航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統

喬耀峰，董 碹，蔣 波，劉 劍

(1.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306，2. 北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

隨著智能工廠、智能制造、工業4.0等概念不斷成熟，國務院發布了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》、工業和信息化部發布了《工業互聯網發展行動計劃(2018～2020 年)》等綱領性文件，為航空發動機行業智能化改造、網絡化化升級提供政策引導，行業發展支持，同時，邊緣計算、大數據、云平臺、人工智能、智能化倉庫系統、配送系統等內容也為航空發動機行業智能改造提供了有力的技術支撐。

隨著國家對航空發動機行業重視，如何提高航空發動機生產效率、提高生產過程質量、提高數字化能力、提高智能化水平、提高生產過程管控能力是目前航空發動機行業亟待解決的問題。在實際實施過程中，選取某航空發動機加工生產過程為業務范圍，梳理業務需求，分析過程問題，提出解決方案。具體梳理內容如下：

1)加工業務旨在提供航空發動機研制所需的核心零部件加工工藝探索及管控，具體包括增材制造、焊接、打孔技術探索，零件、工裝的返修或補加工等。

2)加工現場存在生產要素多、加工設備多、數據種類多、物料管理復雜等特點，目前主要方式為人工管理，采用紙質記錄方式開展；人機料法環等生產要素未實現全范圍、全流程等內容采集；

3)加工現場已開展制造執行系統(MES)、制造工藝系統(CAPP)的建設，但無法實現通過工單進行物料拉動，物料無法進行提前備貨，需要人工進行干預協調；

4)現場可視化手段少，各崗位人員無法及時和掌握現場生產動態，及時采取措施，進行全范圍、全過程管控。

為解決如上問題，需建立一套面向航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統，基于分布式工業云平臺，以加工業務在線執行、線邊物料配送拉動、生產要素采集、加工工藝規劃、業務在線集成及可視化(看板等)等內容進行策劃實施，實現業務集成貫穿，形成完整的協同解決方案，進一步提高加工業務的數字化程度，減少加工生產準備、生產執行過程人為參與的環節，有效提高業務效率及質量，具體目標如下。

1)優化數據采集端信息獲取及物料線邊拉動：

基于物料編碼、立庫、AGV、數據分析技術，對商用航空發動機加工生產等環節的物料出入庫、物料標識、物料管理、物料配送過程進行數據獲取、配送過程數據優化。提高物料配送過程人員使用效率，降低勞動強度。

2)優化數據展示端業務報表：

針對運行數據，優化報表呈現及數據展示關系。對物料出入庫、設備利用情況、人員工時統計、物料資源使用情況，計劃進度完成情況，形成可視化報表進行數據展示，完善管理端的數據呈現，提升管理可視化程度。

3)開展生產關鍵要素信息采集研究：

基于圖像識別、數據采集技術，實現對生產過程關鍵的人、機、料、法、環等關鍵數據進行采集。

4)優化制造端數據集成：

開展應用部署建設，并實現制造端數據的集成打通，優化數字化業務推送模式及執行記錄。

1 加工現場生產制造網絡化協同系統業務及架構

加工現場生產制造網絡化協同系統為車間管理人員、車間工藝人員、車間調度人員、庫房管理人員、操作人員、貨物運輸人員等不同人員提供了一個基于網絡的生產調度協同系統。

加工現場生產制造網絡化協同系統實現了從工藝設計、生產準備、加工執行、質檢、庫房管理、生產報工等一系列業務內容，關聯業務內容如圖1所示。

圖1 加工業務范圍

為滿足加工現場協同工作業務流程復雜、人員眾多等需求，同時考慮系統維護升級便利性、分布式辦公等需求，加工現場生產制造網絡化協同系統結合B/S系統成熟的技術實現策略，可以滿足跨硬件平臺、跨操作系統的要求。

