王浩軍，王 偉，緱飛鵬，黃成功，羅云澤，吉建麗

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089)

0 引言

航空制造業(yè)作為國之重器，是國家科技、經(jīng)濟、國防實力和工業(yè)化水平的重要標志，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和先進制造業(yè)的主戰(zhàn)場之一，受到世界各國的高度重視和優(yōu)先發(fā)展。智能制造是我國搶占先進制造技術(shù)制高點的主攻方向，是推動航空工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的引擎，先進航空產(chǎn)品的研制對航空制造業(yè)智能化發(fā)展提出了更高技術(shù)要求[1]。

熱加工工藝技術(shù)是保障航空制造領域產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，涉及熱處理、表面處理、鍛鑄技術(shù)、復合材料制造等方面[2-6]。針對熱加工設備和工藝的智能控制、計量管理、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量追蹤等關鍵環(huán)節(jié)，開展數(shù)字化計量保障系統(tǒng)研究，建立包括硬件物理互聯(lián)和軟件信息互聯(lián)的熱加工過程計量支撐數(shù)字化，提升計量的數(shù)字化水平，是航空裝備熱加工過程高質(zhì)高效發(fā)展的必然方向[7-10]。

該文以某公司航空熱加工設備組為研究對象，開展數(shù)字化計量保障系統(tǒng)分析研究，研發(fā)熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)，對熱加工設備的溫度、真空度、爐門開關信號及淬火轉(zhuǎn)移時間等重要參數(shù)納入計量監(jiān)控，實現(xiàn)了熱處理單元現(xiàn)場設備運行狀態(tài)和過程質(zhì)量集中監(jiān)控，為實時動態(tài)掌握設備運行動態(tài)提供數(shù)字化平臺支持，助力實現(xiàn)熱加工設備的集中管控、工藝管理、生產(chǎn)計劃管理、溫度均勻性檢測管理(Temperature Uniformity Servers , TUS)等全過程數(shù)字化。研發(fā)的熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)可以與制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)、企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、質(zhì)量管理等信息系統(tǒng)實現(xiàn)信息交融，在系統(tǒng)中完成工件熱處理工序的全流程管控，大大提升了公司智能制造和質(zhì)量管理水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計和功能分析

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析與設計

根據(jù)熱加工設備及工藝流程安排，將熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)分為基礎支撐層、系統(tǒng)功能層和展示層三個層次。

基礎支撐層主要針對系統(tǒng)主數(shù)據(jù)、原始配置進行管理，包括基礎數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)配置管理以及流程管理三部分。管理維護由系統(tǒng)開發(fā)人員及系統(tǒng)管理人員完成，同時支持基于實際業(yè)務的定制功能，可滿足業(yè)務變化、問題追溯等工作需求。

系統(tǒng)功能層為整體系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)管理(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)、工藝管理、生產(chǎn)計劃管理、設備計量管理、質(zhì)量控制管理、TUS檢測管理以及生產(chǎn)管控。實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線實時采集、生產(chǎn)計劃的排產(chǎn)與排布、生產(chǎn)過程的管控、設備監(jiān)測多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理，同時依據(jù)產(chǎn)品熱加工工藝知識庫，對全過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)全過程的工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)的追溯與分析。

系統(tǒng)展示層提供用戶交互界面，滿足與生產(chǎn)加工相關的不同權(quán)限人員需求，實現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)分析、大屏幕展示、組態(tài)化展示等應用。同時對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，為生產(chǎn)過程的管控與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎。

圖1 熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 技術(shù)架構(gòu)分析與設計

航空熱加工工藝數(shù)據(jù)具有保密性要求，要求系統(tǒng)實現(xiàn)各工藝環(huán)節(jié)業(yè)務獨立且低耦合的技術(shù)目標，基于系統(tǒng)整體架構(gòu)，采用微服務架構(gòu)模式開發(fā)是合理的技術(shù)路徑。

