航空典型产品数字化车间制造执行系统快速实施研究.pdf
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1、第45卷 第08期 2023-08【1】?收稿日期:2021-10-25基金项目:陕西省科技重大专项(2019zdzx01-01-02);中国航空制造技术研究院青年基金(KS912030145)作者简介:张鹤鹏(1994-),男,天津人,工程师,硕士,研究方向为数字化制造技术、工业软件研发等。航空典型产品数字化车间制造执行系统快速实施研究Research on agile implementation of MES in digital workshop of typical aviation products张鹤鹏*,谢鹏志,杨 威,司守钰ZHANG He-peng*,XIE Peng-zh
2、i,YANG Wei,SI Shou-yu(中国航空制造技术研究院,北京 100024)摘 要:针对在离散制造行业,尤其是军工科研行业,制造执行系统(MES)实施过程中遇到的问题,分析了实际业务需求,提出了“以微服务架构为基础的标准化平台产品+支持第三方定制化开发的成套规范”的快速实施方法,缩短了实施周期,精简了实施团队规模,减少了实施成本,并通过在某航空制造业典型产品车间的实施,验证了可行性与有效性。关键词:制造执行系统(MES);快速实施;标准化平台产品;定制化开发规范中图分类号:TP391 文献标志码:A 文章编号:1009-0134(2023)08-0001-060 引言作为企业提高生
3、产效率、提升管理水平的重要手段,制造执行系统(MES)一直是辅助车间生产管理的必要工具,处于资源计划层和作业执行层之间,主要完成对企业生产计划的分解、调度、执行与反馈。随着智能制造的概念越来越深入人心,更加丰富的设备互联、数据采集与人机交互技术,正在推动生产现场运行管控模式的变革与升级。相应地,MES要实现尽可能多的互联,体现其枢纽作用1。因此,MES涉及的技术应与时俱进,实施周期也应逐步缩短,以更全面、更敏捷地响应日益增长的市场需求。而随着各种数字化、智能化技术的成熟,与MES实施经验的积累,在此基础上,“以微服务架构为基础的标准化平台产品+支持第三方定制化开发的成套规范”的模式的提出,将有
4、助于指导MES项目快速实施,提升企业的生产与管理效率。1 研究背景1.1 军工科研行业MES应用现状在流程行业得到顺利推广后,MES在离散行业的普及也越来越成熟,各行业中不乏成功应用的案例。在船舶业实施后,缩短了加工协调的时间,使最大完工时间达到最小,提高了生产效率;通过车间看板和进度管理模块,提升了管理效率,实现了生产计划与实际任务稳步推进,产品质量逐步提升2;在航天业实施并与自动化仓储物流管理系统、物料编码、立体库集成,改造生产线,实现了仓储、物流环节的产品实时追溯与高效化、有序化及智能化管理3;在航空业选择构建合适的系统模型及功能模块,从装配制造计划、零件制造计划、配套需求计划和工装制造
5、计划几个方面提出了计划优化实施方案,实现对飞机装配制造企业生产计划的优化和生产管理系统的提升4。上述离散行业也恰好是军工科研行业的代表,在研究过程中,我们也不难发现军工企业生产的共同特点5:面向订单拉式生产、单批订单量小、零组件种类繁多、设计变动大、生产周期长、质量要求严格,有些还需要异地多厂协同作业。这就给生产增添了许多难题:1)工艺知识管理难,主要体现在零件种类多、工序流程长、设计不成熟带来的版本迭代频繁;2)计划排产难,主要原因是生产周期长、生产要素多、订单变动灵活;3)过程数据收集难,生产设备的数据、各级检验的结果等信息的采集比较分散,只能依靠手工记录、整合;4)信息传递共享难,时间上
6、,由于生产流程长、数据采集不系统造成信息滞后,空间上,由于多厂协同、外协环节多造成信息共享难;5)生产周期管控难,体现在对制造资源管理难、对工时统计难、对过程质量监控难、对排产计划调整难、对生产进度把控难。部分问题通过现有的MES正在陆续得到解决,但随着智能制造相关技术与工业物联网技术的成熟,生产过程中的“人”、“机”、“料”、“法”、“环”、“测”等全生产要素都可以被数字化联网感知、被系统监测控制,这在推动数字化车间的生产管理全面升级的同时,对MES也提出了更高的要求要对生产过程中的全生产要素、全【2】第45卷 第08期 2023-08业务过程、全系统集成等多维度实现尽可能多的互联,凸显其枢
7、纽作用。1.2 信息技术背景作为助力企业进行智能化转型升级的重要信息系统,MES的内容要与时俱进,概念上体现以下特点:执行精准化、精细化和协同化,体现精益生产的理念,数字化设备互联互通,管理与控制智能化,实施专案化、人性化、务实化;在实施中,也应结合其他先进的生产控制技术,构建智能工厂,以提升智能制造技术水平,促进制造业的转型升级和智能工厂的实现。微服务架构能够帮助MES系统解耦,从而便于部分业务模块的快速定制化构建。通过微服务框架技术实现细粒度的制造原子微服务注册部署,依据制造业务流程逻辑依次实现原子制造微服务的获取,可以满足制造企业MES个性化需求6。某注塑企业基于微服务架构设计并实现了M
