基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計*

李 超，高利偉，史運濤，雷振伍

(北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室，北京 100144)

基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計*

李 超，高利偉，史運濤，雷振伍

(北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室，北京 100144)

針對某汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)在實施生產(chǎn)過程中急需解決的生產(chǎn)管理、計劃編制和執(zhí)行跟蹤方式落后以及物料信息采集不及時等問題，提出了基于制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的離散車間生產(chǎn)管理模型。區(qū)別于傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)管理模式，加入了基于Android的手持設(shè)備，利用RFID技術(shù)和Apache Thrift框架，通過Android移動終端信息推送等相關(guān)技術(shù)，對車間生產(chǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，減小了突發(fā)事件對車間生產(chǎn)周期的影響，提高了生產(chǎn)效率。

制造執(zhí)行系統(tǒng)； RFID技術(shù)；Apache Thrift框架；Android移動終端

0 引言

面對快速變化的市場環(huán)境，現(xiàn)代制造企業(yè)都在加大信息化的發(fā)展，制造業(yè)趨于智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化[1]，企業(yè)非常關(guān)注生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集，以便于提高生產(chǎn)排產(chǎn)的效率，實現(xiàn)制造過程的可追溯等功能。

傳統(tǒng)的車間管理系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)管理需求時，只能在電腦客戶端進(jìn)行生產(chǎn)管理，無法滿足實時預(yù)警、信息推送、靈活記錄生產(chǎn)信息的需求，隨著移動終端智能化的不斷普及，現(xiàn)代制造企業(yè)對生產(chǎn)管理的靈活性提出了更高的要求。

本文以某汽車零部件加工車間為背景，從車間的實際出發(fā)，建立了基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠通過Android手持設(shè)備實現(xiàn)對整個車間生產(chǎn)的實時監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)需求

經(jīng)過對該企業(yè)車間詳細(xì)調(diào)研和仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)目前車間生產(chǎn)管理方面存在的主要問題如下：

(1)數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成困難：各車間的協(xié)同作業(yè)和各業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)不能共享，無法確保企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)一致、準(zhǔn)確，各相關(guān)部門之間形成“信息孤島”[2]，且生產(chǎn)數(shù)據(jù)依靠人工管理，工作繁重，工作效率低下。

(2)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集不完善：生產(chǎn)管理人員無法對關(guān)鍵零部件加工過程中的設(shè)備運行狀態(tài)、加工時間、質(zhì)檢情況等進(jìn)行實時跟蹤，數(shù)據(jù)采集需要人工記錄才能輸入電腦，數(shù)據(jù)的完整性和可靠性得不到保障，管理效率低下。

(3)無法完成質(zhì)量分析與追溯：生產(chǎn)管理混亂，缺乏質(zhì)量追溯，不能有效提供物料實際加工的狀態(tài)信息，無法追溯特定批次零件使用的毛坯批次以及每個零件具體批次的生產(chǎn)過程，無法跟蹤生產(chǎn)訂單的實際進(jìn)度情況，導(dǎo)致不能提供準(zhǔn)確的交貨時間。

(4)物料管理落后：物料庫存管理方式落后，不能準(zhǔn)確、及時的提供物料庫存信息，造成物料積壓、呆滯、短缺，不僅占用資金量大，有時還會影響正常生產(chǎn)。

針對該企業(yè)存在的以上問題，設(shè)計了基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)可及時反饋訂單狀態(tài)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程、實時物料BOM等數(shù)據(jù)給管理人員，為決策者的決策提供相關(guān)依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計

車間生產(chǎn)管理監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S+B/S體系結(jié)構(gòu)，采用手持PAD、手持RF設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，使用系統(tǒng)服務(wù)器完成本系統(tǒng)應(yīng)用程序的管理、維護(hù)和運行，從而極大增強(qiáng)系統(tǒng)的集成性和可維護(hù)性。生產(chǎn)車間配備兩塊電子看板，分別用來顯示整個車間生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

