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面向航天产品装配的MES系统应用研究

2014/10/31        作者:滕晓燕  崔树华      
关键字:航天产品  产品装配  MES系统  
面向航天产品装配的MES系统在装配制造车间的生产管理中起到了连接管理层和车间控制层的桥梁作用,优化了装配车间生产管理流程,改善了传统装配车间管理的不足,消除了质量环上的影响因素,实现科学管理。系统能够为质量分析人员和车间管理人员提供准确、及时的生产数据以及丰富的数据统计和分析手段,为下一步决策提供依据,对生产计划的车间执行做到了实时监控,降低了装配过程中人为因素的影响,提高了车间的生产效率。

    制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统,它为计划的执行而跟踪所有资源(人、设备、物料)的当前状态,起着信息传递与沟通的作用,其重要程度越来越多地得到制造企业的关注。

1、装配车间的管理现状及MES特点

    装配车间存在装配过程中包含大量的零件、部件、工装夹具和设备等制造资源;业务量大,个别时间段任务相当重,且对交货时间和质量要求严格;装配车间与其他车间有大量物料协作;插单多、期限要求严格;订单任务重、产品种类多并且状态多等业务特点。此种业务模式下,具体存在的管理问题如下:

    (1)物料种类多、数量大,管理复杂。装配车间由于与其他部门或单位有大量物料协作,因而生产前的齐套管理困难;采用固定装配和流水式混合装配,使得生产过程中物料管理困难;产品种类多、相似度大,状态多,场地分散;导致物料管理复杂。

    (2)数据共享程度低。装配过程涉及到设计部门、工艺部门、生产部门与管理部门等众多部门,各部门的信息无法通过有效手段实现共享和有效利用,从而降低各部门相关人员的工作效率。

    (3)不能实时反映生产状况。当出现生产问题追查原因和责任时,数据不可靠,可追溯性不强。既不能保证统计数据来源的有效性和统计结果的正确性,也浪费了大量的人力资源,做不到实时反映车间装配情况。

    面向航天产品的装配MES系统,与传统的车间或者生产厂的管理相比,具有以下显著特点:

    (1)整体性。针对装配过程的MES能够使得飞机制造过程中所涉及的部门减少协调时间,提高企业各部门的工作效率,建立良好的部门通信协调以及反馈机制。

    (2)动态性。装配过程的MES能快速向计划管理层反馈生产现场的具体情况,计划层及时对生产计划进行调整,并将调整计划通过MES传递到生产现场,实现对计划的快速反应。

    (3)全面性。有效实现装配车间资源如人员、设备、场地、物料等的有效管理,以及车间装配过程的管理。

2、装配MES系统结构和功能模块

    装配MES系统为了方便生产现场操作和系统的灵活性,采用C/S结构与B/S结构相混合的方式,一部分查询、浏览和工位操作等与现场工作人员结台比较紧密的功能采用B/S方式实现,如车间现场的工艺浏览功能、任务查看和三维信息的展示等;其他功能大多采用C/S方式实现,如基础数据的管理等。

    结合航天企业信息化的发展情况,分析装配过程的业务流程,面向航天产品装配的MES系统的主要功能模块如下。

    2.1 基础数据管理模块

    基础数据管理是整个MES系绽实现的一个基础模块,它既要向本系统的各个模块提供各种资料和数据,还要接受来自企业其他系统的数据以及向其他系统反馈现场信息。该模块维护的各种数据与其他模块和系统的信息交互见图1。

 图1 基础数据管理模块涉及的数据流

图1 基础数据管理模块涉及的数据流

    2.2 装配生产计划与调度管理模块

    该模块的主要功能包括计划导入,计划编制、计划查询统计和计划下达,总生产计划由ERP系统导入,获得如计划号、件号、名称、计划数量、优先级、计划开始时间、计划结束时间等信息,再根据各个车间进行任务的合理编制并下达相应车间进行车间装配生产;根据车间装配生产计划及各生产指令和物料准备情况,适时制定、调整各班组的周生产计划;确保生产计划节点完成生产任务。同时将主计划完成情况反馈到ERP系统。

    2.3 装配作业管理模块

    装配作业管理模块是整个MES的核心,用来控制和协调计划订单在车间现场的执行过程。该功能模块可以根据企业对产品的复杂程度以及计划控制粒度灵活设置现场生产管理的层次和可控制点数,具有制造单元或设备的任务排序和负荷调整能力。作业管理模块与基于条码技术的数据采集过程、质量检查过程、故障处理过程和质量跟踪过程实现无缝集成。装配作业管理模块可实现不同生产方式的结合,以保证整个企业的需求为目标,其功能见图2。

