新一代運(yùn)載火箭制造數(shù)字化車間的探索和實(shí)踐

李維 董振義 李銳

一、引言

天津火箭公司作為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化基地，隨著型號(hào)任務(wù)數(shù)量逐步增加，資源沖突越來越多、成本控制要求越來越精細(xì)，生產(chǎn)模式向“多型號(hào)并舉，研制與生產(chǎn)并重，單件和批量并存”進(jìn)行轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管控和人工調(diào)度模式已無(wú)法滿足新形式下型號(hào)任務(wù)的需求，如何用信息化手段提升精細(xì)化生產(chǎn)管理水平和車間生產(chǎn)效率，成為迫切需要解決的問題。

本文結(jié)合TOC管理理論及JIT準(zhǔn)時(shí)制造管理方法，設(shè)計(jì)并建立了車間現(xiàn)場(chǎng)層、車間業(yè)務(wù)層以及智能決策層三層的數(shù)字化建設(shè)體系，并通過車間MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將其串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造流程化、作業(yè)計(jì)劃智能化、制造過程數(shù)據(jù)化，推進(jìn)信息化技術(shù)與鈑金制造的深度融合，開啟了公司數(shù)字化精益化制造的工作起點(diǎn)。

二、需求分析

鈑金車間作為天津火箭公司基本生產(chǎn)單元，仍采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式進(jìn)行組織生產(chǎn)，但隨著車間生產(chǎn)任務(wù)增多及公司生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致車間作業(yè)計(jì)劃可執(zhí)行性不高，現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)不及時(shí)，車間生產(chǎn)管理模式與實(shí)際需求的矛盾日益突出，主要表現(xiàn)為：

1、生產(chǎn)準(zhǔn)備管理不透明

在接到生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行生產(chǎn)之前，車間工藝人員需要按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行工藝準(zhǔn)備，物料管理員準(zhǔn)備物料，調(diào)度員根據(jù)工藝規(guī)程準(zhǔn)備質(zhì)控卡等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，信息的交流和傳遞主要依靠紙質(zhì)文件和口頭詢問為主，車間管理人員及調(diào)度組長(zhǎng)很難實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)準(zhǔn)備進(jìn)展。

2、任務(wù)安排計(jì)劃性不強(qiáng)

車間接收生產(chǎn)處下發(fā)的月度計(jì)劃，調(diào)度員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)拆分，任務(wù)調(diào)度和任務(wù)分派沒有綜合考慮物料齊套、定額工時(shí)、人員、設(shè)備和場(chǎng)地等約束條件的影響，很難實(shí)現(xiàn)車間資源優(yōu)化配置，導(dǎo)致車間生產(chǎn)計(jì)劃性不強(qiáng)。

3、產(chǎn)品制造過程信息不全面

車間仍采用紙質(zhì)版質(zhì)控卡和合格證的形式，記錄產(chǎn)品流轉(zhuǎn)過程及檢驗(yàn)的結(jié)果，信息量非常有限。隨著公司質(zhì)量管控細(xì)化和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的要求，需要建立產(chǎn)品制造履歷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工過程的質(zhì)量追溯。

三、建設(shè)思路

天津火箭公司鈑金車間具有“多品種小批量、研制與生產(chǎn)并重”等離散制造業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)。根據(jù)車間生產(chǎn)管理特點(diǎn)，建立了車間現(xiàn)場(chǎng)層、車間業(yè)務(wù)層以及智能決策層三層的數(shù)字化建設(shè)體系，并通過車間MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將其串聯(lián)和實(shí)現(xiàn)。首先，從制造流程和業(yè)務(wù)領(lǐng)域的角度上建立車間數(shù)據(jù)模型，將車間每一項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行過程抽象為一個(gè)“任務(wù)管理”，其中的每一項(xiàng)需要處理業(yè)務(wù)抽象為一個(gè)“任務(wù)管道節(jié)點(diǎn)”，形成了以“任務(wù)管道”為核心的車間業(yè)務(wù)層，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的流程化透明化;將制造流程、生產(chǎn)工序進(jìn)行量化管理，結(jié)合五個(gè)生產(chǎn)班組的不同生產(chǎn)特點(diǎn)，搭建以車間、調(diào)度和反饋三層架構(gòu)為核心的智能決策層，形成車間“智能大腦”;通過產(chǎn)品條碼和工序條碼，將生產(chǎn)工序、設(shè)備加工數(shù)據(jù)和檢快數(shù)據(jù)等過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行串聯(lián)，形成以產(chǎn)品制造履歷為核心的車間現(xiàn)場(chǎng)層。通過車間現(xiàn)場(chǎng)層、車間業(yè)務(wù)層以及智能決策層三層的數(shù)字化建設(shè)體系，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造流程化、作業(yè)計(jì)劃智能化和制造過程數(shù)據(jù)化.系統(tǒng)整體思路架構(gòu)圖如圖1所示。