客戶端由用戶管理模塊、生產(chǎn)信息管理、作業(yè)調(diào)度管理、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理組成。用戶管理模塊含有一個超級管理員，超級管理員可以指定登錄人員的權(quán)限，從而保證系統(tǒng)的安全性；統(tǒng)計分析模塊可以對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，形成柱狀圖和曲線圖，使數(shù)據(jù)圖形化，更有利于數(shù)據(jù)的分析；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊包含了員工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等信息，加快了車間管理效率?？蛻舳斯δ芙Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 客戶端功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 MES數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)計

數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能在于將采集終端采集的相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并且使數(shù)據(jù)庫能夠被遠(yuǎn)程終端訪問。數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心部分，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)庫中的表能覆蓋所有需要的信息的同時，還要清楚反應(yīng)表的關(guān)系[1]。本系統(tǒng)采用SQL Server 2008R2作為MES服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。

車間根據(jù)銷售計劃、訂單信息等制定生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)批次表和工序計劃表，通過計劃編制確定相應(yīng)的生產(chǎn)人員、設(shè)備及工藝，同時確定所需要的物料信息，把生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)存入到生產(chǎn)實績表和成品入庫表，相應(yīng)的物料信息存入物料出庫表，根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)計劃、物料需求制定如圖3所示的系統(tǒng)信息模型。

圖3 系統(tǒng)信息模型示意圖

3 關(guān)鍵模塊及技術(shù)分析

3.1 生產(chǎn)信息管理模塊

生產(chǎn)信息管理模塊包含生產(chǎn)訂單管理、物料與成品管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理。

(1)物料與成品管理。物料與成品管理主要為物料入庫管理、物料出庫管理和庫存查詢，物料入庫通過手持PAD掃描物料的二維碼，獲得物料相關(guān)信息，通過物料管理人員核對后存入數(shù)據(jù)庫。物料出庫時領(lǐng)料人通過生產(chǎn)訂單計劃領(lǐng)取物料，在所領(lǐng)取的物料上含有相關(guān)物料的二維碼信息，便于實現(xiàn)物料追溯。

(2)生產(chǎn)質(zhì)量管理。生產(chǎn)質(zhì)量管理主要記錄、跟蹤和分析產(chǎn)品及過程質(zhì)量數(shù)據(jù)，用以控制產(chǎn)品質(zhì)量，確定生產(chǎn)中需要注意的問題。質(zhì)量管理模塊功能主要分兩部分完成，一部分是數(shù)據(jù)采集客戶端，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入(檢驗員在檢測零件時，通過手持設(shè)備上報質(zhì)檢結(jié)果)，另一部分是通過客戶端，對質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息進(jìn)行維護(hù)，補錄未能在手持設(shè)備上錄入的信息，同時實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的增刪、修改及查詢的基礎(chǔ)功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用具有高度適應(yīng)性和可擴(kuò)充性的數(shù)據(jù)采集方式，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)手工錄入兩種方式。

(1)自動采集

在零部件生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)采用無線固定RFID設(shè)備自動采集生產(chǎn)加工信息。具體生產(chǎn)跟蹤流程是：車間生產(chǎn)工藝科根據(jù)生產(chǎn)計劃信息和操作人員信息下達(dá)生產(chǎn)指令后，在上線前進(jìn)行產(chǎn)品初始化關(guān)聯(lián)；操作人員在原材料上安裝RFID標(biāo)簽，然后讀取RFID信息，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)計劃和產(chǎn)品編號；在加工過程中，系統(tǒng)自動掃描RFID標(biāo)簽，記錄產(chǎn)品編號、加工時間以及操作員信息；在所有工序完成后，觸發(fā)MES報工和生成加工過程質(zhì)量檔案。生產(chǎn)跟蹤流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)跟蹤流程圖

(2)手動采集

考慮到設(shè)備、現(xiàn)場條件和成本等因素，并不是所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線運行狀態(tài)數(shù)據(jù)都能做到自動采集和實時監(jiān)控，這就需要操作人員手動錄入相關(guān)信息。本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程采用基于Android的手持PAD作為錄入工具，手持PAD和服務(wù)器之間基于Thrift框架通訊，可以實時錄入相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和物料數(shù)據(jù)，同時可以在PC客戶端錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程和本地的無縫連接。