图2 装配作业管理模块功能

 图2 装配作业管理模块功能

    (1)车间订单管理:根据装配计划管理模块下发的装配计划或者派工单将整个车间的装配任务分解成为按顺序排列的若干分段计划,以管理装配的纵向协同。

    (2)生产准备管理:生产准备为车间生产作业管理的重要内容,主要职责包括工具工装可用性检查、标准样件可用性检查、设备可用性校核、提前期校核和物料可用性检查。

    (3)工序作业计划管理:按照工作订单和车间订单的时间节点要求、采用最小加工周期确定工序的最早开工和最晚完工时间。将整个车间的装配任务分解成按工序顺序排列的工序计划,以管理需求物件在车间内部流转的纵向协同。确定每台设备或者每个工人在较短期间内的任务次序,进行装配任务的横向协同。

    (4)工序计划维护:工序计划维护功能主要是为适应企业批量投入分批产出习惯而专门设置的。上要任务是:对已开工批次的工序作业计划,因临时任务调整,分批进行生产,从完工的工序开始,生产新的工序作业计划并记录原工序作业计划的批号和任务号;当发生工序顺序变化和工序超越、临时增加工序时,生成新的批次号,打印新的工艺流程卡,记录工艺临时更改单号。

    (5)数据采集和过程监控:在数据采集中,主要采用与软件集战封装的条码数据采集技术进行生产进度和质量状态的数据采集和输入,以提高现场信息采集的精准度和效率;在装配的重要装配区和关键点进行实时监控来确保装配的质量,减少人为因素对装配质量的影响。

    (6)追溯功能:根据工序点采集的质量信息,可以向前和向后追溯质量状态和处理单号,一旦发现质量问题,可以追溯到批架次号、操作人、检验人、不合格品处置单号等信息。

    2.4 装配车间资源管理模块

    通过对车间资源的有效管理,提高资源调度的灵活性。尤其是在装配车间任务重或有临时性插单的情况下,通过车间资源管理合理调度人员和场地资源是缩短装配周期、控制成本的有效途径。主要功能包括人员管理、物料管理、设备管理、场地管理、资源组管理等。       

    MES系统建立人员信息数据库,提供车间的组织结构管理、人员技能、工作时间、休假等信息,以便能够准确及时掌握人员实时信息,为产品的及时交付提供保证,同时为车间的人员绩效考核提供依据。

    物料管理主要功能包括物料出入库管理、物料库存管理、物料准备、物料凋度和物料追踪等;零部组件管理包括:产品、部件及零件管理。它们的基本信息通过ERP系统导入MES系统,实现对零部组件基本信息管理、条码管理、分类管理、结构管理、工序模板管理、配套表管理,用于MES中计划排产、物料齐套和过程跟踪。在制品和辅料等库存信息从ERP系统获取,用于MES物料齐套管理。

    设备管理主要负责设备档案管理、设备运行管理、设备维修与维护计划等;装配车间的设备主要指测试设备、工位器具和工装,它们可能成为约束装配车间生产能力的最主要元素。因此建立设备信息模型、结合触摸屏数据采集实现设备监控,是提高瓶颈设备利用率的有效途径。

    场地管理基于场地分组,规范车间物料存放,场地关联还包括与当前摆放设备的关联。

场地定义有场地当量、人员限制、场地面积、备注等属性,需要产品增加占地面积属性。MES系统根据场地面积、存放产品数量和该产品的占地面积判断场地存放,预警规则需要用户给定。

    资源组是指车间用于生产计划执行必须用到的一类相关或相似的资源对象,这一类资源对象有共同的属性,可以归属于一组对象进行管理。资源组管理主要是把装配车间相关或类似资源以对象化管理,并赋予一定资源组属性,定义其代号、名称、是否排产等。

    2.5 生产看板与监控

    MES系统通过各种看板实现对车间生产信息的监控功能,提供不同人员不同的看板、看到不同的信息,达到生产可视化的目的。看板包括:车间作业计划看板、班组任务看板、车间设备看板、车间场地布局看板、物料齐套看板、工艺准备看板、报警看板看板等。

