面向MES的航天機(jī)加車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 勇，劉金山，陳世英，何 杰

ZHOU Yong, LIU Jin-shan, CHEN Shi-ying, HE Jie

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

0 引言

刀具是機(jī)加車(chē)間最重要的生產(chǎn)資源，刀具管理水平直接影響著機(jī)床使用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)機(jī)床平均有效利用率為20%～30%，遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)企業(yè)機(jī)床平均有效利用率為60%～80%[1]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)機(jī)床配套刀具不齊套是造成機(jī)床空轉(zhuǎn)等待的重要原因，MES（車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)）是車(chē)間運(yùn)轉(zhuǎn)“指揮”系統(tǒng)，借助MES系統(tǒng)中生產(chǎn)任務(wù)來(lái)協(xié)調(diào)、配置刀具資源，對(duì)縮短項(xiàng)目周期，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

1 項(xiàng)目背景

航天機(jī)加車(chē)間大多采用單件、小批量的離散研制方式，加工過(guò)程自動(dòng)化程度較高，數(shù)控機(jī)床數(shù)量占設(shè)備總數(shù)量的70%～90%，數(shù)控機(jī)床設(shè)備已接近國(guó)際先進(jìn)水平，然而刀具管理水平?jīng)]有同步提升，造成了先進(jìn)設(shè)備與落后管理之間的“代差”，先進(jìn)設(shè)備優(yōu)勢(shì)沒(méi)有充分發(fā)揮。MES系統(tǒng)在部分航天機(jī)加車(chē)間已應(yīng)用多年，在任務(wù)調(diào)度、質(zhì)量檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集方面效果顯著。設(shè)計(jì)面向MES系統(tǒng)符合航天安全保密要求的刀具集成管理系統(tǒng)，有利于發(fā)揮MES系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度和資源配置能力優(yōu)勢(shì)，提升車(chē)間刀具全過(guò)程管理能力，提高刀具準(zhǔn)備效率。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 業(yè)務(wù)過(guò)程分析

車(chē)間刀具由物質(zhì)部門(mén)采購(gòu)下發(fā)，分散存放在靠近數(shù)控機(jī)床加工區(qū)的多臺(tái)刀具立體庫(kù)中，刀具可跨立體庫(kù)調(diào)撥使用。車(chē)間設(shè)置刀具管理員負(fù)責(zé)刀具臺(tái)賬管理和刀具維保工作，車(chē)間生產(chǎn)準(zhǔn)備組人員根據(jù)工藝刀具清單和生產(chǎn)計(jì)劃提前一個(gè)班次進(jìn)行刀具選配、組裝、測(cè)量、出庫(kù)，并按配送計(jì)劃將準(zhǔn)備好的刀具送至機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)。在加工完成后回收刀具、拆刀入庫(kù)。過(guò)程涉及庫(kù)房管理、刀具準(zhǔn)備、刀具配送、刀具日常維保、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備管理等工作，其業(yè)務(wù)模型如圖1所示。

圖1 車(chē)間刀具業(yè)務(wù)模型

2.2 系統(tǒng)總體方案

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)以自動(dòng)化立體庫(kù)為倉(cāng)儲(chǔ)工具，重點(diǎn)從縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、提升刀具資源配置響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)信息物流一體化管理的角度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2.1 系統(tǒng)基本框架

系統(tǒng)覆蓋硬件和軟件兩部分，硬件部分包括自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、刀具標(biāo)識(shí)、維保、配送工具，以及車(chē)間數(shù)字化看板、電視墻中控室等；軟件部分以刀具信息管理平臺(tái)為主，外加車(chē)間刀具配套管理制度。組織結(jié)構(gòu)中設(shè)庫(kù)房管理、刀具配送、日常維保三個(gè)業(yè)務(wù)單元。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)基本框架

