數據采集與管理技術在固體火箭發動機噴管裝配過程中的應用
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摘要：針對航天型號產品數量及質量可靠性增長需求，提出信息化車間建設，通過對數據采集與管理系統基本構架、網絡構架以及系統功能的論述，總結了數據采集與管理技術在固體火箭發動機噴管裝配過程中的應用效果。
關鍵詞：信息化;數據采集;管理
中圖分類號：V435 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0085-04
0 引言
隨著2017年10月13日新確認的9種特殊鋼制品存在違規，日本神戶制鋼所數據造假問題制品增至13種，購買使用方增至約500家，事態進一步嚴重，對于傳統的質量管控手段提出了挑戰，生產制造數據的獨立性需求進一步提升。特別是固體火箭發動機噴管生產制造，普遍存在著多型號、小批量的特點，自動化產線應用不足，生產過程質量管控和生產制造數據質量追溯尤為重要。從某種意義上來說航天制造業信息化制造車間建設是必然的，是生產組織形式和質量控制手段更新換代的重要措施。本文以西安航天復合材料研究所裝配車間信息化建設為例，分析了信息化裝配車間建設的經驗和不足，希望能對航天制造技術有所促進。
1 建設目的與意義
利用信息化手段實現對裝配車間散點式作業點的生產管控，對于企業具有多方面的意義。
首先從現場生產部門的角度出發，通過信息化管理系統的建設，加強了現場生產過程的監管力度，同時生產數據的自動上傳一定程度解放了生產力，為車間無紙化建設和提高生產率提供了基礎。
其次從生產管理部門出發，車間信息化管理系統的建設，通過對產品生命周期各環節的監管，有利于實現規范整個生產過程，實現管理業務的規范化、流程化、網絡化，痕跡化。對于實現產品全生命周期的管理和質量，提高生產效率和產品質量提供了第一手資料。
最后從決策部門的角度來看，可以優化調配，服務決策。通過設備信息化動態管理模式，量化指標，在管理過程中建立分析模型，以分析、統計等手段，時掌握企業生產完成情況、生產資源使用情況、設備閑置率等狀況，實現設備合理調配，提高使用效率，為決策提供及時、準確、詳實，科學的分析決策依據，達到優化決策的目的。
2 車間數據采集與管理系統實施基礎
2.1 設備數字化與通訊網絡搭建
設備數字化和系統網絡化是構建車間數據采集與管理系統的基礎。裝配車間現場的很多測量儀具和生產設備，均需要進行數字化改造，以實現模擬量的上傳。同時建立車間局域網絡，將系統內的各操作終端、數據采集設備和系統服務器連接起來處于同一網絡體系，實現數據同步和數據交互，為構建系統生產應用打下基礎。
2.2 規范化的基礎數據與相關檔案管理
對大量的與日俱增的基礎數據，依靠科學合理的管理規則與先進的技術處理手段進行有效的管理，并隨時為各業務部門提供及時準確、分級共享的動態處理數據。規范基礎數據與相關檔案的管理，分類建立技術數據庫和產品檔案庫，實現基礎數據與相關檔案管理的高效性、系統性和合理化。
2.3 規范化的作業流程
借用設備數字化和車間局域網構建的網絡環境，以及規范管理的基礎數據和文檔數據庫，借助作業邏輯嚴謹的工作程序、量化的計算方式和動態共享的數據處理模式，按照統一、標準、科學合理的生產流程工作。實現整個噴管裝配生產過程的全流程監管。
2.4 統一的生產資源管理
對相關人員、量具、原材料等生產資源實行統一編碼，分類管理的模式。便于進行生產資源具體狀態進行查詢。便于生產流程規劃和生產過程中具體資源的配置，從而提高生產效率，建設等待浪費。
2.5 現代化管理的思想和意識
重視智能生產的重要性，理解和充分應用數字化、信息化生產管理模式。加強培訓工作，形成自上而下的思想意識，并且提高使用現代化工具的能力。
3 車間數據采集與管理系統的基本構架
車間數據采集與管理系統在應用的過程中主要分為四個層次，其中包括：數據層、數據服務層、業務邏輯層和展現層，具體見圖1。
3.1 數據層
數據層是整個軟件構架的基礎，是軟件各功能層發展與進步的支撐點。數據層包含的數據有：設計數據、工藝數據和制造過程數據。
3.2 數據服務層
數據服務層功能主要包括生產計劃/任務管理、生產資源管理、生產過程控制、生產報告設計、統計分析、系統設置等功能。
