液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统方案设计

2022-02-24徐蓓蓓

机电工程技术 2022年1期

刘恒，胡鹏，徐蓓蓓

（北京航天动力研究所，北京 100076）

0 引言

在液体火箭发动机阀门产品设计、生产计划、外协采购等工作中，已广泛应用了信息化手段，大幅提高了工作效率和产品质量。但是在液体火箭发动机阀门生产过程中信息化管理水平仍然较低，信息传递以纸质文件为主，传递准确性差，不但影响现场工作效率，而且造成生产管理和质量信息共享不及时，大量的纸质文件也给后期数据存储以及统计分析带来了较大困难。同时，无法做到对生产现场的实时管控，无法追踪生产任务当前的进度，无法实现追溯管理等[1]。

在这种情况下，本文针对液体火箭发动机阀门生产的特点开发一套生产信息化管理系统，通过生产信息化管理系统的建设实现生产车间零部件仓储作业及装配作业现场的信息化管理。该生产信息化管理系统是基于MES 基础上进行的应用扩展和功能延伸。MES 传统定义为制造执行系统，涵义是能通过信息化传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理[2-4]。发生事故时，MES 能及时地对其进行分析处理。其迅速的应答能力提升了货物的生产效率。MES 的双向信息传输为管理者提供了生产供应链实时信息，为管理者下达新的指令提供了依据[5-9]。

阀门生产信息化管理系统的方案设计部分主要包括硬件方案设计和软件方案设计，在方案设计中同时分析阀门生产过程该系统的实际应用价值和贡献。

1 总方案设计

液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统是应用于生产车间执行层的生产信息化管理系统，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理，并根据当前的准确数据对车间进行指导和处理。生产信息化管理系统可以提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块[10-12]。

液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统的设计与研究主要包括阀门生产信息化管理系统自身的开发以及与阀门设计过程管理信息系统和物资管理系统的集成。液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统总体架构如图1 所示。图中，生产信息化管理系统主要由阀门设计过程管理信息系统和物资管理系统两个部分进行集成，阀门生产信息化管理系统从物资管理系统中获取物料、客户、生产任务单、投料单等信息，从设计过程管理信息系统获取产品的工艺路线信息以及打标信息等，采用二维码管理模块将原材料的入库、领用、退料、产品的完工入库信息提交给物资管理系统，并将生产加工过程信息记录在自身的数据库中，以备检索使用。

图1 阀门生产信息化管理系统总体架构

阀门生产信息化管理系统的开发包括PC端功能和采集器功能的开发。PC 端功能包括管理基础数据以及制定详细的业务功能。基础数据的管理主要包括故障代码与工序管理以及客户、员工、任务单等基础资料的管理；业务功能主要包括生产任务管理、工序变更、进度查询以及作业日志等。采集器功能包括原材料入库、领料、盘点、组装加工、工序流转、检验合格、产品入库以及产品出库等功能。

阀门生产信息化管理系统生产现场运行的主要过程是：原材料工位的员工利用手持采集器进入零件配套模块，然后下载任务单，对相应零件原材料进行扫码导入系统中用于后续工序操作；工序流转模块的员工根据任务单匹配出工序路线，然后根据手持采集器中显示的工序名称、工位号、参数要求等进行具体的工序操作，每一道工序完成后点击确认即可进入下一道工序；工序路线完成后再进行工序检验，如果检验过程中出现产品不合格的情况，检验员就在系统中点击工序返回，将任务提交回设计阶段，修改结束后重新进入工序阶段；检验合格后进入产品包装环节，根据从液体火箭发动机阀门设计过程管理信息系统的打标信息进行打标以及装箱；最后产品入库、出库。如图2所示。

图2 系统功能模块执行

在液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统功能模块的基础上，系统总体建设包括两方面内容，一方面是硬件条件的建设，包括生产现场的网络布线、计算机配置、二维码打印机配置、数据采集器（数据采集器）配置以及现场数据展示设备等；另一方面是软件开发与实施，开发内容包括二维码技术、流程管理技术和数据挖掘技术等。二维码技术是通过研究原料二维码、产品二维码、包装二维码、人员二维码、工序二维码及设备二维码等规则，通过系统实现对二维码的配置和有效管理，二维码打印机打印二维码信息数据采集器实现对人员操作、设备使用、工序配置及原料和产品出入库的管理；流程管理技术是通过研究业务过程，不断梳理优化后在系统中采用国际通用流程引擎技术实现对数据和过程的有效管理，记录整改业务过程中流转的相关数据，如图号、工序以及工序完工时间、完工数量、不合格品二维码号、人、物料二维码绑定等；数据挖掘技术是研究多个业务系统间的数据关系，从物资管理系统中同步物料信息、供应商信息、客户信息、部门与人员信息、生产任务单、采购订单、投料单、销售订单等以及回传出入库信息及生产任务单汇报等信息，同时从阀门设计过程管理信息系统中同步工艺路线、生产任务单号、BOM、图号以及生产内容等，最终实现数据的处理、统计与展示，如阀门生产信息化管理系统内每台产品的生产进度状态、工人操作台数及时间、在制产品数量、交付进度要求等。

2 硬件方案设计

根据阀门生产车间的布局及现场信息化的需求，生产现场进行有线和无线网络的布线与配置，既定工位配置台式电脑、数据采集器、二维码打印机等。生产现场的有线和无线网络的布线与配置网络拓扑图如图3 所示。