在技術體系中采用分層架構設計，包括設備層、系統層、數據層、服務層、應用層、用戶層等六個方面的內容。其中，最底層是設備層，主要包括云基礎設施、監控看板、工業網設施、商密網設施等基礎設施，設備層是綜合監控的硬件基礎；設備層之上是系統層，操作系統為Windows Server或用戶指定的操作系統；從實時數據采集系統、生產控制系統、設備管理系統等獲取的數據在數據層進行統一的存儲和處理，數據庫采用MySQL/MONGODB；數據層上面是服務層，提供用戶管理服務、日志服務、消息服務、報表服務、緩存服務等服務，支持KONG-API RESTFUL，支持消息隊列等接口方式；應用層實現各類應用功能，包括數據展示、系統管理、系統監控等；最頂層是用戶層，為不同的用戶分配用戶權限，實現不同用戶的業務應用需求。

2 航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統需求分析

本文結合某型航空發動機加工業務特點，梳理其加工業務在線執行、線邊物料配送拉動、生產要素采集、業務在線集成及可視化等方面的需求。

1)加工業務在線執行：

基于當前已有的加工MES系統開展建設，MES系統涵蓋生產計劃管理、質量管理、生產執行、線邊庫、Andon系統、與其他系統的集成等功能。通過各系統之間的信息集成交互，實現產品從原料進廠到交付使用的全生命周期管理，按照加工過程的推進，結合各系統里的物料領用消耗和設備及人員信息采集，逐步收集產品BOM 數據的完成情況，實時跟蹤加工完成進度，最終完成產品生產譜系構建，方便未來的追溯。

2)線邊物料配送拉動：

建設完整的線邊物料配送拉動方案，通過倉庫控制系統(WCS)的建設及集成，實現立體庫、刀具庫、AGV小車聯動協同，實現加工制造過程物料資源的自動分揀、物料準備、實時配送等。通過自動化立庫系統，提升物料存取效率，同時通過AGV小車，將物料配送至各機場生產線邊庫；通過物流配送管理系統，協助庫管人員，降低庫管人員勞動強度；

3)生產要素采集：

項目生產要素采集需結合已有的MES、SCADA 系統開展，實現人員、設備、物料、方法、環境、測量信息的實時采集及記錄，包括安裝紅外傳感器，對區域范圍進行管控；通過圖像識別、錄屏等方式識別設備報警信息、測量設備示數信息的采集及自動錄入；加裝環境監測傳感器，如氧含量、溫濕度、煙霧報警等內容。

4)業務在線集成及可視化：

通過與SCADA、PLM、ERP、WMS、WCS 、MES等系統的集成，將各類業務數據進行提取整合，并在數據中心進行存儲管理，作為加工業務可視化系統的數據源，實現加工業務的可視化。

3 航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統設計

在分析某型航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統需求基礎上，下面進行系統的設計和實現。

3.1 系統工作流程

生產管理人員進行生產加工工藝內容的編輯、加工生產計劃的管理和調度，下達生產任務。系統根據生產作業計劃、生產進度數據創建的物料配送計劃。

在加工現場，業務人員登錄終端設備，系統將提示顯示今天的作業任務，業務人員業務人員根據物料需求進行物料配送計劃的調整，并發送物料需求，進行物料拉動，物料到位后，業務人員開始進行物料加工操作，在整個系統執行過程中，將對生產過程中的人、機、料、法、環等數據進行采集，實現物料監控、機床設備監控、安防監控、視頻監控、環境監控等功能；加工完工后，進行成品入庫；同時，對于采集的數據匯總到數據中心，后續可在加工可視化看板中進行集中瀏覽。

在倉儲區域，庫管員在MOM-線邊管理系統以及可視化看板讀取物料要求信息，在立庫以及非立庫揀選需求的物料內容，通過AGV小車或叉車進行物料配送。

加工現場改進應用工作流程如圖2所示。

圖2 加工現場改進應用工作流程

3.2 總體結構

本項目的主要建設內容是在先期已開展建設的制造執行系統(MES)、制造工藝系統(CAPP)的基礎之上，構建線邊物流配送系統，通過軟硬件接口開發，并與立體庫、AGV 等硬件設備高度集成，提供一整套加工現場網絡化協同改進解決方案。同時考慮加工業務在線執行、線邊物料配送拉動、生產要素采集、業務在線集成及可視化(看板等)等內容進行策劃實施，實現業務集成貫穿，形成完整的協同解決方案。項目主體實施物理范圍覆蓋加工業務區域。系統總體結構如圖3所示。