3.3 業務邏輯層
系統的核心部分，負責處理業務邏輯。通過獲取UI（User Interface，用戶界面）傳來的操作指令，決定執行業務邏輯，在需要訪問數據源的時候將請求轉給數據邏輯層，處理完成后，返回必要數據給UI;業務邏輯層在體系架構中的位置很關鍵，它處于數據服務層與展現層中間，起到承上啟下的作用，一個設計良好的架構，業務邏輯層既不依賴于具體的數據存儲方式，也不依賴于具體的界面呈現方式。
3.4 展現層
負責將業務邏輯層的處理結果直接呈現到界面或經過轉換成符合UI層格式的數據后呈現到界面，見圖2。
4 車間數據采集與管理系統的網絡構架
利用交換機建立車間一級工業網絡，用于觸摸終端、電腦終端與中心服務器的聯網和通訊。
每個工作區域內，以觸摸操作終端為中心利用網線、USB或RS485總線將該區域內的辦公設備、測量設備、傳感器等組成現場二級網絡，觸摸終端統一數據后上傳服務器，見圖3。
5 車間數據采集與管理系統功能應用
5.1 管理看板
管理看板的實施，可以使生產線可視化，實時展現生產現場數據、傳遞生產和運送指令，調節生產均衡，可隨時隨地監控生產線所有作業活動及復雜生產流程，實時發現生產問題，對異常生產情況做出迅速反應。 5.2 數字化工藝設計
實現三維裝配工藝流程設計、裝配過程仿真及結構化工藝拆解，指導現場作業和操作步驟。可在每個流程的操作步驟設定參數閾值，在實際產品生產過程中，現場實時測量參數自動與工藝參數進行比對，超過了該范圍系統有報警提示或限制進入下一步等質量保證措施。
5.3 生產作業管理
系統提供從生產任務發放到裝配完成轉序的一整套生產作業管理方案，利用作業規程建立的作業管理體系提供裝配工序流程圖進行圖形化作業流程跟蹤，利用工藝參數對比的方式進行作業過程質量控制，并通過裝配過程演示進行裝配指導工作，提高生產質量。同時通過與生產資源管理模塊進行數據交互，進行工位和人員等分配，從而達到合理安排生產的目的。
5.4 作業任務發布
接收到MES系統生產計劃以后，生產管理人員可在系統新建作業任務。作業任務以噴管主體部件（即噴管本體）編碼為依據生產作業任務編號，同時依據噴管主體產品型號自動配備工藝規程文檔，從而形成工藝流程圖，用以進行作業指導和作業進度控制，同時配備粘膠劑配置工藝記錄、粘接裝配工藝記錄、產品跟蹤卡等文檔報告模塊。從而形成以單一產品為核心的一整套作業任務。
5.5 作業任務領取
現場操作終端機配備工卡識別器（即刷卡器）。工位生產人員通過操作系統領取任務后通過刷卡的方式進行確認和身份識別。系統自動將當前任務匹配給生產人員和其所在工位。
5.6 作業進度跟蹤
系統提供圖形化任務展示和進度追蹤功能。
5.7 生產過程控制
作業過程中，工藝設定參數自動與采集的參數比較。一旦超過工藝參數范圍，進行報警提醒，并停止后續流轉，見圖4。
5.8 作業指導與裝配動畫演示
在進行作業任務分配時，系統自動將裝配動畫隨工藝規程發布給領取任務的操作終端。同時系統自動匹配當前終端與執行的工序，并在操作終端上顯示當前的作業步驟、工藝要求。以及裝配演示畫面，指導裝配生產。
5.9 作業記錄
系統提供產品作業記錄功能。根據噴管裝配的生產流程及生產特點，在噴管入場時即給噴管賦予唯一編碼，該編碼作為噴管唯一身份識別將伴隨其整個生產過程及使用過程。每進行一個生產管理過程，便將該過程產生的生產數據錄入系統并與管片編碼進行綁定。從生產開始至管片出廠，管片將獲得完整的生產信息，形成完整的噴管作業記錄信息。
系統生成工藝記錄、裝配粘接記錄、膠粘劑配置記錄、產品跟蹤卡等文件（包括工藝參數、照片和檢驗情況），自動生成產品標示卡的信息和條碼，并打印。
5.10 產品編碼方案
為達到產品質量追溯、質量控制等管理需求，為每個噴管主體進行賦予單一和唯一的代碼。該代碼能反應出產品全部生產信息，如產品型號、入場時間、轉序時間、各作業階段生產記錄等。管理人員可通過掃碼或者輸入編碼的方式對噴管的完整的生產信息進行查詢。
5.11 質量追溯
除了生產過程控制以外，本系統將所有的噴管主體進行統一管理，并為每個噴管制定唯一的產品編碼，建立產品信息庫。
在生產作業過程中，每完成一個工序或一項工作，都將作業過程中產生生產數據、工藝記錄以及零部件、工位、作業人員等信息記錄在內，最終在裝配完成，產品轉序之時形成完成的產品生產信息表，從而為形成產品全生產周期信息追蹤和質量追溯提供了基礎數據。