在技術(shù)架構(gòu)設計中，優(yōu)先聚合業(yè)務關聯(lián)緊密的單元，并從特定單元中分離出獨立的業(yè)務單元以降低單元間耦合性，最終分析和分解設計服務需求，確保系統(tǒng)目標、效率和安全性的平衡。根據(jù)熱加工設備主要參數(shù)和業(yè)務流程分析，將熱處理服務總體分為熱處理接口服務、熱處理管理、設備計量管理、數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)計、人員權(quán)限與基礎數(shù)據(jù)服務、流程管理服務、系統(tǒng)管控中心七個業(yè)務服務。通過基礎支承層、微服務層、微服務編排層、服務注冊發(fā)現(xiàn)層、共享服務層以及業(yè)務展現(xiàn)層進行多級微服務的集成。針對熱處理服務系統(tǒng)的總體服務框架如圖2所示。為了保證系統(tǒng)的高可用與穩(wěn)定運行，各服務均采用分布式部署，并將數(shù)據(jù)進行相應劃分，實現(xiàn)業(yè)務與數(shù)據(jù)的獨立性。

圖2 熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)微服務物理關系圖

1.3 業(yè)務流程分析與優(yōu)化設計

針對航空熱加工工藝數(shù)據(jù)安全、保密管理、服務獨立的特殊要求，系統(tǒng)采用園區(qū)網(wǎng)及工控網(wǎng)雙級架構(gòu)，構(gòu)建和優(yōu)化業(yè)務流程設計，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的獨立性和安全性，優(yōu)化的業(yè)務流程如圖3所示。系統(tǒng)在園區(qū)網(wǎng)完成基礎配置及生產(chǎn)質(zhì)量過程管理，形成的生產(chǎn)計劃下發(fā)至工控網(wǎng)，由工控網(wǎng)進行生產(chǎn)執(zhí)行，并將實時數(shù)據(jù)及生產(chǎn)結(jié)果進行上報至園區(qū)網(wǎng)。

圖3 熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)生產(chǎn)業(yè)務流程圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊的設計研發(fā)

針對熱加工工藝特征，對應工藝、過程及檢驗三個關鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)提煉出工藝管理模塊、生產(chǎn)計劃管理模塊以及TUS檢測管理三個核心功能模塊，并根據(jù)工藝特點開展模塊研發(fā)工作。

2.1 工藝管理模塊

針對航空熱加工工藝流程的復雜性，采用可配置、組件化的理念，研究設計可滿足實時監(jiān)測工藝流程數(shù)據(jù)的數(shù)字化工藝管理模塊，通過工藝知識庫、工步定義、工藝參數(shù)模板定義、工藝參數(shù)要求管理、過程卡配置管理等子模塊，實現(xiàn)了定制過程的靈活配置。通過對工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分布式設計，實現(xiàn)業(yè)務與數(shù)據(jù)的結(jié)合。

2.1.1 工藝知識庫

工藝知識庫作為系統(tǒng)數(shù)字化的基礎數(shù)據(jù)庫，對工藝數(shù)據(jù)可執(zhí)行創(chuàng)建、編輯、刪除等功能，對不同材質(zhì)、厚度、零件號的產(chǎn)品創(chuàng)建對應的工藝參數(shù)，同時可根據(jù)工藝參數(shù)中的溫度控制參數(shù)對相應的工藝溫度曲線，對更新的工藝文件進行版本管理，支持多維度查詢工藝數(shù)據(jù)。

2.1.2 工藝審批

支持以符合用戶管理制度要求的方式，建立完整的工藝審批流程，由工藝人員編輯好工藝數(shù)據(jù)后發(fā)起，工藝審批流程包括編制、校對、質(zhì)審、審核、復審、批準等權(quán)限，審批流程可選。工藝審批提供處于不同階段的背景顏色不同功能，支持復制工藝、篩除等功能。

2.1.3 工藝查詢

工藝文件按機型、材料、材料形式、熱處理狀態(tài)、工藝方法、工藝規(guī)程編號等保存至服務器數(shù)據(jù)庫中。生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)按照機型、材料、材料形式、熱處理狀態(tài)、工藝方法、工藝規(guī)程編號等調(diào)取工藝文件。

2.2 生產(chǎn)計劃管理模塊

生產(chǎn)計劃管理模塊包括計劃排布、計劃執(zhí)行以及執(zhí)行結(jié)果獲取全流程管理過程，具體功能包括任務調(diào)度、任務排產(chǎn)、班組任務、任務執(zhí)行確認、加工中任務處理、熱處理原始記錄等。

2.2.1 任務調(diào)度

系統(tǒng)通過與MES、ERP、生產(chǎn)作業(yè)計劃系統(tǒng)對接，實時獲取零件加工任務信息。同時考慮特殊工藝和生產(chǎn)計劃需求，實現(xiàn)手動添加任務功能，體現(xiàn)了本系統(tǒng)在數(shù)字化的同時兼顧操作過程的靈活性。

