航空热加工设备计量保障数字化系统研发与应用研究

王浩军，王 伟，缑飞鹏，黄成功，罗云泽，吉建丽

(中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089)

0 引言

航空制造业作为国之重器，是国家科技、经济、国防实力和工业化水平的重要标志，是高新技术产业和先进制造业的主战场之一，受到世界各国的高度重视和优先发展。智能制造是我国抢占先进制造技术制高点的主攻方向，是推动航空工业转型升级的引擎，先进航空产品的研制对航空制造业智能化发展提出了更高技术要求[1]。

热加工工艺技术是保障航空制造领域产品质量的重要技术环节，涉及热处理、表面处理、锻铸技术、复合材料制造等方面[2-6]。针对热加工设备和工艺的智能控制、计量管理、生产工艺、质量追踪等关键环节，开展数字化计量保障系统研究，建立包括硬件物理互联和软件信息互联的热加工过程计量支撑数字化，提升计量的数字化水平，是航空装备热加工过程高质高效发展的必然方向[7-10]。

该文以某公司航空热加工设备组为研究对象，开展数字化计量保障系统分析研究，研发热加工设备计量保障数字化系统，对热加工设备的温度、真空度、炉门开关信号及淬火转移时间等重要参数纳入计量监控，实现了热处理单元现场设备运行状态和过程质量集中监控，为实时动态掌握设备运行动态提供数字化平台支持，助力实现热加工设备的集中管控、工艺管理、生产计划管理、温度均匀性检测管理(Temperature Uniformity Servers , TUS)等全过程数字化。研发的热加工设备计量保障数字化系统可以与制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)、质量管理等信息系统实现信息交融，在系统中完成工件热处理工序的全流程管控，大大提升了公司智能制造和质量管理水平。

1 系统架构设计和功能分析

1.1 系统架构分析与设计

根据热加工设备及工艺流程安排，将热加工设备计量保障数字化系统的系统架构分为基础支撑层、系统功能层和展示层三个层次。

基础支撑层主要针对系统主数据、原始配置进行管理，包括基础数据管理、系统配置管理以及流程管理三部分。管理维护由系统开发人员及系统管理人员完成，同时支持基于实际业务的定制功能，可满足业务变化、问题追溯等工作需求。

系统功能层为整体系统的核心环节，包括数据采集与监视控制系统管理(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)、工艺管理、生产计划管理、设备计量管理、质量控制管理、TUS检测管理以及生产管控。实现生产数据在线实时采集、生产计划的排产与排布、生产过程的管控、设备监测多个生产环节的管理，同时依据产品热加工工艺知识库，对全过程质量数据进行整合，实现全过程的工艺数据、质量数据、检验数据的追溯与分析。

系统展示层提供用户交互界面，满足与生产加工相关的不同权限人员需求，实现可视化数据分析、大屏幕展示、组态化展示等应用。同时对生产数据进行分析，为生产过程的管控与优化提供数据基础。

图1 热加工设备计量保障数字化系统总体架构图

1.2 技术架构分析与设计

航空热加工工艺数据具有保密性要求，要求系统实现各工艺环节业务独立且低耦合的技术目标，基于系统整体架构，采用微服务架构模式开发是合理的技术路径。

在技术架构设计中，优先聚合业务关联紧密的单元，并从特定单元中分离出独立的业务单元以降低单元间耦合性，最终分析和分解设计服务需求，确保系统目标、效率和安全性的平衡。根据热加工设备主要参数和业务流程分析，将热处理服务总体分为热处理接口服务、热处理管理、设备计量管理、数据存储统计、人员权限与基础数据服务、流程管理服务、系统管控中心七个业务服务。通过基础支承层、微服务层、微服务编排层、服务注册发现层、共享服务层以及业务展现层进行多级微服务的集成。针对热处理服务系统的总体服务框架如图2所示。为了保证系统的高可用与稳定运行，各服务均采用分布式部署，并将数据进行相应划分，实现业务与数据的独立性。

图2 热加工设备计量保障数字化系统微服务物理关系图

1.3 业务流程分析与优化设计

针对航空热加工工艺数据安全、保密管理、服务独立的特殊要求，系统采用园区网及工控网双级架构，构建和优化业务流程设计，保障生产数据与管理数据的独立性和安全性，优化的业务流程如图3所示。系统在园区网完成基础配置及生产质量过程管理，形成的生产计划下发至工控网，由工控网进行生产执行，并将实时数据及生产结果进行上报至园区网。