圖3 總體結構

本系統基于現有的現場網絡基礎設施和云服務設施，進行加工現場改進試點應用設備設施的改進建設，包括軟硬件設施的改進建設，形成更加智能化、網絡化的加工現場協同生產制造環境，提高加工業務的數字化程度和生產制造效率。

3.3 網絡拓撲

航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統以無線網絡和有線網絡作為信息流轉的主要渠道，以云服務器系統、現場看板及控制臺計算機為主要運行、處理、存儲的核心，其網絡拓撲結構如圖4所示。

圖4 網絡拓撲

3.4 系統組成

航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統包括線邊物料拉動配送系統、生產要素采集系統、可視化看板系統三部分內容。

3.5 線邊物料拉動配送系統設計方案

線邊物料拉動配送系統作為系統最重要的一個模塊，提供倉儲物流管理的基礎功能。

項目需建設完整的線邊物料配送拉動方案，通過MOM-線邊管理系統(倉儲管理系統)的建設及集成，實現立體庫、刀具庫、AGV小車聯動協同，實現加工制造過程物料資源的自動分揀、物料準備、實時配送等。

MOM-線邊管理系統應具備良好的管理控制機制，可單件、批量的進行貨物的分揀、配送，可與物流設備如堆垛機、AGV小車進行通信，實現與設備接口通信、調度和監控。

MOM-線邊管理系統結合一維、二維條碼技術，通過入庫管理、出庫管理、移庫管理、盤點管理等功能，實現對庫房物料的集中管理應用，實現對倉庫物料的有效控制和追蹤。

1)軟件架構：

MOM-線邊管理系統的軟件架構如圖5所示。

圖5 MOM-線邊管理系統層次結構

MOM-線邊管理系統采用層次化結構，主要包括如下層次結構。

數據/資源層：包括數據庫服務器和網絡，提供MOM-線邊管理系統相關數據的存儲硬件支撐，并通過工業網絡實現對自動化倉庫的運行管理；

基礎數據層：包括MOM-線邊管理系統的業務數據和信息，如倉庫信息、倉位信息、巷道信息、物料信息、供應商信息等各類信息；

功能層：包括基礎信息管理、入庫管理、出庫管理、盤點管理、庫存預警、上架管理、下架管理、調撥管理、移庫管理等功能；

界面層：提供用于不同用戶角色的界面，同時支持PC端界面和手持端界面的界面展現。

MOM-線邊管理系統提供與其他系統的信息化接口，用于與MES系統、WCS系統等系統的集成；同時提供設備操作接口，用于與RFID、條碼打印、手持終端等設備的集成。

2)主要功能：

MOM-線邊管理系統的主要功能包括如下。

(1)基礎信息管理：

基礎信息管理主要包括物料信息、供應商信息、倉庫信息、庫位信息等內容。

(2)入庫管理：

入庫管理分為外來入庫、完工入庫等，提供對各類資源的入庫管理，入庫內容包括物料編號、物料名稱、物料規格、入庫數量、物料單位等信息內容等。

(3)出庫管理：

出庫操作可分為生產消耗、完工報交、物料報廢、借用出庫、物料遺失等，提供各類資源的出庫管理，對出庫的物料或其他資源進行掃描登記，系統自動進行數據記錄，同時對物料庫存量進行更新。

(4)盤點管理：

支持庫存的盤點功能，按照企業盤存規則，生產各類資源的庫存盤點數量，配合倉庫管理人員的移動終端，對庫存進行掃描盤點統計。

(5)物料移庫管理：

移庫操作包括生產移庫、物料移庫、借用移庫、定檢移庫、生產領用等；物料移庫可由業務人員發起，通知庫管員進行執行，實現不同倉庫間物料的移動。

(6)庫位調整管理：

在中心庫房內進行物料移動，從一個庫位移動到另一個庫位，庫位移動后，在本系統中需進行位置更新。

(7)庫存預警：

制定庫位的庫存數量上限數量、下限數量、訂貨點數據，在各類資源庫存數量變更時做庫存數量的校驗，對資源缺貨、超儲發出預警，并在庫存數量達到訂貨點時自動發出訂貨預警，提醒庫管員或業務人員安排要料或訂貨。

