航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、技術(shù)含量高、研制難度大、研制周期長(zhǎng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配、試驗(yàn)/試車、故檢、改進(jìn)設(shè)計(jì)、維修、再裝配的多次循環(huán)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)性能滿足產(chǎn)品規(guī)定的性能及作戰(zhàn)指標(biāo)。在最短時(shí)間內(nèi)，裝配出符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求的高質(zhì)量發(fā)動(dòng)機(jī)能夠大大縮短航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與維修業(yè)務(wù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，與其重要性不相匹配的是其信息化程度卻遠(yuǎn)落后于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全生命周期管理的瓶頸，加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES（Manufacturing Execution System）技術(shù)研究與應(yīng)用勢(shì)在必行。

MES是近幾年來(lái)在國(guó)際上迅速發(fā)展和面向執(zhí)行層的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)[1-2]。MES系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)企業(yè)車間級(jí)計(jì)劃制定、執(zhí)行、協(xié)調(diào)、跟蹤等的管理，屬于執(zhí)行層的信息管理系統(tǒng)。MES通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集、傳遞、處理計(jì)劃執(zhí)行情況、資源狀態(tài)等，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題并及時(shí)作出反應(yīng)，能夠?yàn)樯a(chǎn)管理者決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)項(xiàng)目，通過(guò)梳理航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、維修業(yè)務(wù)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES的特殊要求，提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

MES發(fā)展趨勢(shì)

隨著制造運(yùn)行管理與企業(yè)制造職能管理等理念的提出，MES技術(shù)發(fā)展趨向于集成化、智能化與并行化[3-9]。MES系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交換與業(yè)務(wù)的集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程的完整性，進(jìn)一步提升生產(chǎn)企業(yè)業(yè)務(wù)協(xié)同能力。通過(guò)MES與企業(yè)計(jì)劃層信息系統(tǒng)如項(xiàng)目管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)等集成，保證企業(yè)總計(jì)劃的落地，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的閉環(huán)控制，同時(shí)，MES與企業(yè)控制層系統(tǒng)集成如RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)、PLC （Programmable Logic Controller）技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)性與準(zhǔn)確性。隨著工業(yè)4.0戰(zhàn)略和中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的推進(jìn)，智能化制造等新理念的提出進(jìn)一步推動(dòng)了MES技術(shù)向集成化、智能化發(fā)展的步伐。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配業(yè)務(wù)特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配研究室作為研究所的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配部門，承擔(dān)著研究所所有發(fā)動(dòng)機(jī)及其試驗(yàn)機(jī)的裝配、維修、大修等任務(wù)。其生產(chǎn)模式屬于離散制造企業(yè)，同時(shí)，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配環(huán)境極為復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)緊急任務(wù)、裝配過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)缺件或其他導(dǎo)致裝配作業(yè)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行的問(wèn)題或故障等情況，其生產(chǎn)方式具有典型的單件、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。同一時(shí)間段內(nèi)，裝配車間往往同時(shí)開展著多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配或維修作業(yè)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)車間屬于裝配、維修、大修混裝生產(chǎn)線。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、維修的生產(chǎn)特點(diǎn)決定了裝配MES系統(tǒng)必須滿足以下要求：

圖1 裝配MES系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Assembly MES system structure

（1）滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、維修關(guān)鍵零部件技術(shù)狀態(tài)的跟蹤要求。

不同于一般類復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程管理要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，研制人員需要特別注重對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零組件的實(shí)物技術(shù)狀態(tài)的管控。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零組件技術(shù)狀態(tài)管理貫穿了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物整個(gè)生命周期，包括發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零組件的相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、到貨登記、檢驗(yàn)入庫(kù)、裝配集件、零組件出庫(kù)、單元體裝配、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配、裝配檢驗(yàn)、裝配串換件、發(fā)動(dòng)機(jī)試車、發(fā)動(dòng)機(jī)維修、關(guān)鍵零組件檢修等業(yè)務(wù)過(guò)程。因此，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)MES系統(tǒng)的車間作業(yè)計(jì)劃制定與調(diào)度的基礎(chǔ)上，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)需要建立以關(guān)鍵零組件為視角的、面向關(guān)鍵零組件技術(shù)狀態(tài)管理的、實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理功能，以保證關(guān)鍵零組件履歷的完整性和可追溯性。

（2）適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，零組件的反復(fù)拆裝作業(yè)要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、試驗(yàn)、維修、大修業(yè)務(wù)周而復(fù)始開展著。航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配以接收來(lái)自設(shè)計(jì)部門的裝配任務(wù)書及科研生產(chǎn)計(jì)劃主管部門下達(dá)裝配計(jì)劃開始，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配任務(wù)編制、下達(dá)、裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配作業(yè)執(zhí)行，最終以發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)交付試車結(jié)束。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車完成后，根據(jù)試車情況，確定是否需要返廠維修。航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修、大修業(yè)務(wù)以發(fā)動(dòng)機(jī)返廠登記為起點(diǎn)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)分解、故檢、再裝配等業(yè)務(wù)后，再次交付試車?？梢?，發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)零組件的反復(fù)拆裝作業(yè)是其又一特點(diǎn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)需要引入流程化管理的思想，基于網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的閉環(huán)控制。

裝配MES系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)前文所述發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、維修業(yè)務(wù)的特點(diǎn)及發(fā)動(dòng)機(jī)裝配MES系統(tǒng)的幾點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)了裝配MES系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。裝配MES系統(tǒng)架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配管理、發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)技術(shù)狀態(tài)管理、裝配工藝技術(shù)研究、支撐功能和系統(tǒng)管理等內(nèi)容。