2.2.2 任務排產(chǎn)

系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場情況、產(chǎn)品的工藝要求、生產(chǎn)進度要求對生產(chǎn)任務進行初步排產(chǎn)，在系統(tǒng)中能按照項目、材料、工藝、設備、人員等信息匹配，排產(chǎn)數(shù)據(jù)將保存至數(shù)據(jù)庫中，可根據(jù)實際情況進行人工優(yōu)化排產(chǎn)，實現(xiàn)排產(chǎn)的自動和人工優(yōu)化相結(jié)合。

2.2.3 任務接收與執(zhí)行確認

生產(chǎn)任務經(jīng)單元長接收后下發(fā)到操作人員，操作人員接收后將任務工藝下發(fā)至所排產(chǎn)的熱加工設備，經(jīng)過自動下發(fā)和操作人員檢查兩個環(huán)節(jié)，大大降低任務的錯誤率。熱加工設備操作人員在系統(tǒng)中核實加工工藝、設備、產(chǎn)品等信息，對工藝核對確認后系統(tǒng)生成執(zhí)行任務。

2.2.4 加工中任務處理

系統(tǒng)將加工任務信息集中處理和全面展示，提供開啟任務、填寫工裝號、選擇裝爐方式、選擇冷卻介質(zhì)、填寫報警誤差、填寫裝爐量等信息，選用的設備狀態(tài)可實時顯示保溫溫度、報警誤差、保溫段、保溫開始時間、已保溫時間、剩余保溫時間等重要信息，產(chǎn)品信息欄顯示任務號、任務跟蹤卡號、產(chǎn)品數(shù)量、加工工藝、工序名稱、裝爐數(shù)量等，全面實現(xiàn)任務處理過程數(shù)字化和信息化。

2.2.5 熱處理原始記錄

熱處理設備操作人員在任務執(zhí)行完畢后通過系統(tǒng)進行報工，系統(tǒng)可自動生成熱處理原始記錄，表單封閉后通過系統(tǒng)將原始記錄編號自動回傳至 MES系統(tǒng)，并更改MES移交的任務狀態(tài)，確保任務處理記錄真實可靠并實現(xiàn)與其他信息系統(tǒng)共享。

2.3 TUS管理模塊

在熱加工過程中，熱加工設備的溫度均勻性是影響加工質(zhì)量的重要指標，也是數(shù)字化系統(tǒng)研發(fā)的關鍵模塊。溫度均勻度超過了允許偏差會導致產(chǎn)品的質(zhì)量問題，因此系統(tǒng)將熱加工設備的溫度均勻度作為定期監(jiān)控的重要內(nèi)容。系統(tǒng)根據(jù)熱加工業(yè)務流程(如圖4所示)，將系統(tǒng)功能分為申請檢測、設定檢測參數(shù)、關聯(lián)TUS數(shù)據(jù)、判定保溫時間、生成檢測原始記錄及證書等。

圖4 TUS管理業(yè)務流程圖

根據(jù)業(yè)務流程圖，TUS檢測申請由設備使用單位提出，由計量部門派工進行檢測。檢測模塊按照AMS2750F《高溫測量》規(guī)范的要求，設定熱加工設備在升溫及穩(wěn)定狀態(tài)下，工作區(qū)內(nèi)各測量點采集時間間隔2分鐘，溫度穩(wěn)定后連續(xù)采集30分鐘，將采集數(shù)據(jù)進行修正、計算參數(shù)、判斷合格與否，自動對于異常數(shù)據(jù)進行過濾和測試點異常警報，自動打印出原始記錄和檢測證書。通過該模塊將TUS檢測和管理實現(xiàn)數(shù)字化，系統(tǒng)化，規(guī)范化，提升檢測準確性，提高效率，降低人工成本和出錯率。

3 系統(tǒng)的創(chuàng)新性

3.1 支持個性化定制的工藝知識庫管理模式

系統(tǒng)支持個性化定制的工藝知識庫管理模式，實現(xiàn)了工藝管理由人工管理向數(shù)字化管理的轉(zhuǎn)變，降低了在工藝分配時的錯誤率，同時提升了排產(chǎn)過程的效率，并為自動排產(chǎn)提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)對工藝知識庫中配置出所有生產(chǎn)可能性進行梳理，將產(chǎn)品、工藝路線、工序、已有工藝參數(shù)進行有效整合，實現(xiàn)一次配置、永久有效。