四、功能設(shè)計(jì)

1、基于“任務(wù)管道”的制造流程

針對(duì)公司產(chǎn)品生產(chǎn)過程的不確定性、制造管理的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)開發(fā)了以“任務(wù)管道”運(yùn)行為核心的制造過程模型，其核心思想是根據(jù)不同生產(chǎn)任務(wù)需求構(gòu)建不同的任務(wù)管道，并為其綁定不同的制造節(jié)點(diǎn)，在制造執(zhí)行鏈路執(zhí)行過程中，可以對(duì)制造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和觸發(fā)異常情況。制造過程模型是產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的抽象，將車間每一項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)抽象為一個(gè)任務(wù)執(zhí)行管道，管道中包括各種定制的正常節(jié)點(diǎn)和異常節(jié)點(diǎn)。通過記錄生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的節(jié)點(diǎn)，還原整個(gè)生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)全過程的流程記錄和數(shù)據(jù)記錄。制造過程模型的原理圖如圖2所示。

制造過程模型中的正常節(jié)點(diǎn)和異常節(jié)點(diǎn)，來源于車間的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，包括工藝管理、質(zhì)量管理、工裝管理、設(shè)備管理、工具管理、量具管理、原材料管理、成本管理和任務(wù)執(zhí)行等，基本涵蓋車間目前所有的業(yè)務(wù)，如圖3所示。制造過程模型通過消息總線的方式，與公司各職能處室的領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)集成，將公司的生產(chǎn)管理模式由“處室提要求、車間被動(dòng)執(zhí)行反饋”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤幨矣嗛嗆囬g業(yè)務(wù)領(lǐng)域的消息，自動(dòng)接收生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”新的生產(chǎn)管理模式，如圖4所示。

2、基于TOC的多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化

面向瓜辦頂蓋、蒙皮壁板、桁條、型材框、板材框和小鈑金件等六類典型鈑金零件的制造全過程，結(jié)合五個(gè)生產(chǎn)班組的不同生產(chǎn)特點(diǎn)，搭建以車間、調(diào)度和反饋三層架構(gòu)為核心的車間多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化體系，分別梳理每一層的輸入數(shù)據(jù)、約束條件和排產(chǎn)結(jié)果，生成面向生產(chǎn)車間精細(xì)化管理的計(jì)劃調(diào)度方案，同時(shí)整合不同生產(chǎn)班組的反饋數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地協(xié)同優(yōu)化調(diào)整，生成高度可執(zhí)行的計(jì)劃調(diào)度方案，如圖5所示.

以調(diào)度層優(yōu)化決策為例，在進(jìn)行車間工序級(jí)作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)功能設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)車間工藝流程及生產(chǎn)執(zhí)行狀況，結(jié)合ToC管理理論，通過計(jì)算設(shè)備資源在計(jì)劃周期內(nèi)的負(fù)荷率，標(biāo)定熱處理工序及后續(xù)需要連續(xù)作業(yè)的修整工序?yàn)檎麄€(gè)車間生產(chǎn)的瓶頸環(huán)節(jié)。在作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行排產(chǎn)中，以熱處理瓶頸環(huán)節(jié)為控制節(jié)點(diǎn)，瓶頸環(huán)節(jié)之前采用JIT準(zhǔn)時(shí)制造為基礎(chǔ)的拉式控制，后續(xù)采用推式控制，形成推拉結(jié)合的生產(chǎn)計(jì)劃及控制的模型。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，首先通過“牌號(hào)”“狀態(tài)”“規(guī)格”三個(gè)字段來判斷待熱處理的產(chǎn)品是否能同爐加工對(duì)于緊急件，可以任務(wù)插單并立即安排生產(chǎn)，對(duì)于非緊急件，則根據(jù)任務(wù)交付的時(shí)間及任務(wù)優(yōu)先級(jí)確定可同爐組批的任務(wù)，形成節(jié)點(diǎn)控制信號(hào)，對(duì)瓶頸之前的作業(yè)工序形成拉動(dòng)計(jì)劃;對(duì)于后續(xù)工序則根據(jù)任務(wù)交期及車間生產(chǎn)能力進(jìn)行排產(chǎn)，如圖6所示。