图3 全网拓扑图

既定工位设置台式电脑，用于对相关产品、任务等相关信息的人工查询和录入工作；为计算机配置数据采集器，用于扫描及上传相关工序操作、质量等信息；在包装和打标工位配置二维码打印机，打印原料二维码、产品二维码、包装二维码、人员二维码、工序二维码及设备二维码等；设置无线网络，用于数据采集器的信息传输。

3 软件方案设计

3.1 二维码规则

液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统中二维码是所有信息的载体，记录了原材料零件、产品、工艺流程、操作人员、检验人员、设备等信息。所以在系统的整个运行过程中，二维码中的内容是重要的流转信息。通过对阀门生产信息化管理系统内各工序进行详细的分析，制定相应的二维码并编制规则，具体规则如表1 所示。

表1 二维码编制规则

在阀门生产信息化管理系统中，以信息化的方式将人、机、料、法、环等所需信息分别记录在二维码内，然后利用数据采集器进行扫描存入液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统中，在各个工序中，利用二维码信息的流转将所需的信息进行记录，用于阀门生产信息化管理系统的生产及质量管理。

3.2 生产工序流程控制与记录

根据阀门产品装配与试验调试要求，发动机的生产阶段需要经历零件领料、清洗、强度试验、组装、气密等一系列工序，根据产品的型号、性能要求不同，具体所需的工序也会不同。

经过对产品型号、性能要求的总结及分析，对具体产品制定了合理有效的工序，并将工序内容及工序要求展现给相应的操作人员，直观明确，便于操作。

通过对工序的分解和分析，将工序的先后顺序及质量检验确认进行系统控制，如图4 所示，在系统中以流程的方式进行工序控制，包括工序节点，每道工序所需的操作人员、工序完成时间等，避免工序漏做、工序漏检或工序颠倒等，实现产品工序的有效流转及质量保证。

图4 工序流程控制界面

3.3 质量信息记录与管理

根据液体火箭发动机阀门产品质量管理及追溯要求，在阀门产品组装过程中，需要将重要零部件的质量信息（炉批号、批次号、SN 号等）进行记录，用于工艺流程中信息的查询以及信息比对，以备输出使用及存档追溯。比如在工序环节的配套检验中，解析出11大类原材料二维码中的炉批号、批次号、SN 号等信息，并建立单台产品二维码与原材料二维码的关联关系，将数据信息进行记录。具体流程如图5所示。

图5 配套检验工序流程

操作员扫描操作员二维码、工序二维码、产品二维码，从阀门设计过程管理信息系统下载《阀门零件配套表》，再依次扫描零部件二维码，如果扫描的二维码不在校验表内，系统会给出“零件错误”，需要点击“确定”后才能进行下一步或者扫描下一项零件，并且不将错误零件信息录入系统。

阀门产品的各工序环节，相关的操作人员、检验人员、操作设备等，都会通过数据采集器在工序汇报及质量汇报中进行记录，节省了操作员、检验员的各类手工记录文件。同时，以信息化的方式来对数据进行存储，大大提高了信息查询检索速度。

3.4 信息数据展示及挖掘

在液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统内，所有的生产信息都一并记录在信息化系统内，阀门生产信息化管理系统从物资管理系统中同步物料信息、供应商信息、客户信息、部门与人员信息、生产任务单、采购订单、投料单、销售订单等以及回传出入库信息及生产任务单汇报等信息，同时从阀门设计过程管理信息系统中同步工艺路线、生产任务单号、BOM、图号以及生产内容等，用于数据的处理、统计与展示，如阀门生产信息化管理系统内每台产品的生产进度状态、工人操作台数及时间、在制产品数量、交付进度要求等。图6 所示为系统主要数据的管理与展示界面。

图6 数据展示界面

同时，为了更好地展示系统数据以及生产进度状态，在生产现场安装了屏幕展板，采用清晰简明的界面展示了液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统内的每台产品的生产进度状态，利于有效监督和管理整个生产现场。

通过对各类数据的采集，对各工序操作时长、工序质量记录、设备使用状况等进行深入的分析，为合理分配工序人力、有效提高设备使用效率、优化工序、发现解决并提高一次合格率等提供数据基础。

3.5 返修流程信息化

装配制造过程完成后，液体火箭发动机阀门生产信息化管理系统内装配人员通过扫描二维码进行结果确认，如确认通过，系统自动生成《阀门装配、试验质量控制记录表》；确认不通过，直接发起阀门的不一致品返修流程，“不一致品单”将以流程形式流转于设计、生产和质量技术部门之间，直至产品返修方案通过。不一致品返修流程如图7所示。

图7 不一致品返修流程

“不一致品单”流程由装配人员发起，不需要检验人员和QC 工程师参与，发送至设计部由设计人员编写零件返修单，根据阀门故障情况，选择改进或新增设计方案。设计人员设计部人员完成技术方案后，流转至生产调度部，下达相应的零件返修、领用或退库等流程。如果阀门经过一次返修未能试验合格，则返修任务单重新回到设计部人员处，如此循环这一过程，直到液体火箭发动机阀门通过检验试验合格，在此过程中产品返修信息的管理过程中全部记录到信息系统中。