5.12 檢驗計劃和任務
對設備、儀器、原材料等進行檢驗計劃管理。以配膠原材料為例，每種配膠原材料和成品粘合劑都有各自的檢驗周期，將粘合劑和對應的粘合劑的檢驗計劃數據輸入系統中，系統可以自動根據上次記錄的檢驗時間和檢驗周期進行計算，確定下次檢驗的確切時間。若在檢驗計劃外發生了原材料批次號碼變化，在錄入原材料信息時，系統將自動識別不匹配的原材料編號，并自動針對新批次的原材料生成對應的檢驗計劃，見圖5。
5.13 檢驗提醒（配膠原材料，粘合劑，量具）
在即將抵達檢驗計劃日期時，將根據所需檢驗的各項目關聯的操作人員、管理人員和責任人員進行分組通知。同時，在使用到相關項目的任務或工藝中進行提示，見圖6。
5.14 檢驗記錄
配膠原材料、量具等外檢的檢驗記錄，檢驗記錄通過掃描或圖片導入到系統中，其檢驗計劃自動更新，并重新計算。
對于專檢的項目，檢驗人員通過輸入身份或刷身份卡開始檢驗任務，該任務將自動與該人員進行關聯并記錄。檢驗完成后，將相關人員的信息和檢驗結果自動記錄，需要手動輸入的內容由操作人員進行輸入。檢驗任務結束后，所有相關的記錄將關聯到本次檢驗任務上，以便后期進行查找。任務關閉后，已完成的各項目自動更新檢驗計劃，開始下一個檢驗周期。
5.15 生產資源管理
管理與生產相關的所有資源信息，主要包括生產設備管理、生產工位管理、生產零件管理、生產人員管理、生產工具管理、生產材料管理等。通過集中平臺統一管理生產資源信息，顯示生產資源（如生產工位）現有狀態（使用中、閑置中、維護中）等信息，便于統一調配生產資源，見圖7。
5.16 統計報表
系統可以根據任務完成情況自動生成各類報表。包括任務統計、批次產品質量波動、工時統計、日常報表和人員出勤數據等。
5.17 報告模塊管理
系統可根據用戶需要定制自己需要的質量報告模版，根據數據庫中的數據信息來生成報告。支持在線處理，支持報告的導入和導出。
5.18 現場操作終端功能
現場操作終端以實際生產設備運行數據的監控和管理為主，現場和中心通過生產管理任務進行數據交互。中心向現場發布作業任務、生產規程及裝配演示等功能文件，現場則將作業記錄和測量數據等反饋給中心。
6 結語
隨著航天軍工產品數量和質量可靠性要求的不斷提升，航天制造企業將大力推廣信息化、數字化制造車間，但要注意的是做到真正與生產制造過程相結合，規范操作過程的同時做到減輕一線操作者負擔。
Application of Data Acquisition and Management Technology in Solid Rocket Motor Nozzle Assembly
LIU Gang，LIU Xiao-jian，HU Ke，XIA Kun
?。╔i'an Institute of Aerospace Composites， Xi'an Shaanxi 710025）
Abstract：Aimed at the increasing demand for the quantity， quality and reliability of aerospace products， the paper put forward the construction of informatization workshop. Through the discussion on the basic architecture， network framework and system function of data acquisition and management system， the application effect of data acquisition and management technology in the assembly of solid rocket motor nozzle is summarized.
Key words：informatization;data acquisition;management
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