系統(tǒng)對(duì)外接收從物資采購(gòu)部門(mén)（即企業(yè)ERP系統(tǒng)）下發(fā)的刀具資源，以MES系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)為指令輸入，以數(shù)控機(jī)床為服務(wù)目標(biāo)，安排刀具相關(guān)生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)施刀具信息標(biāo)準(zhǔn)化，建立刀具檔案生成唯一編碼的刀具標(biāo)簽，以此作刀具實(shí)物跟蹤和信息傳遞依據(jù)。

2.2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

車(chē)間刀具相關(guān)業(yè)務(wù)是建立在車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)和外圍的數(shù)控設(shè)備、DNC網(wǎng)絡(luò)、MES系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)的集成和通訊，驅(qū)動(dòng)刀具出庫(kù)配送響應(yīng)、滿足車(chē)間的一線生產(chǎn)需求。系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)車(chē)間數(shù)控加工刀具需求過(guò)程分解得到的，MES系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)觸發(fā)了刀具準(zhǔn)備計(jì)劃，刀具準(zhǔn)備計(jì)劃驅(qū)動(dòng)了刀具的出庫(kù)、組刀、配送業(yè)務(wù)，刀具的出入庫(kù)、組刀、拆卸等應(yīng)用需求，驅(qū)動(dòng)了刀具立體庫(kù)數(shù)字化、智能化管理，數(shù)控工藝對(duì)在庫(kù)刀具參數(shù)信息準(zhǔn)確詳實(shí)的查詢要求，驅(qū)動(dòng)了刀具信息管理和刀具維保管理業(yè)務(wù)。系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)字化集成環(huán)境

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)需要數(shù)字化集成環(huán)境支撐。基于企業(yè)總線(ESB)，將刀具立體庫(kù)系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)（CAPP）、MES、DNC、機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)、以及企業(yè)ERP集成設(shè)計(jì)，建立覆蓋刀具應(yīng)用功能和工藝信息、計(jì)劃信息、控制信息、經(jīng)營(yíng)信息等相互融合的綜合系統(tǒng)集成環(huán)境。在任務(wù)派發(fā)、刀具選擇、參數(shù)傳遞、組刀配送、使用頻次、成本消耗等業(yè)務(wù)上，實(shí)現(xiàn)刀具管理與上下游環(huán)節(jié)以及車(chē)間內(nèi)部業(yè)務(wù)的集成。硬件方面以智能立體庫(kù)設(shè)備為核心，工位設(shè)備全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，配置大屏幕車(chē)間看板，動(dòng)態(tài)展示刀具庫(kù)存與流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，工位配備條碼槍、讀卡器、瘦客戶終端，提供數(shù)據(jù)采集工具。

2.2.4 刀具編碼標(biāo)識(shí)方案

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)應(yīng)用以刀具編碼標(biāo)識(shí)為基礎(chǔ)。刀具編碼由四部分組成：第一至三部分為主碼，第四部分為輔碼。主碼采用剛性編碼系統(tǒng)，即位數(shù)一定，輔碼采用柔性編碼方式[2]。

表1 編碼形式

a：類(lèi)別代碼(一位)：D是刀具，F(xiàn)是非標(biāo)準(zhǔn)刀具；

b：大類(lèi)代碼(兩位)：

刀具(D)：01(銑刀)、02(車(chē)刀) … 06(鉆頭)…；

量具(L)：01(螺紋塞規(guī))、02(螺紋環(huán)規(guī))…；

非標(biāo)刀具(F)：01(銑刀)、02(車(chē)刀)、…06(鉆頭)…；

c：小類(lèi)代碼(兩位)：10，11，12，…。小類(lèi)代碼是對(duì)大類(lèi)的進(jìn)一步細(xì)分；如D01(銑刀)類(lèi)中，10為直柄立銑刀，11為錐柄立銑刀；L01(螺紋塞規(guī))類(lèi)中，lO為普通螺紋塞規(guī)，11為新國(guó)標(biāo)螺紋塞規(guī)…

d：輔碼(多位)：以刀具參數(shù)為輔碼，以一位參數(shù)個(gè)數(shù)識(shí)別位標(biāo)識(shí)參數(shù)數(shù)目，最多用3個(gè)參數(shù)唯一標(biāo)識(shí)一種規(guī)格。