3.3 作業(yè)調(diào)度管理模塊

車間層的生產(chǎn)計劃主要是參考SFC系統(tǒng)內(nèi)下達(dá)的《月度生產(chǎn)計劃要求》，結(jié)合SAP系統(tǒng)產(chǎn)生的《月度產(chǎn)品均衡生產(chǎn)計劃》來確定車間生產(chǎn)的主計劃，進(jìn)而排出周生產(chǎn)計劃，最后確定生產(chǎn)班次、生產(chǎn)設(shè)備與操作人員。本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口模塊從外部系統(tǒng)導(dǎo)入生產(chǎn)工單，并對外部系統(tǒng)的訂單及撤單信息等進(jìn)行同步調(diào)整更新，以便及時調(diào)整車間實際業(yè)務(wù)、實時查詢或反饋現(xiàn)場信息。

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計劃的特點，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫自動定時獲取主生產(chǎn)計劃，然后在系統(tǒng)中自動編制生產(chǎn)計劃；也可通過Web頁面手動導(dǎo)入Excel生產(chǎn)計劃或根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，人工編制生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)計劃模塊實現(xiàn)功能如下：

(1)統(tǒng)籌生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的統(tǒng)一規(guī)劃、可控及可追溯；

(2)實現(xiàn)與外部系統(tǒng)(SAP/SFC)生產(chǎn)計劃同步，包含生產(chǎn)計劃的導(dǎo)入功能；

(3)實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的實時查詢，同時提供導(dǎo)出Excel功能；

(4)可同步更新生產(chǎn)工單的調(diào)整及拆分；

(5)通過與車間相關(guān)系統(tǒng)的集成和信息交互，可快速查詢到計劃調(diào)整和車間的執(zhí)行情況。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)并發(fā)采集

在生產(chǎn)設(shè)備管理中，由于要對多臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就要求整個采集模塊滿足高并發(fā)的要求。實現(xiàn)高并發(fā)的傳統(tǒng)方法是多線程技術(shù)，但是多線程意味著線程的調(diào)度時間和數(shù)據(jù)的切換時間會增加[3]，綜合考慮之后，本系統(tǒng)采用線程池的方法解決高并發(fā)的問題。

初始時為線程池配置一個合適的線程容量，服務(wù)器程序在開始執(zhí)行時就創(chuàng)建N個并發(fā)子線程，當(dāng)連接的設(shè)備減少時，系統(tǒng)就將已經(jīng)完成任務(wù)的線程逐步銷毀，直到線程數(shù)目恢復(fù)到正常水平。同樣，當(dāng)連接的設(shè)備增加時，就要相應(yīng)的增加線程數(shù)目。線程池的主要優(yōu)點在于，降低了操作系統(tǒng)的額外開銷和服務(wù)器的延遲，數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

(2)Android設(shè)備和服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸

基于 JSON 消息格式的 Restful 服務(wù)和基于 SOAP 消息格式的 Web Service作為當(dāng)前流行的服務(wù)調(diào)用方式，其中常用的兩種數(shù)據(jù)傳輸方式是XML和JSON，然而 XML 的缺點在于相對體積太大，從而導(dǎo)致傳輸效率低，而JSON 體積較小、新穎，但還不夠完善。本文采用由 Facebook 開發(fā)的遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用框架 Apache Thrift(架構(gòu)圖如圖 6所示)，是一種采用接口描述語言定義并創(chuàng)建的服務(wù)，支持可擴(kuò)展的跨語言服務(wù)開發(fā)，所包含的代碼生成引擎可以在多種語言中，如 C++、 Java、 Python、PHP、Ruby、Perl、 Haskell、 C#、Cocoa和Smalltalk等，創(chuàng)建高效、無縫的服務(wù)，其傳輸數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式，相對XML和JSON體積更小，對于高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量和多語言的環(huán)境更有優(yōu)勢。

圖6 Thrift 整體架構(gòu)

圖中Code為業(yè)務(wù)邏輯單元，MES Service .Client/MES Service.Processor是根據(jù)Thrift定義的服務(wù)接口文件生成的客戶端和服務(wù)器端代碼框架，MES .Read()/Write()部分為根據(jù)Thrift文件生成代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。其余部分是Thrift的傳輸框架協(xié)議以及底層的I/O通信，使用Thrift可以很方便的定義服務(wù)并且選擇不同的傳輸協(xié)議和傳輸層而不用重新生成代碼。

