基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理技術(shù)研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

WU Shao-min,　HU Xiao-bing,　WANG Jiang-wu

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基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理技術(shù)研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

WU Shao-min,HU Xiao-bing,WANG Jiang-wu

摘要：針對目前傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FMS）與企業(yè)上層ERP、CAPP等管理系統(tǒng)信息斷層，無法有效連接企業(yè)上層系統(tǒng)和底層柔性線，導致效率低下的問題，提出了一種基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理模型，該模型包含Main-MES和FMS-MES兩層，將MES技術(shù)融入傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)中，實現(xiàn)了FMS與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統(tǒng)的有效集成，保證了企業(yè)上層系統(tǒng)和底層柔性線的無縫連接。介紹了生產(chǎn)管理模型與其它系統(tǒng)的集成技術(shù)以及各功能模塊的作用，并開發(fā)了針對四川普什寧江機床廠FMS80柔性線的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)模型的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：FMS；MES；生產(chǎn)管理；集成制造；無縫連接

0　引言

FMS（柔性制造系統(tǒng)）是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)組成，是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在經(jīng)濟全球化、信息化以及競爭日益激烈的制造業(yè)大背景下，面對愈發(fā)迫切的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的愿景，簡單的柔性制造系統(tǒng)已顯得力不從心[1]。以大多數(shù)我國機械制造企業(yè)為例，主要從事單件、小批量，按訂單組織的生產(chǎn)形式，生產(chǎn)過程中存在著不確定因素，傳統(tǒng)意義的FMS無法與MRPⅡ或ERP等生產(chǎn)管理軟件無法有效地結(jié)合，與企業(yè)級信息產(chǎn)生斷層，影響柔性制造系統(tǒng)性能，使得生產(chǎn)作業(yè)的管理任務(wù)復(fù)雜而繁重，競爭力低下。

從20世紀90年代初，從多個角度提高FMS工作效能的相關(guān)應(yīng)用支撐系統(tǒng)的研究就已經(jīng)開始。排產(chǎn)調(diào)度方面，張超勇，饒運清等[2]采用兩級遺傳算法來解決柔性車間的作業(yè)調(diào)度問題，訂單管理方面，Zakaria Z，Petrovic S[3]研究了采用遺傳算法的插單重排產(chǎn)問題。

1　系統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)在制造企業(yè)系統(tǒng)中起著中間執(zhí)行層的作用。MES主要起企業(yè)級計劃層和車間自動化系統(tǒng)間承上啟下的作用，是企業(yè)其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)達到無縫集成的關(guān)鍵[4]。因此，將MES融入到傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)中，可以有效地解決傳統(tǒng)FMS與上層ERP/MRPII等企業(yè)管理軟件與底層自動化系統(tǒng)的集成問題。本文通過將MES技術(shù)充分融入到FMS系統(tǒng)設(shè)計中，提出了由Main-MES層和FMS-MES層兩層構(gòu)成的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如圖2所示。

由圖2可以看出，Main-MES層從企業(yè)級上層中的ERP/MRPII、CAD/CAM和CAPP系統(tǒng)軟件實時接收生產(chǎn)計劃信息和零件的工藝設(shè)計信息。然后，對接收到的這些信息進行分析處理生成對工件精確到工序級的排產(chǎn)和設(shè)備的調(diào)度信息，并通過內(nèi)部接口將生成的信息傳送給FMS-MES層，F(xiàn)MS-MES層根據(jù)接收到的信息對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。與此同時，F(xiàn)MS-MES層還會通過檢測設(shè)備獲取計劃完成情況、現(xiàn)場加工信息和資源的使用信息，通過Main-MES層反饋給企業(yè)級計劃層，后者根據(jù)獲取的反饋信息動態(tài)地調(diào)整企業(yè)的生產(chǎn)策略。從以上分析可知，基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以有效地解決傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)與企業(yè)上層管理系統(tǒng)的通信斷層問題，制定能夠準確響應(yīng)市場變化的生產(chǎn)策略，完成對現(xiàn)場柔性線的精確高效控制。

2　系統(tǒng)功能體系

本文設(shè)計的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)是從系統(tǒng)集成的高度出發(fā)的。系統(tǒng)向上要和企業(yè)級的ERP/ MRPII、CAD/CAM和CAPP系統(tǒng)集成，橫向要和工裝管理系統(tǒng)集成，向下要和底層柔性線設(shè)備層集成。

本文將系統(tǒng)的設(shè)計主要分為工藝管理、計劃排產(chǎn)管理、需求管理、資源管理、現(xiàn)場管理。如圖2所示。從生產(chǎn)管理系統(tǒng)的總體框架圖可以看出，系統(tǒng)的工藝管理模塊和計劃排產(chǎn)管理模塊共同構(gòu)成Main-MES層，負責同企業(yè)級的ERP/MRPII和工藝設(shè)計管理系統(tǒng)（CAPP、CAD/CAM）集成；需求管理模塊、資源管理模塊和現(xiàn)場管理模塊構(gòu)成FMS-MES層，同工裝管理系統(tǒng)和底層設(shè)備層進行集成。