刀具標(biāo)識(shí)通常采用激光標(biāo)刻、條碼、RFID等方式，航天機(jī)加車(chē)間由于安全保密的特殊要求刀具標(biāo)識(shí)采用前兩種方式，刀具標(biāo)識(shí)條碼適合采用PDF417二維條形碼，該條碼是目前應(yīng)用最廣泛的二維條碼之一，具有多層、可變長(zhǎng)、高數(shù)據(jù)容量和錯(cuò)誤糾正能力的優(yōu)點(diǎn)，已被包括多個(gè)國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)采納[3]。刀具物理標(biāo)識(shí)上除文字標(biāo)注刀具編碼和主要屬性參數(shù)外，將信息按預(yù)定規(guī)則處理，圖形化存入二維條形碼中，以便后續(xù)通過(guò)條碼槍掃描跨系統(tǒng)快速準(zhǔn)確錄入數(shù)據(jù)。刀具物理?xiàng)l碼上除了包括二維條形碼外，還包括刀具編碼、名稱(chēng)、型號(hào)、廠商等參數(shù)信息。樣式實(shí)例如圖4所示。

圖4 車(chē)間刀具條碼設(shè)計(jì)樣例

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系架構(gòu)

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)軟件框架分為五層，包括設(shè)備層、控制層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、展示層五部分，其框架如圖5所示，設(shè)備層和控制層主要對(duì)以智能立體庫(kù)設(shè)備為主的硬件資源進(jìn)行自動(dòng)化控制和安全接入；數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層以刀具編碼標(biāo)識(shí)和刀具工藝卡為基礎(chǔ)進(jìn)行刀具庫(kù)管、維保、生產(chǎn)準(zhǔn)備、配送；展示層用于刀具信息共享，實(shí)現(xiàn)刀具資源的平衡調(diào)度。

圖5 車(chē)間刀具立體庫(kù)軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)軟件包括刀具管理子系統(tǒng)和立體庫(kù)控制子系統(tǒng)兩部分。前者采用B/S架構(gòu)通過(guò)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)向生產(chǎn)一線提供刀具業(yè)務(wù)服務(wù)，后者運(yùn)行于庫(kù)房直連立體庫(kù)設(shè)備的計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)之間通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)中間表方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和交換。

3.2.1 刀具管理子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1）參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置模塊提供了刀具標(biāo)準(zhǔn)化所需的刀具屬性及管理參數(shù)的設(shè)置，如刀具型號(hào)、規(guī)格、廠商、圖片、裝卡配件、組配要求、編號(hào)、二維碼、復(fù)驗(yàn)周期、最低庫(kù)存等，通過(guò)刀具分類(lèi)樹(shù)組織參數(shù)信息，生成刀具檔案。

2）庫(kù)房管理模塊：該模塊提供了刀具出入庫(kù)管理、庫(kù)房管理、配送管理和修磨維保四項(xiàng)功能，以“刀具編碼”和“生產(chǎn)計(jì)劃號(hào)”為線索，在出入庫(kù)、配送、維修、裝車(chē)、回收、盤(pán)庫(kù)、報(bào)廢各環(huán)節(jié)通過(guò)條碼掃描方式，跟蹤刀具物流追蹤和生產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)協(xié)同。

3）配送調(diào)度管理模塊：本模塊提供刀具配送與調(diào)度功能。配送功能分兩步執(zhí)行，首先根據(jù)數(shù)控工藝刀具卡在MES系統(tǒng)發(fā)起刀具配送申請(qǐng)，觸發(fā)配送調(diào)度管理模塊生成配送任務(wù)，配送人員查詢庫(kù)存挑選刀具，生成刀具出庫(kù)清單，執(zhí)行刀具批量出庫(kù)和組刀，完成之后將預(yù)配送刀具置于“就緒”狀態(tài)；其次由系統(tǒng)根據(jù)“配送目標(biāo)機(jī)床”、“配送到達(dá)時(shí)間”，采用預(yù)制的配送策略生成配送方案，調(diào)度確認(rèn)配送方案后下發(fā)給配送工人裝車(chē)執(zhí)行配送，同時(shí)定時(shí)收回現(xiàn)場(chǎng)空閑刀具。