3.2 支持正反雙向自動化排產(chǎn)模式

研發(fā)了支持正反雙向自動化排產(chǎn)模式，實現(xiàn)任務計劃到執(zhí)行以及執(zhí)行要求轉(zhuǎn)向計劃的雙向目標。通用正向排產(chǎn)是在庫存原料基礎上，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行排產(chǎn)；反向排產(chǎn)則由產(chǎn)能反推對來料的要求，通過此模式可以最大限度的利用生產(chǎn)設備的空間、避免浪費、節(jié)省成本，進一步將多業(yè)務、多系統(tǒng)進行融合。

3.3 創(chuàng)新TUS管理新模式

改變傳統(tǒng)TUS檢測需要計量檢測人員大量繁瑣的工作狀況，提出基于價值鏈和業(yè)務鏈雙鏈融合的業(yè)務邏輯建模，創(chuàng)新基于多維語義關聯(lián)性和多元價值目標的業(yè)務邏輯耦合度量和解耦技術(shù)，理清以價值增值為導向的業(yè)務邏輯耦合和解耦關系；使用面向全鏈的場景關聯(lián)性分析方法，構(gòu)建支持混合驅(qū)動場景化的協(xié)同追溯集成技術(shù)，通過自動采集工控網(wǎng)設備數(shù)據(jù)、自動修正差值、智能計算保溫范圍、自動與實驗室計量管理系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)等手段，實現(xiàn)TUS檢測、信息服務等全鏈一體化協(xié)同與全程可信追溯。

3.4 滿足保密及共享需求的業(yè)務協(xié)同機制

基于生產(chǎn)制造業(yè)務全過程管理，形成面向服務需求的分布式節(jié)點機制，基于微服務架構(gòu)的服務功能柔性重構(gòu)方法,實現(xiàn)服務功能與業(yè)務流程的分層解耦，實現(xiàn)業(yè)務劃分與整合、共享與調(diào)用等關鍵技術(shù)，建立了微服務架構(gòu)下面向服務型制造按需擴展的創(chuàng)新業(yè)務協(xié)同機制，實現(xiàn)智能靈活配置場景應用，利用微服務架構(gòu)，開放API，提供SDK，共享系統(tǒng)資源，提升價值增值和服務創(chuàng)新應用的開發(fā)能力。

3.5 單向無回傳網(wǎng)閘實現(xiàn)多業(yè)務系統(tǒng)集成

傳統(tǒng)的信息化系統(tǒng)往往存在各業(yè)務系統(tǒng)分散搭建，各部門之間互相孤立，信息不能有效溝通，生產(chǎn)效率低等問題，尤其是涉及軍工企業(yè)保密要求，涉密園區(qū)網(wǎng)與工控網(wǎng)的物理隔離是系統(tǒng)集成的主要障礙。本系統(tǒng)采用單向無回傳網(wǎng)閘的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)安全上，園區(qū)網(wǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)閘將作業(yè)計劃及工藝等信息下發(fā)至工控網(wǎng)系統(tǒng)。在工控網(wǎng)對所有下行的數(shù)據(jù)進行自動過濾，將各類敏感信息轉(zhuǎn)換成隨機流水碼。在工控網(wǎng)內(nèi)只留存在制品數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)均上傳至園區(qū)網(wǎng)，有效應對工控網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚集可能產(chǎn)生的安全風險。兩網(wǎng)交融可實現(xiàn)信息、數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同，大大提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

(1)該文以航空熱加工設備為研究對象，開展了熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)研發(fā)與應用研究，通過合理有效地劃分園區(qū)網(wǎng)和工控網(wǎng)功能，在遵守軍工保密規(guī)定的情況下，實現(xiàn)了制造運行層與控制層的無縫對接。

(2)建立了基于兩網(wǎng)的智能制造應用架構(gòu)，對熱處理車間現(xiàn)場設備運行狀態(tài)和過程質(zhì)量進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)熱加工設備的集中管控、計量管理、工藝管理、生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理等過程數(shù)字化。

(3)建設的熱加工設備計量保障數(shù)字化系統(tǒng)能與企業(yè)的MES、ERP、質(zhì)量管理等其他信息系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互，在系統(tǒng)中完成熱加工工序的全流程管控，大大提高設備利用率及工作效率，在軍工熱加工行業(yè)有較大的推廣價值。