图3 热加工设备计量保障数字化系统生产业务流程图

2 系统主要功能模块的设计研发

针对热加工工艺特征，对应工艺、过程及检验三个关键环节，系统提炼出工艺管理模块、生产计划管理模块以及TUS检测管理三个核心功能模块，并根据工艺特点开展模块研发工作。

2.1 工艺管理模块

针对航空热加工工艺流程的复杂性，采用可配置、组件化的理念，研究设计可满足实时监测工艺流程数据的数字化工艺管理模块，通过工艺知识库、工步定义、工艺参数模板定义、工艺参数要求管理、过程卡配置管理等子模块，实现了定制过程的灵活配置。通过对工艺数据结构的分布式设计，实现业务与数据的结合。

2.1.1 工艺知识库

工艺知识库作为系统数字化的基础数据库，对工艺数据可执行创建、编辑、删除等功能，对不同材质、厚度、零件号的产品创建对应的工艺参数，同时可根据工艺参数中的温度控制参数对相应的工艺温度曲线，对更新的工艺文件进行版本管理，支持多维度查询工艺数据。

2.1.2 工艺审批

支持以符合用户管理制度要求的方式，建立完整的工艺审批流程，由工艺人员编辑好工艺数据后发起，工艺审批流程包括编制、校对、质审、审核、复审、批准等权限，审批流程可选。工艺审批提供处于不同阶段的背景颜色不同功能，支持复制工艺、筛除等功能。

2.1.3 工艺查询

工艺文件按机型、材料、材料形式、热处理状态、工艺方法、工艺规程编号等保存至服务器数据库中。生产过程中，系统按照机型、材料、材料形式、热处理状态、工艺方法、工艺规程编号等调取工艺文件。

2.2 生产计划管理模块

生产计划管理模块包括计划排布、计划执行以及执行结果获取全流程管理过程，具体功能包括任务调度、任务排产、班组任务、任务执行确认、加工中任务处理、热处理原始记录等。

2.2.1 任务调度

系统通过与MES、ERP、生产作业计划系统对接，实时获取零件加工任务信息。同时考虑特殊工艺和生产计划需求，实现手动添加任务功能，体现了本系统在数字化的同时兼顾操作过程的灵活性。

2.2.2 任务排产

系统根据现场情况、产品的工艺要求、生产进度要求对生产任务进行初步排产，在系统中能按照项目、材料、工艺、设备、人员等信息匹配，排产数据将保存至数据库中，可根据实际情况进行人工优化排产，实现排产的自动和人工优化相结合。

2.2.3 任务接收与执行确认

生产任务经单元长接收后下发到操作人员，操作人员接收后将任务工艺下发至所排产的热加工设备，经过自动下发和操作人员检查两个环节，大大降低任务的错误率。热加工设备操作人员在系统中核实加工工艺、设备、产品等信息，对工艺核对确认后系统生成执行任务。

2.2.4 加工中任务处理

系统将加工任务信息集中处理和全面展示，提供开启任务、填写工装号、选择装炉方式、选择冷却介质、填写报警误差、填写装炉量等信息，选用的设备状态可实时显示保温温度、报警误差、保温段、保温开始时间、已保温时间、剩余保温时间等重要信息，产品信息栏显示任务号、任务跟踪卡号、产品数量、加工工艺、工序名称、装炉数量等，全面实现任务处理过程数字化和信息化。

2.2.5 热处理原始记录

热处理设备操作人员在任务执行完毕后通过系统进行报工，系统可自动生成热处理原始记录，表单封闭后通过系统将原始记录编号自动回传至 MES系统，并更改MES移交的任务状态，确保任务处理记录真实可靠并实现与其他信息系统共享。

2.3 TUS管理模块

在热加工过程中，热加工设备的温度均匀性是影响加工质量的重要指标，也是数字化系统研发的关键模块。温度均匀度超过了允许偏差会导致产品的质量问题，因此系统将热加工设备的温度均匀度作为定期监控的重要内容。系统根据热加工业务流程(如图4所示)，将系统功能分为申请检测、设定检测参数、关联TUS数据、判定保温时间、生成检测原始记录及证书等。