4）刀具維保檢測(cè)模塊：本模塊包括刀具修磨管理、檢定管理、處置管理三個(gè)功能。修磨管理用于處理刀具日常維修、刃磨、改制業(yè)務(wù)。當(dāng)修磨改變?cè)毒邊?shù)屬性時(shí)，對(duì)此刀具信息同步刷新，即將原刀先“特殊報(bào)廢”再入庫(kù)處理；檢定管理用于處理刀具檢驗(yàn)與測(cè)量業(yè)務(wù)，歸檔刀具檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)送外單位檢定時(shí)，生成檢驗(yàn)任務(wù)，跟蹤刀具檢定過(guò)程。處置管理用于處理刀具丟失、損壞、報(bào)廢業(yè)務(wù)，采集刀具消耗成本信息。

5）任務(wù)監(jiān)控預(yù)警模塊：本模塊面向數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)重要生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，其中包括配送任務(wù)、檢測(cè)任務(wù)、修磨任務(wù)、報(bào)廢任務(wù)等，并對(duì)出現(xiàn)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提示，如庫(kù)存數(shù)量少于最低庫(kù)備量、借用刀具超出可借數(shù)量或逾期未歸還、配送任務(wù)未完成等。

6）刀具查詢分析模塊：本模塊針對(duì)MES系統(tǒng)的查詢需求,對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總和報(bào)表輸出；對(duì)外提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)視圖、Web鏈接網(wǎng)頁(yè)鏈接形式數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

3.2.2 立體庫(kù)控制子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1）庫(kù)存和空間定義模塊：本模塊提供立體庫(kù)運(yùn)行所需的系統(tǒng)及硬件環(huán)境參數(shù)的設(shè)置。具體包括兩類(lèi)，一類(lèi)是信息通信控制類(lèi)參數(shù)設(shè)置，如通信端口參數(shù)、GPS設(shè)備端口參數(shù)、通信間隔時(shí)間、是否多臺(tái)設(shè)備聯(lián)及操作等；另一類(lèi)是庫(kù)存空間與業(yè)務(wù)類(lèi)參數(shù)設(shè)置，如倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存單元、存儲(chǔ)箱、通道節(jié)點(diǎn)、托盤(pán)、工作站、外圍設(shè)備、存儲(chǔ)規(guī)則、操作用戶、訪問(wèn)權(quán)限等。

2）存儲(chǔ)和揀選子系統(tǒng)：本模塊以托盤(pán)為存儲(chǔ)單元，通過(guò)驅(qū)動(dòng)提取器的升降和水平運(yùn)動(dòng)，將存放貨物的托盤(pán)取出或送到立體庫(kù)合適的貨位。系統(tǒng)采用絕對(duì)認(rèn)址方式控制提取器的升降運(yùn)動(dòng)，采用感應(yīng)開(kāi)關(guān)控制提取器的水平運(yùn)動(dòng)，通過(guò)數(shù)學(xué)算法進(jìn)行路徑優(yōu)化和尋找最佳存儲(chǔ)位置，實(shí)現(xiàn)“物到人”的智能管理。

3）數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊：本模塊用于上游系統(tǒng)或系統(tǒng)外原始數(shù)據(jù)的快捷導(dǎo)入和集成應(yīng)用。提供條碼掃描、TXT文本、Excel文件、集成接口等多方式批量導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括：預(yù)存放物料定義、物料條碼編號(hào)、料箱尺寸規(guī) 格等。

4）可視化展示模塊：本模塊提供立體庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)狀態(tài)的可視化功能。包括以托盤(pán)為單位展示個(gè)托盤(pán)中料箱的3D外觀、擺放位置、占用率；以物料為單位統(tǒng)計(jì)存品的出入庫(kù)頻率、庫(kù)存分布；跟蹤模擬提取器在立體庫(kù)門(mén)的運(yùn)動(dòng)路線；誤操作時(shí)狀態(tài)回退的操作方法等。