(8)系統數據備份：

系統數據備份模塊的功能包括數據備份和數據庫維護兩方面。

(9)信息系統接口：

信息系統接口通過webservice接口或專用接口，與MOM-生產執行系統、WCS系統等進行通信，實現數據交換。

3.6 生產要素采集系統設計方案

生產要素采集系統實現多種不同源數據的采集、存儲等功能。在實現不同類型數據(比如實時數據或文件數據)進行處理時，需對數據進行歸一化。數據采集軟件的總體結構如圖6所示。

圖6 數據采集軟件

根據圖6，數據采集軟件通過數據接口對車間的環境傳感器、車間設備、監控視頻、電子圍欄等設備進行數據采集、數據解析、數據轉換，之后一方面將數據存入數據庫中，另一方面，將數據推送給可視化監控模塊進行數據展示。

數據采集軟件包括通信配置管理、數據通信、數據解析、數據轉換、數據存儲等功能[1]。

1)通信配置管理：

通信配置管理功能主要實現對不同采集設備以及傳感器數據的管理以及通信參數的配置，包括配置目標IP、通信端口、數據采集頻率等。

2)數據通信：

數據通信主要采用網絡協議通信模塊。

在實時數據包接收和記錄時，根據系統配置通過給定的網絡端口分別接收實施設備狀態監測數據，并以文件方式在定制的存儲路徑下進行記錄，具體網絡接收模式、網絡地址和端口、記錄文件路徑、單個文件最大記錄長度等都可以通過配置設定。

在實時數據包解析和轉發時，根據各設備所屬系統具體的數據包格式，根據系統配置進行必要的數據包解析，獲得所需的數據幀，通過網絡以網絡包的方式實時發送給數據處理模塊。具體的數據包解析要求、轉發的數據內容、發送目的的主機的網絡地址和端口等可通過配置設定。

對于數據通信，需要考慮多個傳感器并發等問題。對于數據通信，可考慮采用Kafka的數據通信方式。

3)數據解析：

數據解析模塊在收到通信數據后，會自動觸發文件解壓函數，自動將文件解壓到指定的位置，之后對數據幀進行解析，包括從數據幀各位置提取參數內容，形成參數原始值，之后可將參數傳遞給數據轉換模塊，進行轉換。

4)數據轉換：

數據轉換模塊根據預定義的公式、表達式、曲線等計算方法，對原始數據進行轉換處理，得到工程值，同時，在轉換過程中，可進行數據的插值處理等內容。

5)數據存儲：

數據存儲支持對海量的、各種類型數據的統一存儲，包括物流數據、設備運行實時數據、設備診斷數據等內容，對于不同類型的數據，存入相應數據庫中。

對于業務關聯數據，比如物流業務關聯數據，系統將其存入到關系數據庫中，基于Oracle或MySQL數據庫進行數據存儲；對于實時數據，存入時序數據庫中，利用時序數據實現數據快速存取；對于文件數據，可可將文件數據存入服務器文件系統中，后續應用時，再對文件進行解析。

3.7 可視化看板系統設計方案

可視化看板系統部署于用戶已有的云服務基礎設施之上，為中央控制室、工業網、商密網的各類用戶提供各類監控、報警服務。

可視化看板系統將相關的應用劃分為實時應用和非實時應用，實時應用主要是數采設備狀態和各類監控報警應用，包括設備運行狀況、物料流轉情況、按燈狀態等內容的實時監控；非實時應用包括數據統計信息等。從相關系統獲取數據后，根據實時應用和非實時應用的不同，數據請求服務引擎調用實時數據請求服務，以滿足實時監控的快速響應需求；調用非實時數據請求服務滿足統計等應用需求。

