面向国防军工行业数控机加车间的制造执行系统研究与应用

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　　引言
　　近年来，国防军工行业科研生产任务不断增加，新产品研制周期和批量生产转换周期明显加快，要求企业大幅度缩短零件工艺技术准备周期和零件加工剧期，对质量控制和成本控制也提出了更高的摹求。
　　制造业信息化走到今天，制造车间数字化已为制造企业所广泛认同，裁们已经清醒地认识到：制造技术的领先和制造过程高效管理是保持持续发展的关键。为应对更加激烈的市场竞争，市场法则迫使我们必须以高教的晦部运作和敏捷的制造响应能力去应对变幻莫测的市场。在工厂的制造过程中，生产计划高效执行从某种意义上讲甚至比计划制订过程本身更加重要，而传统的MRPⅡ/ERP系统的计划制订过程得不到有力支持(仅能依据市场需求及企业宏观资源、能力，而至关重要的车间执行层信息无法有效获取)，强计划、弱执行的问题目渐突出。制造企业迫切需要提高制造车间的可视化水平，在优化资源配置、优化生产过程的同时，实现车间执行、控制过程的高效管理和控制，实现由上(MRPⅡ/ERP)至下(设备控制层/SFC)的信息集成，提高快速制造响应能力。
　　1 NC-MES解决方案
　　成飞数控制造执行系统(以下简称NC-MES)是中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司(下称中航工业成飞)开展制造车间数字化工作近二十年，融入先进制造和管理理念，积累和沉淀先进IT技术和实施理念而自主研发的一套面向同防军工行业离散机加车间的数字化综台集成解决方案。此系统帮助企业借助先进IT技术快速融入企业核心管理思想和先进制造理念，帮助企业迅速措建起柔性化、集成化、智能化的车间数字化综合集成应用环境，帮助企业切实解决生产计划管理、作业跟踪、现场管理和控制等问题，快速提升制造车间响应能力和制造柔性，在合理控制成本的同时，大幅度提高生产效率和效益，从而有力提升企业综合制造竞争力。NC-MES系统的体系结构如图1所示。

　　

　　图1 NC-MES功能结构图

　　1.1系统组成
　　系统由12个基本模块组成，通过轻松扩展，可以实现与企业现有业务的无缝集成，另有7个扩展模块，便于措建数字化车间综台集成应用环境，快速完成数宇化车间的构建，如图2所示。

　　

　　图2 NC-MES系统功能组成

　　基本功能：
　　系统配置管理、制造基础数据管理、订单管理、车间计划管理及详细排产管理、生产派发管理、在制品跟踪管理、车间质量管理、生产现场数据采集、实时DNC系统、制造资源管理、成品库存管理。
　　扩展功能：
　　生产现场信息综合采集技术、车间成本管理、车闻人事管理、资产管理、物资管理、车间信息门户、KPI绩效分析等。
　　1.2系统特点
　　·紧密衔接和对应国防军工行业制造过程的管控需求
　　系统在广泛调研行业管控需求的基础上，结合行业特点，提供符台国防军工行业生产过稗管理和控制实际需求的解决方案，系统已经在典型军工行业背景下的数控机加车间得到成功应用，应用时间已达5年以上，其积累的应用经验将有助于产品更加贴台行业应用。
　　·制造执行系统现行国际标准ISA-95接轨
　　依据制造执行系统的现行国际标准ISA-95，指导系统总体设计，同时充分考虑国防军工行业离散制造环境下的应用特点，对标准功能进行扩展和细化。源于标准而超越标准，NC-MES与ISA-95的功能对比如图3所示。系统的设计、开发过程严格遵循国家软件开发工程规范，应用实施过程规范、严谨。

　　