3、基于條碼與設(shè)備加工數(shù)據(jù)的完工反饋

由于公司零部件任務(wù)信息、質(zhì)量信息、加工過程信息在不同的系統(tǒng)中管理，缺乏一條主線將各類信息進(jìn)行串聯(lián)，因此，首先建立零部件的分類編碼體系，按照產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)將生產(chǎn)任務(wù)編碼與產(chǎn)品編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)產(chǎn)品實(shí)行終身唯一編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造全過程進(jìn)行識(shí)別與跟蹤。MES系統(tǒng)在公司產(chǎn)品編碼體系基礎(chǔ)上，形成工序級(jí)條碼.基于工序條碼的作業(yè)計(jì)劃，如圖7所示。

車間生產(chǎn)人員每日領(lǐng)取帶工序條碼的生產(chǎn)任務(wù)派工單，在開工與完工時(shí)通過工位掃槍掃描任務(wù)單上的工序條形碼，同時(shí)，MES系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集服務(wù)，采集數(shù)控設(shè)備的加工參數(shù)以及加工視頻等信息，完成工序級(jí)作業(yè)任務(wù)完工反饋，如圖8所示。

五、應(yīng)用效果

鈑金車間MES系統(tǒng)通過實(shí)際應(yīng)用，總體運(yùn)行情況良好，取得了以下效果：

（1）消除計(jì)劃傳遞中信息斷層，打通科研生產(chǎn)信息主線。MES系統(tǒng)自動(dòng)獲取車間生產(chǎn)計(jì)劃信息，進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備、任務(wù)投產(chǎn)、自動(dòng)排產(chǎn)、任務(wù)指派、生產(chǎn)執(zhí)行及完工反饋等工作，任務(wù)準(zhǔn)備情況及執(zhí)行情況將自動(dòng)傳遞至公司級(jí)月度計(jì)劃管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公司級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)、車間生產(chǎn)任務(wù)接收、生產(chǎn)準(zhǔn)備及執(zhí)行情況反饋的閉環(huán)管理。

（2）將車間制造過程流程化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的全過程追溯，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量控制?！吧a(chǎn)任務(wù)管道”運(yùn)行過程包含了從任務(wù)分解、任務(wù)績(jī)效評(píng)價(jià)和產(chǎn)品交付整個(gè)產(chǎn)品制造生命周期，涉及了產(chǎn)品制造過程的計(jì)劃、物料、生產(chǎn)準(zhǔn)備、質(zhì)量、進(jìn)度和異常處理等所有業(yè)務(wù)流程。通過還原“生產(chǎn)任務(wù)管道”，實(shí)現(xiàn)從時(shí)間、事件、設(shè)備和人員多維度進(jìn)行產(chǎn)品制造過程的記錄和追溯。

（3）基于TOC的多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化，為不同層次的管理者提供不同的智能決策支持，使車間生產(chǎn)計(jì)劃切實(shí)可行。通過大數(shù)據(jù)分析，識(shí)別車間生產(chǎn)關(guān)鍵短線，并對(duì)生產(chǎn)過程中瓶頸環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，拉動(dòng)工序作業(yè)計(jì)劃，提高資源利用率和生產(chǎn)效率。

六、結(jié)論

本文在分析新一代運(yùn)載火箭鈑金車間精細(xì)化生產(chǎn)管控需求的基礎(chǔ)上，從改善車間管理、提高生產(chǎn)效率入手，建立了車間現(xiàn)場(chǎng)層、車間業(yè)務(wù)層以及智能決策層三層的數(shù)字化建設(shè)體系，并通過車間MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將其進(jìn)行串聯(lián)和實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)建立公司數(shù)字化車間開展了一些探索工作，為公司建立智能化工廠積累了經(jīng)驗(yàn)。