數據采集技術進行生產進度和質量狀態的數據采集和輸入，以提高現場信息采集的精準度和效率；在裝配的重要裝配區和關鍵點進行實時監控來確保裝配的質量，減少人為因素對裝配質量的影響。 （6）追溯功能：根據工序點采集的質量信息，可以向前和向后追溯質量狀態和處理單號，一旦發現質量問題，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、物料調度和物料追蹤等；設備管理主要負責設

9、備檔案管理、設備運行管理、設備維修與維護和設備訂購等；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。各功能模塊的業務流程見圖4。 5車間質量管理模塊 該模塊主要由檢驗、分析、控制3個環節組成。對裝配全過程的質量信息進行管理和控制，通過自定義的質檢過程進行制造過程各階段的質量數據采集、故障記錄和分類分析，對設備、工具、儀器的定期復檢過程進行數據采集、故障記錄和分類分析，提供對產品質量狀態的全程跟蹤

10、、質量歸零管理、質量成本管理等。 MES系統應用中的關鍵技術研究 在制造業信息化建設中，MES系統處于企業管理層和車間層的中間層，是實現企業車間層管理透明化，為企業其他系統提供可靠信息的基礎。在MES系統的應用中，主要包括以下3個方面的關鍵問題。 1 MES 系統與企業其他信息系統的集成技術研究 飛機制造企業信息化發展中，采用的系統包括PDM、CAD、CAPP 和ERP等信息系統，各自都有自己的數據庫以及所涉及的核心數據模型，MES也不例外。但是作為信息化建設中的一個子系統，MES必須從其他系統中獲取自己所需的基本數據，如產品結構、工藝數據、物料數據等，所以MES與其他系統之間的集成是必不可少

11、的。 MES的數據基礎是MBOM，在HB78022006中規定，“制造物料清單（Manufacturing Bill of Material,MBOM）包含產品所有的裝配、制造零組件，反映工藝裝配關系并說明配套來源的分層次的物料清單”。MBOM包含所有構成產品的零組件、AO、標準件、成品件、材料等組成單元及其裝配關系和數量配套關系。圖5為MBOM中的數據組成示意圖。 MBOM應描述的數據關系包括： （1）MBOM中的裝配關系應記錄裝配單元之間的層次關系、裝配單元與AO之間以及AO與零組件之間的裝配結構關系，零組件之間裝配結構關系與PBOM相同； （2）MBOM中零組件生產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、加工設備、工裝夾具、刀具、量具、工時定額、車間、班組等數據； （4）零組件之間的裝配數量關系，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量，零組件之間的數量關系與PBOM相同。 MBOM可為CAD、CAPP、ERP、PDM等的有機集成及企業集成提供統一有效的數據基礎，以滿足數據的唯一性、實時性、有效性、安全性等需求。MBOM的管理是制造數據管理的核心內容，而工藝信息是MBOM管理的基礎內容，主要包括AO、FO、TO及其他工藝技術文件。 飛機制造是以BOM為主線組織新產品開發與生產的。從設計開始到生產加工過程中

13、涉及的BOM結構以及數據流向如圖6 所示。以BOM為核心進行系統之間數據的有效集成，確保系統之間能夠實現基礎數據的鏈通，從而使得系統之間實現強內聚、弱耦合的功效。 2車間生產調度技術研究 車問調度方法包括Petri網方法、基于人工智能的調度方法、基于計算智能的調度方法和基于仿真的調度方法等。針對車間調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、人工神經網絡法等。這些調度方法及算法都較好地解決了某方面的生產調度問題，但是由于飛機裝配生產現場復雜，難以用單一的調度方法或算法解決所有生產調度問題。 面向生產現場的生產調度方法的實質是按照OPT（OptimizedProduction Te

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