(3)信息的推送

當(dāng)服務(wù)器采集到設(shè)備空余、設(shè)備故障、物料短缺等特定預(yù)警信息時，管理人員需要及時獲取這些信息。本系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議，使用Message broker作為代理服務(wù)器來實現(xiàn)信息推送功能。由于Message broker的連接數(shù)有上限，在達(dá)到一定數(shù)量后無法連接，運行本系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)管理者數(shù)目較少，且服務(wù)器獨立，一般不會超過Message broker的連接上限，因此本方法合理實用。

4 結(jié)論

本文針對某汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)車間所存在的生產(chǎn)管理問題，利用RFID技術(shù)和Apache Thrift框架，設(shè)計了此生產(chǎn)車間管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可較好的解決傳統(tǒng)管理信息零散、數(shù)據(jù)冗余、信息反饋速度慢、信息滯后乃至信息造假的問題，與傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)相比，本文提出的基于Android客戶端的使用不僅讓管理更加靈活，而且推送功能使得管理更加靈活，極大的提高了生產(chǎn)企業(yè)的管理效率和車間的生產(chǎn)效率。

[1] 宋新曉．基于Android的push平臺功能的實現(xiàn)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2011.

[2] 譚海紅.基于Android的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2015(7):61-63.

[3] 王海英.MES 構(gòu)架及與企業(yè)信息系統(tǒng)集成研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2006．

[4] 王軍強(qiáng)． 可擴(kuò)展制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J]． 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，20(5) : 1036-1050．

[5] Ahmad,Salmiah．Manufacturing Execution Systems[J].American Oil Chemists＇Society,2006,17(3) 102-105．

[6] 楊海素.面向MES 的制造過程信息采集與處理系統(tǒng)研究[D]．南京: 南京理工大學(xué)，2014．

[7] 李佳林，楊繼新．變速箱生產(chǎn)線物料裝配擰緊防錯系統(tǒng)[J]．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2014 (5) : 151-153．

[8] 王曉飛，李月強(qiáng)．基于 PLC的汽車生產(chǎn)線管理系統(tǒng)[J]．儀器儀表學(xué)報， 2004,25 (4) : 894-895．

[9] Lee Sang M， Hong Soon Goo． Successful implementations of MES in Korean manufacturing SMEs: Anempirical study[J]．International Journal of Production Research， 2012,50 (7) :1942-1954．

[10] 賈晨輝，任小中，李云峰．?dāng)?shù)字化制造系統(tǒng)規(guī)劃與建模仿真研究[J]．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2009 (6) : 30-34．

(編輯 李秀敏)

Production Management System Designing of Discrete Workshop Based on MES

LI Chao, GAO Li-wei, SHI Yun-tao, LEI Zhen-wu

(Beijing Key Laboratory of Field Bus Technology and Automation,North China University of Technology, Beijing 100144)

For the production management, planning and the behindhand execution trace ways in the implementation of production process that a certain automobile parts manufacturing enterprise faces, we proposes a discrete management model of workshop production based on Manufacturing Execution System (MES) .Different from the traditional workshop production management pattern, the RFID technology, Apache Thrift framework and handheld devices based on Android are used. The system realizes the remote monitoring and management to the workshop production through the Android mobile terminals information push technology and some other relevant skills. Meanwhile, it can also reduce the influence on workshop production cycles caused by emergencies and improve the production efficiency.

manufacturing execution system (MES); RFID technology; Apache Thrift framework; Android mobile terminal

1001-2265(2017)05-0149-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.040

2016-08-10；

2016-10-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(61473002)

李超(1986—)，男，山東平邑縣人，北方工業(yè)大學(xué)實驗師，工學(xué)碩士，研究方向為智能制造、現(xiàn)場總線技術(shù)，(E-mail)lichao@ncut.edu.cn；通訊作者：高利偉(1989—)，男，山東臨沂人，北方工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為智能制造，(E-mail)glwnihao@163.com。

TH186;TG506

A