　　图3 NC-MES与ISA-95涵盖的功能对比

　　·提供车间管理层到设备控制层的完整解决方案
　　系统提供制造车间自上而下管理及控制过程的完整解决方案(包括实时DNC系统厦生产现场信息综合采集技术的设施).便于制造车间数字化技术的全面应用和实施.降低实施难度和应用风险。
　　·融合先进的管理思想
　　NC-MES融台精益生产、约束理论等先进管理思想，强调为客户和所有参与者创造价值，由客户驱动价值流不间断的流动，为不断消除浪费而进行持续的改进。系统更关注也更易于实现以客户需求拉动的生产执行过程、订单的全程跟踪、库存的有效降低、缩短流转周期、生产作业与质量作业过程的协同等。
　　·模块化设计，便于快速部署
　　系统由系列模块化管控模块构成，各个模块针对不同管控业务设计，根据企业的应用实际，各个模块可以进行灵活的配置和组台，可以最灵活性的满足企业实施过程中不同层次、不同范围的应用需求。
　　·高集成性、开放性、易用性
　　系统本身具备良好的开放性和可扩展性，便于与企业现有应用系统(如MRPII、ERP、PDM、CAPP、DNC等)无缝集成，存提供标准集成接口的同时，允许根据实际应用进行灵活的集威接口定制，确保集成的成功，保护现有投资。系统采用分布式计算的开放体系结构和标准的图形用户界面，方便各层次人员使用。
　　·实时化、网络化制造过程信息管理，丰富的报表和统计查询功能
　　系统提供实时化、网络化的信息管理功能，实现对建产制潴过程的各类信息进行有效分类和合理编织，提供预定义的和可定制的工厂KPI指标、丰富的报表和统计查询功能，实时、全面地反映工厂计划、执行、存货、质量和过程状态。
　　2 NC-MES关键技术解决途径
　　2.1车间生产计捌豆详细排产管理
　　车间生产计划及详细排产管理是NC-MES的核心功能，以预定义的制造基础数据为基础.根据接收的制造订单厦任务相关工艺路线、制造资源压期量数据(加工周期、经济批量等)，依据计划期工作日历，当前的在制品情况、库存情况、设备负荷能力情况，自动运算出满足一系列复杂的计划约束条件.满足预定的优化目标的详细排产计划.并基于此计划生成制造资源需求计划，协调制造资源的准备过程。
　　设计的原则：
　　·遵循约束理论和资源优化原则
　　系统生成的详细排产计划将满足订单优先级约束、瓶颈设备生产能力约束、工序制造资源可用性约束、工序先后次序约束、工序同步约束、作业订单最早丹工时间以及最晚交付时间约束、工作日历约束。以瓶颈设备最大利用率、订单最小延迟、任务最短作业时间为优化目标，以此进行详细生产排程。
　　·灵活、可配置、可扩展的详细排产算法
　　根据应用实际。可以进行排产算法的灵活配置和排产策略的设置，并支持外部排产算法和工具。
　　功能组成及特点：
　　·根据从制造订单的交货期、计划数量等要求，确定计划期目标任务。
　　·根据计划期工作中心配置、工作中心日历、目标仟务情况结合当前的存制品情况进行设备负荷能力试算，寻找瓶颈设备并进行负荷能力平衡，减少设备争用和仟务等待。
　　·提供排产试算功能，用户可以自定义排产的各种约束条件，根据多次试算结果对比分析，找出最优的生产计划方案。
　　·在满足各种约束条件的情况下，以瓶颈设备最大利用率、订单最小延迟、任务最短作业时间为优化目标进行详细排产运算，寻找最优化的排产结果。
　　·以甘特图的方式展示详细排产计划，提供级联计划调整功能。
　　·依据排产计划自动生成制造资源需求计划(如刀具、工装夹其、原材料等)。
　　·为MES相关子系统提供指导，如刀具、工装系统得到月计划可以提前准备，保证按时按需供应，从而减少各种资源的积压.控制车间总体制造成本。
　　2.2在制品与物料跟踪管理
　　在制品跟踪管理作为NC-MES的重要组成部分，我们参照行业在制品管理规定，结合同防军工行业在制品管理特点厦在行业内的长期应用实践经验进行了精心设计和开发，具有功能灵活实用、管理细化全面、易于扩展等特点，其功能示意图如图4所示。

　　

　　图4 在制品管理示意图

　　功能组成及特点：
　　·在制品台帐管理：支持在制品台帐的自动维护和管理，支持以报表、图表等方式分析和展示，以直观、实时、准确地反映存制品情况，满足军工行业对在制品进行全面管理的要求。
　　·在制品跟踪管理支持在制品状态管理：保证生产过程中各个环节、各工序间存制品存数量、时间、空间、状态方面的紧密衔接，实现控计划、有节奏、随时可控的生产。
　　·在制品成本管理：全面支持在制品的成本管理，可实现生产物流信息和资金流信息的完整跟踪和同步管理，强化在制品的状态跟踪，减少积压、加速周转、缩短生产周期、提高经济效益。
　　·在制品质量管理：强化质量控制管理，按照关键件、重要件属性或ABC分类法分类管理，管理突出关注在制品管理重心。针对在制品在生产过程中发生的质量状况进行报废、超差、返工、返修等处理，支持在制品跟踪过程与质量管理过程的集成和协同工作。
　　2.3生产现场综合教据采集
　　生产现场数据采集是衔接制造车间执行层与设备控制层的关键环节.系统通过实时采集生产过程各类实时信息(包括生产进度、质量数据、现场故障、设备负荷情况、人员工作状态、在制品加工状态等)，为NC-MES其他各个功能模块提供准确、实时的生产现场信息，为NC-MES的高效运行提供强有力的现场数据支持。
　　系统功能及特点：
　　·生产派工查询和完成情况反馈支持派工计划的查询、测览和完成情况实时反馈。
　　·提供现场实时工况发送和管理功能。
　　·提供现场制造资源(刀具、工、量具、工装)的管理功能
　　·数控NC程序管理：提供与POM的集成接口，可实现基于派工任务的NC程序自动联网下载。
　　·设备完成、个人完成情况统计查询。
　　·提供多种生产现场信息采集技术的接口：包括lC卡、条码、RFID、磁卡、触摸屏、数据终端等。
　　·可与DNC系统集成，实现数控机床实时数据采集。
　　3 NC-MES在中航工业成飞的应用情况
　　3.1 NC-MES应用促进了数控生产组织与管理水平的显着提升
　　数控车间制造执行系统的工程化应用已经覆盖数控零件生产的各个环节.包括订单管理、生产计划管理、负荷计划与能力平衡、作业管理与调度、制造资源管理、现场管理与控制等，实现了零件从计划下达到生产投料，到加工过程跟踪直至完工交付全过程的动态管理和信息跟踪。通过制造执行系统的集成应用，有力推进了生产管理的数字化，实现了数控车间生产管理的科学化，精细化，促进了数控生产管理的进步，数控生产管理逐步由粗放管理向精益化管理方式转变，情况见表1。
　　表1数控生产管理逐步由粗放管理向精益化管理方式转变

　　

　　3.2实时DNC系统实现了全面应用，大幅度提升了生产过程的管控能力和响应速度
　　通过对开放式数控系统实时监测技术的研究。项目组取得了一系列突破性的成果，生产过程管理手段更加灵活丰富，过程管控能力和响应速度大幅度提升。目前已在中航工业成飞、中航工业哈飞、四川成飞集成科技股份有限公司等单位部署并成功应用，取得了良好的应用效益。


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