3　系統(tǒng)實例

為了驗證本文所設(shè)計生產(chǎn)管理模型的有效性，本團隊在同四川普什寧江機床有限公司共同承擔的國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”中，以寧江機床廠原有的FMS80柔性線為基礎(chǔ)，將MES融入其中，開發(fā)了基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3.1寧江FMS與MES的融合

寧江機床廠的FMS-80系統(tǒng)有由4臺精密臥式加工中心及清洗機、托板庫、上下料臺、運輸小車等組成。寧江的FMS-80柔性線與企業(yè)上層的ERP、CAPP系統(tǒng)和工裝系統(tǒng)的通信，基本上是靠人工信息的傳遞來完成，集成化程度和自動化程度低，效率低下。

為了提高FMS80線的運行效率，本團隊將MES技術(shù)融入其中，開發(fā)了如前文所述的包含Main-MES和FMSMES兩層的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，完成與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統(tǒng)無縫集成。集成技術(shù)的具體實現(xiàn)如圖9所示。

圖1　基于MES的兩層結(jié)構(gòu)FMS管理系統(tǒng)

圖2　系統(tǒng)總體框架圖

圖3　FMS-80柔性線集成技術(shù)實現(xiàn)

圖3中，從ERP系統(tǒng)獲取的生產(chǎn)訂單和反饋生產(chǎn)計劃可能存在定程度的修，因此采用Excel中間文件集成方式。工裝管理系統(tǒng)和FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)部署于同服務(wù)器上，所以可以將二者數(shù)據(jù)庫合并，采用數(shù)據(jù)庫直連的方式。與CAPP、CAD/CAM集成則是通過包含工藝數(shù)據(jù)和工藝卡片的工藝文件。FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以通過直接操作現(xiàn)場控制PC的數(shù)據(jù)庫，下達具體到工序級的排產(chǎn)計劃；現(xiàn)場資源的使用情況和零件的加工狀態(tài)信息，會實時以XML文件的形式傳送給FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，然后解析生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫信息。

3.2系統(tǒng)運行驗證

本文所設(shè)計的基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)已在寧江機床廠試運行，下面以寧江機床廠2015年9月份和10月份FMS80生產(chǎn)線上的8種零件訂單驗證了系統(tǒng)模型的可行性和有效性。零件詳情如表1所示。

表1　FMS80線上8種零件

計劃管理模塊同ERP等企業(yè)級管理系統(tǒng)相互通信，從公司ERP系統(tǒng)獲取關(guān)于FMS80線上8種零件計劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖4是計劃管理的界面圖。

圖4　計劃管理

排產(chǎn)管理模塊是結(jié)合計劃、工藝和現(xiàn)場資源進行的，自動生成排產(chǎn)的甘特圖，如圖5所示。

圖5　計劃排產(chǎn)

現(xiàn)場管理模塊可以實時獲得零件的加工狀況和現(xiàn)場資源的使用狀況，反饋給排產(chǎn)管理、資源管理等模塊，進而優(yōu)化排產(chǎn)，形成生產(chǎn)閉環(huán)，圖6為現(xiàn)場加工中心的負荷圖，橫軸代表時間，縱軸代表加工中心的工作時間，單位為小時。

4　結(jié)論

本文提出的基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，由Main-MES和FMS-MES兩層構(gòu)成，與企業(yè)級的ERP、CAPP、CAD/CAM系統(tǒng)和工裝系統(tǒng)有效集成，實現(xiàn)了企業(yè)層與底層柔性生產(chǎn)線的無縫連接，打破了傳統(tǒng)FMS的信息孤島，提高了FMS的運行效率，優(yōu)化了企業(yè)管理策略，并在四川普什寧江機床有限公司的FMS80柔性線上得以成功實施。當然，該系統(tǒng)還存在些不足，在日后的研究中會繼續(xù)完善。

圖6　機床負荷

參考文獻：

[2] 張超勇,饒運清,李培根,等.求解作業(yè)車間調(diào)度的種進遺傳算法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2004,10(8):966-969.

[3] Zakaria Z,Petrovic S. Genetic algorithms for match-up rescheduling of the flexible manufacturing systems[J].Computers & Industrial Engineering,2012,62(2):670-686.

[4] Choi B.K, Kim B.H. MES (manufacturing execution system) architecture for FMS compatible to ERP (enterprise planning system)[J].International Journal of Computer Integrated Manufact uring,2002,15(3):274-284.

作者簡介：武韶敏（1991 -），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化制造。

基金項目：國家科技重大專項（2012ZX04011-031）

收稿日期：2015-11-02

中圖分類號：TP278

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0011-04