图4 TUS管理业务流程图

根据业务流程图，TUS检测申请由设备使用单位提出，由计量部门派工进行检测。检测模块按照AMS2750F《高温测量》规范的要求，设定热加工设备在升温及稳定状态下，工作区内各测量点采集时间间隔2分钟，温度稳定后连续采集30分钟，将采集数据进行修正、计算参数、判断合格与否，自动对于异常数据进行过滤和测试点异常警报，自动打印出原始记录和检测证书。通过该模块将TUS检测和管理实现数字化，系统化，规范化，提升检测准确性，提高效率，降低人工成本和出错率。

3 系统的创新性

3.1 支持个性化定制的工艺知识库管理模式

系统支持个性化定制的工艺知识库管理模式，实现了工艺管理由人工管理向数字化管理的转变，降低了在工艺分配时的错误率，同时提升了排产过程的效率，并为自动排产提供技术支撑。系统对工艺知识库中配置出所有生产可能性进行梳理，将产品、工艺路线、工序、已有工艺参数进行有效整合，实现一次配置、永久有效。

3.2 支持正反双向自动化排产模式

研发了支持正反双向自动化排产模式，实现任务计划到执行以及执行要求转向计划的双向目标。通用正向排产是在库存原料基础上，对现有数据进行排产；反向排产则由产能反推对来料的要求，通过此模式可以最大限度的利用生产设备的空间、避免浪费、节省成本，进一步将多业务、多系统进行融合。

3.3 创新TUS管理新模式

改变传统TUS检测需要计量检测人员大量繁琐的工作状况，提出基于价值链和业务链双链融合的业务逻辑建模，创新基于多维语义关联性和多元价值目标的业务逻辑耦合度量和解耦技术，理清以价值增值为导向的业务逻辑耦合和解耦关系；使用面向全链的场景关联性分析方法，构建支持混合驱动场景化的协同追溯集成技术，通过自动采集工控网设备数据、自动修正差值、智能计算保温范围、自动与实验室计量管理系统共享数据等手段，实现TUS检测、信息服务等全链一体化协同与全程可信追溯。

3.4 满足保密及共享需求的业务协同机制

基于生产制造业务全过程管理，形成面向服务需求的分布式节点机制，基于微服务架构的服务功能柔性重构方法,实现服务功能与业务流程的分层解耦，实现业务划分与整合、共享与调用等关键技术，建立了微服务架构下面向服务型制造按需扩展的创新业务协同机制，实现智能灵活配置场景应用，利用微服务架构，开放API，提供SDK，共享系统资源，提升价值增值和服务创新应用的开发能力。

3.5 单向无回传网闸实现多业务系统集成

传统的信息化系统往往存在各业务系统分散搭建，各部门之间互相孤立，信息不能有效沟通，生产效率低等问题，尤其是涉及军工企业保密要求，涉密园区网与工控网的物理隔离是系统集成的主要障碍。本系统采用单向无回传网闸的方式实现数据的传输。在数据安全上，园区网系统通过网闸将作业计划及工艺等信息下发至工控网系统。在工控网对所有下行的数据进行自动过滤，将各类敏感信息转换成随机流水码。在工控网内只留存在制品数据，历史数据均上传至园区网，有效应对工控网内数据聚集可能产生的安全风险。两网交融可实现信息、数据的共享和协同，大大提高了生产效率。

4 结论

(1)该文以航空热加工设备为研究对象，开展了热加工设备计量保障数字化系统研发与应用研究，通过合理有效地划分园区网和工控网功能，在遵守军工保密规定的情况下，实现了制造运行层与控制层的无缝对接。

(2)建立了基于两网的智能制造应用架构，对热处理车间现场设备运行状态和过程质量进行集中监控，实现热加工设备的集中管控、计量管理、工艺管理、生产计划管理、质量管理等过程数字化。

(3)建设的热加工设备计量保障数字化系统能与企业的MES、ERP、质量管理等其他信息系统实现信息交互，在系统中完成热加工工序的全流程管控，大大提高设备利用率及工作效率，在军工热加工行业有较大的推广价值。