3、MES系统应用中的关键技术

    在制造业信息化建设中,MES系统处于企业管理层和车间层的中间层,是实现企业车间层管理透明化,为企业其他系统提供可靠信息的基础,实现从设计/工艺、企业管理、制造等多个层次的数据的充分共享和有效利用。在MES系统的应用中,主要包括以下2个方面的关键问题。

    3.1 MES系统与企业其他信息系统的集成技术研究

    飞机制造企业信息化发展中,采用的系统包括PDM、CAD、CAPP和ERP等信息系统,各自都有自己的数据库以及所涉及的核心数据模型,MES也不例外。但是作为信息化建设中的一个子系统,MES必须从其他系统中获取自己所需的基本数据,如产品结构、工艺数据、物料数据等,所以MES与其他系统之间的集成是必不可少的。

    航天产品是以BOM为主线组织新产品开发与生产的。以BOM为核心进行系统之间数据的有效集成,确保系统之间能够实现基础数据的链通,从而使得系统之间实现强内聚、弱耦合的功效。MES的数据基础是MBOM,MBOM包含所有构成产品的零组件、标准件、成品件、材料等组成单元及其装配关系和数量配套关系。反映工艺装配关系并说明配套来源的分层次的物料清单。

    (1)MBOM中的装配关系应记录装配单元之间的层次关系、装配单元与AO之间以及AO与零组件之间的装配结构关系,零组件之间装配结构关系与PBOM相同;

    (2)MBOM中零组件生产类型及工艺分工路线等信息与PBOM中相同;

    (3)零组件工艺文件,定义零组件的AO、加工设备、工装夹具、刀具、量具、工时定额、车间、班组等数据;

    (4)零组件之间的装配数量关系,主要描述零组件在装配过程中每道工序或每本AO需要装配的零组件号和数量,零组件之间的数量关系与PBOM相同。

    MBOM可为CAD、CAPP、ERP、PDM等的有机集成及企业集成提供统一有效的数据基础,以满足数据的唯一性、实时性、有效性、安全性等需求。MBOM的管理是制造数据管理的核心内容,而工艺信息是MBOM管理的基础内容。

    MES与其他系统的读写方式是在数据中心服务器上创建各系统中需要集成交互的物理表的复制版本或是中间表,数据的同步使用相关的刷新策略处理,将业务系统按原来的方式连接数据服务器,对于集成的数据直接在数据中心中获取,各系统不直接访问彼此数据信息,而是统一在数据中心。为了保证业务数据及时准确更新到数据中心,对于不经常处理的业务数据使用异步方式更新数据,对于即时响应处理的业务数据使用同步方式更新数据。

    3.2 插单业务的排产技术研究

    装配车间在生产中经常出现插单,(插单定义为:每月一个固定时间段,非此时间段下达的计划),MES系统采取以下方案来实现插单,提高计划编制的合理性。

    (1)在装配MES系统中,利用优先级来确定计划的紧急程度,优先级越高表示任务越紧急。例如:现在有多条生产计划数据,其装配计划的优先级(争取)最高,系统取值为15。此时,接到新的紧急插单order2、设定优先级为95。

    (2)插单后,选择排程,系统将高速自动生成调整过的进展状况以及追加急件的新计划。紧急计划占用设备之后,原有的未完成的生产任务会自动往后推延(锁定资源除外),但是已经完成或开始的任务不会受到影响。

    (3)排程的结果中未完成的生产任务被推到计划开始时间的右侧--顺延,已经完成或开始的任务不受影响,在计划开始时间的左侧,新追加的急件抢夺了资源。

    (4)在紧急插单处理时,系统也支持先手工锁定某个计划或某些工序,然后再进行重新排产,这样紧急插单重新排产时不影响已锁定的计划或工序的安排情况,以保证插单排产更加优化。

    (5)如果因为紧急插单的排产,导致出现了新的超期工作,计划人员对计划排产的结果不满意,可以通过计划重复修改、保存、向现场请示等一系列的操作来解决。如:通过合理设置优先级、计划的合并、工序合并、加班、甚至增加设备、人员来解决紧急插单对现有计划造成的影响。

结束语

    MES是装配车间生产管理信息化的重要技术手段,通过MES可以实现对车间生产过程的可视化、实时化与精细化管理,从而显著提高车间的制造效率、改善产品质量。 MES作为当前制造业信息化领域的研究与应用热点,已经成为一个不争的事实。针对我国航天产品装配的特点和车间生产管理现状,研究航天产品装配的制造执行系统,对促进我国装配企业制造信息化和自动化的建设具有重要意义。

责任编辑:卢玉琴
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