裝配MES系統(tǒng)的核心功能是實(shí)物裝配管理和發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)技術(shù)狀態(tài)管理。其中，實(shí)物裝配管理又分為基于網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解過(guò)程管理及其他輔助功能如現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題管理等。發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)技術(shù)狀態(tài)管理以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型、配置、測(cè)量數(shù)據(jù)、壽命、履歷、故障等技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)集中管控為手段，通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解過(guò)程管理集成，采集并綜合管理關(guān)鍵零組件狀態(tài)標(biāo)識(shí)、使用履歷、修理履歷、位置追蹤等信息，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員提供準(zhǔn)確掌握發(fā)動(dòng)機(jī)每次裝機(jī)的技術(shù)狀態(tài)的能力。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配/分解過(guò)程功能模型Fig.2 Aeroengine assembly/disassembly process function model

裝配MES系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

裝配MES系統(tǒng)針對(duì)裝配車間管理的流程特點(diǎn)，確定了采用網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解流程的管理。裝配工藝人員在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配前，以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配/分解工藝規(guī)則為藍(lán)本制定本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配業(yè)務(wù)流程。MES系統(tǒng)依據(jù)裝配/分解網(wǎng)絡(luò)圖，通過(guò)流程引擎驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝配過(guò)程，隨著裝配作業(yè)的不斷推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、輸入和管理。針對(duì)裝配MES系統(tǒng)的另一核心內(nèi)容：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理，確定了采用集成模式，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、分解過(guò)程管理系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

1 基于網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)的裝配過(guò)程管理

裝配MES系統(tǒng)采用裝配網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解過(guò)程的流程化管理。裝配網(wǎng)絡(luò)圖是描述發(fā)動(dòng)機(jī)裝配關(guān)系的圖形，由工作節(jié)點(diǎn)和關(guān)系連線組成，并用規(guī)程區(qū)域框劃分不同規(guī)程所涉及的區(qū)域，規(guī)程區(qū)域可以折疊為一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)。

在梳理發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配/分解過(guò)程管理的功能模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流程、試驗(yàn)件裝配、發(fā)動(dòng)機(jī)分解故檢流程、試驗(yàn)件分解故檢流程等9大業(yè)務(wù)流程，并實(shí)現(xiàn)了流程的閉環(huán)控制（見圖2）。

2 基于集成模式的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體是BOM結(jié)構(gòu)（見圖3）。按照發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)裝配次和每一次分解次劃分?jǐn)?shù)據(jù)記錄點(diǎn)。其記錄內(nèi)容包括：初始拆分狀態(tài)、最終拆分狀態(tài)、BOM樹形結(jié)構(gòu)、零組件狀態(tài)標(biāo)識(shí)信息、零組件實(shí)物批次信息、修理信息、位置信息、質(zhì)量信息等數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)零件使用履歷、圖紙換版記錄和其他一些設(shè)計(jì)相關(guān)信息等。同時(shí)，為精確掌握發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、試驗(yàn)過(guò)程中構(gòu)型結(jié)構(gòu)的變更情況，系統(tǒng)采用了裝配BOM快照技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中構(gòu)型發(fā)生重大變更、發(fā)動(dòng)機(jī)試車前，發(fā)動(dòng)機(jī)試車后等節(jié)點(diǎn)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)某臺(tái)份某裝配次關(guān)鍵點(diǎn)裝配構(gòu)型快照。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理集成模型Fig.3 Aeroengine technology estate integration model

發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)信息來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、分解作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)。因此，裝配MES系統(tǒng)建立了基于集成模式的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理機(jī)制。通過(guò)與裝配過(guò)程管理子系統(tǒng)的集成，將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、分解過(guò)程結(jié)合，以設(shè)計(jì)BOM、裝配BOM、實(shí)物BOM和基于版本的零件信息為基礎(chǔ)，以裝配技術(shù)要求的下達(dá)為起點(diǎn)，以裝配任務(wù)和計(jì)劃為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程的控制，集成裝配過(guò)程中采集的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)（故障、裝配/分解工藝、檢驗(yàn)、測(cè)量數(shù)據(jù)等），實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物零件狀態(tài)、使用、修理、位置、質(zhì)量等信息的全方位跟蹤和管理。同時(shí)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)裝配快照技術(shù)保留發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中裝機(jī)技術(shù)狀態(tài)的變更記錄?；诩赡Ｊ降陌l(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理子系統(tǒng)，建立了與裝配過(guò)程管理子系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流程、發(fā)動(dòng)機(jī)分解流程、送件流程、庫(kù)房管理相關(guān)業(yè)務(wù)流程的全面集成。

結(jié)束語(yǔ)

基于集成模式的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)子系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理的角度，建立了與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程子系統(tǒng)的集成，包括與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流程、發(fā)動(dòng)機(jī)分解流程、送件流程、庫(kù)房管理業(yè)務(wù)流程的全面集成。本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制行業(yè)，經(jīng)過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、維修及大修業(yè)務(wù)特點(diǎn)、生產(chǎn)方式的深入分析和對(duì)MES技術(shù)的研究，給出了裝配MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并提出了基于裝配網(wǎng)絡(luò)圖的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配/分解過(guò)程管理系統(tǒng)方案和基于集成模式的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段發(fā)動(dòng)機(jī)裝配業(yè)務(wù)管理，系統(tǒng)經(jīng)歷了多次修改，已經(jīng)趨于完善，具有較大的使用價(jià)值。本文提出的裝配MES系統(tǒng)也可以在大型復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)中推廣應(yīng)用。

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