8、ES系统,包括单点登录、实时监视、报表管理、系统管理等微服务模块,给出了微服务的运行流程设计、功能模块设计、数据模型设计、服务接口设计等7。相比效率较低的传统部署方式,基于Docker容器技术的软件部署可以将微服务架构与云平台化结合,具有一定的优势,是MES云部署的未来发展方向。北京机械工业自动化研究所基于Docker建立PaaS云服务,设计微服务制造执行系统部署架构,通过镜像构建、镜像管理与分发、部署实例、移动端自动化功能模块打包生成App的部署方案的具体实现,验证了部署方案可行性,简化了部署流程,提升系统开发与部署效率,为MES云平台化提供了必要的技术支持8。对于生产过程中设备数据采集的问
9、题,OPC UA通信原理凭借其兼容性强、配置维护方便、通信范围广、通信性能高的优点,成为当前普遍采用的安全、可靠的技术手段9。某炼钢厂将OPC UA应用于MES底层,作为数据传输的接口,利用Node-Red流式编程进行OPC UA客户端的编写,为数据设计了对应的集合和文档格式,实现对MES数据采集模块选择合适的数据库及存储格式9。某柜体智能制造车间使用Python语言开发了底层设备通信的OPC UA服务器端程序,使用Java语言编写了OPC UA客户端程序,并集成到MES系统中,验证了OPC UA通信方式用于MES系统设备监控的可行性10。2 车间MES系统定制化快速实施研究笔者所在的工业软件
10、实验室团队一直致力于车间级MES系统的管理改进与技术升级工作,配合提高管理水平,更好地解决航空企业生产中的难题,并向军工科研单位等离散流程行业逐渐推广。2.1 车间MES系统基础软件架构如图1所示,MES系统分三层组织,数据流动方向如图中箭头所示。以车间管控层为主,将制造工艺、制造资源、作业任务、执行过程记录、运行状态控制等多个种类数据信息存入数据库,实现中间所示制造资源管理、作业计划创建、生产调度、运行监控、数据分析等功能;向上与企业应用层(ERP、OA系统等)的集成,通过集成接口调用与按规定格式的文件导入、导出实现;向下与作业执行层的集成包括设备参数、环境参数、试验检测数据等内容,其中试验
11、检测数据包括工序检验、成品制样检测等,通过与现场总线数据接口、检测设备数据接口集成实现。从软件架构层面看,MES系统既要在系统内部实现对车间运行中多方业务的全面管控,又要通过多种方式的系统集成纵向连通企业应用层、作业执行层。图1 MES系统软件架构2.2 以微服务架构为基础的标准化平台产品微服务架构可将管控平台按照业务与职责划分为多个业务敏捷、独立演进的功能模块,实现功能模块的高内聚、低耦合,提高业务应变能力和可扩展性。Docker容器技术使得每个功能模块可以部署多实例,保证平台的高可用。微服务架构+Docker容器技术是云原生架构的基础,使得平台具备上云的能力。以微服务架构为基础的整体技术架
12、构原理图如图2所示,包含数据库层、微服务平台层、网关层、应用层四层结构,其中数据库层是所有数据的逻辑、物理寄存处,支持ORACLE、MYSQL等关系型数据库与非关系型数据库;微服务平台层是整个结构的核心平台,基础平台功能的集合;网关层是整个系统的逻辑操作通讯处;应用层是各种应用APP的集中。以微服务架构为基础的通用平台架构如图3所示,数据边界以上的部分为通用平台,采用了云原生的微服务架构。设备数据通过边缘层采集,并由数据采集中间件接入并传输到平台,再由平台的微服务对数据进行统计分析,成为平台的设备数据资源。平台包括标准微服务集、自定义微服务集和第三方微服务集,其中标准微服务集为标准APP集提供
13、服务支撑,属于业务功能组件的标准组件范畴;第45卷 第08期 2023-08【3】图2 总体架构原理图自定义微服务集为自定义APP集提供服务支撑,属于业务功能组件的定制组件范畴;第三方微服务集是指平台支持与第三方的软件进行集成;业务内核与配置内核是平台自身核心,属于平台功能组件范畴,API智能网关为APP与微服务前后端分离提供身份认证、权限认证、消息路由等功能。图3 通用平台总体架构通用平台作为功能模块的运行容器,提供APP运行环境和管理功能,以“平台+APP”的服务组织模式,为用户提供功能组件。功能组件如图4所示,分为以下两部分:1)业务功能组件,为不同业务提供信息化支撑,分为定制组件和标准
14、组件两部分:(1)定制组件,针对不同业务的个性化需求定制开发的组件,如人机交互中的UI设计等;(2)标准组件,通用程度较高的业务组件,如企业级的任务分解等;2)平台功能组件,主要用于通用平台的管理,分为应用平台与核心平台两部分:(1)应用平台负责用户个性化管理、用户权限等;(2)核心平台包括多组织管理、微服务管理、APP管理等。综上,以微服务架构为基础的通用平台具有以下优点:1)对工业级应用的构建,轻松实现敏捷开发;2)将工业知识解耦、提取,封装到微服务中;3)支持容器化部署、横向动态扩展、业务APP组件化,局部功能升级、版本迭代更平稳、流畅;4)支持OPC UA、Ethernet IP多种常
15、用工业协议接入,支持采集数据的统一配置,与现场总线集成更简洁、高效;图4 通用平台功能组件5)支持Chrome,Firefox等H5浏览器,适配PC机、触屏移动设备等多种终端,提供风格统一、交互安全、操作直观的交互体验;6)支持通过容器技术部署到各类型云平台;7)技术开源,符合军工行业的自主可控需求。由于实际业务涉及到多种功能扩展,如何快速的开发、部署、集成到通用平台上,将直接决定研制上线的时间和效果。这就需要制定统一的开发规范与实施流程规范,来将通用平台转化为标准化平台产品。统一的开发规范,涉及微服务、APP、数据库等多个方面,包括界面设计规范、代码开发规范以及通用类集成接口规范等;实施流程
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