過程中的信息追溯，決策制定針對性措施，以提升物流作業效率，減少不必要的成本；幫助管理人員設計最優的物料運輸方案，改善物料運輸流程，提高物料流轉效率。

4 航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統實現

目前已基于商用發動機加工車間實現線邊物料拉動配送、生產要素采集、可視化看板等內容，具體實現如下：

1)線邊物料拉動配送：以MOM-線邊管理系統為基礎，通過與倉庫控制系統(WCS)的聯動，實現與立體庫、AGV小車、刀具庫、工具庫聯動協同；

系統能夠準確地展示物料流轉情況、實時跟蹤物資位置以及各環節的作業耗用時間，方便物流轉移過程中的信息追溯，決策制定針對性措施，以提升物流作業效率，減少不必要的成本；幫助管理人員設計最優的物料運輸方案，改善物料運輸流程，提高物料流轉效率。

MOM-線邊管理系統實現界面如圖7所示。

圖7 MOM-線邊管理系統

2)生產要素采集：以數據物聯軟件為基礎，實現了人(人員數據)、機(機床數據)、料(物料數據)、法(生產工藝路線)、環(環境數據)等內容的采集。

其中，對于激光選區熔化成形設備數據采集的實現方式為通過激光選區熔化成形設備工控機設備的VGA接口進行圖像PC視頻數據的采集，采集完成后進行圖像的自動識別，提取執行任務名稱、關鍵參數等內容，同時控制攝像頭采集頻率為1 s，進行加工過程圖像采集，整個過程完成后，從采集參數中提取關鍵點，并根據關鍵點的時間提取加工過程圖片，數據打包后進行存儲。設備圖像識別原理如圖8所示。

圖8 設備圖像識別原理

數據采集內容包括如下。

打印開始：計時從00：00：00開始增加表示打印開始；

打印暫停：打印時間不再增加并且Z軸高度與設定值不等，說明打印暫停；

打印結束：打印Z軸高度和設定值比較，如果一致則為打印結束；停止按鈕由黑色并變為灰色則停止。

3)可視化看板：通過加工業務可視化展示技術，實現對車間的集中管控展示平臺，以制造為中心，以及上下相關環節的業務關鍵核心指標的集中展示和發現異常的快速應對處理，實現車間級別的管理駕駛艙，并與公司級管理駕駛艙進行集成展示。

系統通過綜合看板、任務看板、物流看板、設備看板、質量看板、按燈看板、安全看板等幾個維度全面進行數據信息的展示。

圖9為航空發動機加工現場生產制造網絡化協同系統中綜合信息展示頁面，在其中展示了如下信息：

圖9 綜合信息展示

1)車間信息：以某車間為背景，展示車間的總體情況；

2)生產訂單信息：展示生產任務的完成情況，包括未開始、進行中、預期進行等不同狀態；

3)設備信息：展示設備的工作狀態，包括運行狀態、停機狀態、待機狀態、報警狀態等；

4)安燈報警信息：展示工作中設定的安燈報警信息；

3)人員信息：展示人員總體數量和人員列表的展示；

4)設備信息：展示位于當前廠房的設備總數和和設備列表；

5)人臉識別及安防報警信息：展示區部區域授權及未授權人員進入情況。

5 結束語

生產制造網絡化協同加工現場改進系統目前已在航空發動機某加工車間得到應用，在應用過程中，對生產現場帶來了如下方面的效果：

1)優化和提升了加工現場的數字化能力，以加工車間工業互聯網基礎設施為基礎實現對加工現場人機料法環等生產要素進行全范圍、全過程、全要素的數據集中化管控，進行了數據共享方式創新及優化。

2)優化和提升了數據采集端信息獲取及物料線邊拉動環節，通過采用智能化倉庫、智能配送、智能倉庫管理等手段，減少加工生產準備、生產執行過程人為參與的環節，提高物料配送過程人員使用效率，有效提高業務效率及質量；

3)優化和提升了數據展示端業務報表，以加工車間業務需求為背景，以不同崗位人員關注目標為出發點，梳理報表呈現及數據展示關系，完善管理端的數據呈現，提升管理可視化程度。