3.3 集成接口設(shè)計(jì)

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)與企業(yè)ERP、MES系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)有系統(tǒng)集成關(guān)系，其接口主要包括5種，如表2所示。

圖6 立體庫(kù)聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表2 車(chē)間刀具立體庫(kù)軟件系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 立體庫(kù)聯(lián)網(wǎng)接入方案

為滿足立體庫(kù)設(shè)備適合航天安全保密要求，在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與立體庫(kù)專(zhuān)用局域網(wǎng)之間部署信息交換與安全隔離系統(tǒng)，形成數(shù)據(jù)同步區(qū)，采用“安全隔離網(wǎng)閘”進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，立體庫(kù)聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)方案如圖6所示。

本方案核心思路是在航天企業(yè)內(nèi)網(wǎng)之外搭建一個(gè)立體庫(kù)專(zhuān)用局域網(wǎng)，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)區(qū)域處理用戶對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求，立體庫(kù)專(zhuān)用局域網(wǎng)區(qū)域處理設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求，并署立體庫(kù)設(shè)備。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和立體庫(kù)專(zhuān)用局域網(wǎng)中設(shè)置用于立體庫(kù)設(shè)備訪問(wèn)數(shù)據(jù)交換的代理服務(wù)器，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件。在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和立體庫(kù)專(zhuān)用局域網(wǎng)之間配置控制信息單向網(wǎng)閘和采集信息單向網(wǎng)閘，分別對(duì)系統(tǒng)下發(fā)給設(shè)備的控制指令、設(shè)備響應(yīng)后反饋給系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行“專(zhuān)用通道、單向”傳輸。實(shí)現(xiàn)信息流單向可控傳輸與雙向數(shù)據(jù)交換需求。

防護(hù)措施包括網(wǎng)絡(luò)防護(hù)措施（業(yè)務(wù)鏈路剝離、物理隔離、安全域邊界防護(hù)、邊界病毒防護(hù)、威脅檢測(cè)、接入控制），設(shè)備防護(hù)措施（服務(wù)器安全防護(hù)、工控設(shè)備安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全防護(hù)），應(yīng)用平臺(tái)防護(hù)措施（身份鑒別、權(quán)限劃分、安全審計(jì)、數(shù)據(jù)剝離、數(shù)據(jù)安全檢查、密級(jí)標(biāo)識(shí)校驗(yàn)、完整性校驗(yàn)、存儲(chǔ)安全性、數(shù)據(jù)傳輸安全性、協(xié)議封裝），業(yè)務(wù)系統(tǒng)防護(hù)措施，應(yīng)急處置措施等。

4.2 輔助設(shè)施配置

車(chē)間刀具集成管理系統(tǒng)配套的輔助設(shè)施包括：信息錄入工具（條碼掃描槍、讀卡器等）、刀具標(biāo)識(shí)工具（技改刻字機(jī)、條碼打印機(jī)）、刀具維保設(shè)備（磨床、對(duì)刀儀、刀架、轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)等）、信息發(fā)布設(shè)備（大屏幕電子看板、LED屏、瘦客戶電子終端等）。通過(guò)條碼掃描、刷卡過(guò)賬、車(chē)間看板信息提醒等方式，縮短信息采集與交互時(shí)間，快速響應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航天機(jī)加車(chē)間因刀具不齊套影響機(jī)床使用率的問(wèn)題，從航天機(jī)加車(chē)間的刀具應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，提出了面向MES系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)配置刀具資源的車(chē)間立體庫(kù)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)框架、業(yè)務(wù)流程、數(shù)字化集成環(huán)境、刀具編碼標(biāo)識(shí)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件架構(gòu)、功能模塊、集成接口，提出采用安全隔離網(wǎng)閘的立體庫(kù)設(shè)備安全入網(wǎng)方案，適應(yīng)航天安全保密管理要求。

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