模具車間MES系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

吳定會，許世鵬，劉 穩(wěn)

（江南大學(xué) 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，無錫 214122）

模具車間MES系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

吳定會，許世鵬，劉 穩(wěn)

（江南大學(xué) 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，無錫 214122）

針對模具生產(chǎn)制造過程，研發(fā)了基于RFID的模具制造過程精益管控系統(tǒng)。首先，構(gòu)建基于固定式RFID、手持式RFID、電子標簽和無線路由硬件架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計車間生產(chǎn)過程動態(tài)MES系統(tǒng)；然后建立車間優(yōu)化調(diào)度模型，采用改進的雞群算法，進行車間排產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)。最后，通過系統(tǒng)上線前的仿真測試和上線后的實際運行效果證明，示范企業(yè)模具車間的加工效率有了明顯提升。

模具制造；精益管控；MES系統(tǒng)；優(yōu)化調(diào)度

0 引言

由于模具獨特的典型性，單件生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、需求/技術(shù)/設(shè)備/人員各方面不確定因素多，為模具生產(chǎn)計劃的編制和進度反饋帶來很大的困難。ERP編制出來的長周期的計劃，綜合考慮了能力、優(yōu)先級等客觀因素，結(jié)合項目管理的思想基本實現(xiàn)宏觀計劃的調(diào)控[1,2]，但由于不能及時掌握車間生產(chǎn)實際情況，廠級生產(chǎn)計劃下發(fā)到制造車間執(zhí)行時，多數(shù)訂單的實際生產(chǎn)進度與ERP計算出的進度之間產(chǎn)生較大的不一致，導(dǎo)致車間很難按照ERP所定的廠級生產(chǎn)計劃對車間的生產(chǎn)任務(wù)進行安排[3]。

針對上述問題，本文在某示范企業(yè)的模具制造車間建立了MES信息化系統(tǒng)，主要包括以下內(nèi)容：模具車間硬件設(shè)施鋪設(shè)，包括固定式RFID閱讀器、手持式RFID閱讀器、電子標簽、無線路由器、環(huán)境傳感器（溫度、濕度、振動、噪聲、粉塵）和智能電表等；基于RFID的模具車間信息采集；基于RFID的模具車間MES系統(tǒng)開發(fā)和基于雞群算法的柔性作業(yè)車間優(yōu)化調(diào)度。從硬件鋪設(shè)、數(shù)據(jù)采集、軟件開發(fā)到車間優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的建立，形成了針對小型化多品種模具加工制造過程的精益化信息管控，不僅提高了車間的生產(chǎn)管理效率，還使得車間管理更加透明化、智能化。

1 基于RFID的模具車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)模具制造業(yè)車間工作環(huán)境，建立基于RFID數(shù)采系統(tǒng)的模具車間信息化管理系統(tǒng)。相較于條形碼而言，RFID技術(shù)以其可重復(fù)讀寫、高儲存度、耐久性好、識別性好等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用了各類行業(yè)[4]?？紤]到示范企業(yè)模具車間生產(chǎn)設(shè)備自動化程度低，工作空間有限等實際情況，采用了以手持式RFID閱讀器為主，固定式閱讀器為輔的信息采集模式，這樣使得工人采集加工信息的方式更加靈活，增強了可操作性。

針對困擾車間主任的模具質(zhì)量追責(zé)問題，本文采用了人員卡、機器卡和零件卡三卡綁定的信息采集形式，工人在加工零件的某一道工序時，必須同時采集到這三張卡的信息后才能完成發(fā)送，發(fā)送成功后，就可以在車間大屏幕上實時顯示出來哪個工人在哪臺機器上加工什么零件，并且還可以看到加工的開始時間和結(jié)束時間，系統(tǒng)也會一直保留這些加工記錄。如果在試模后發(fā)現(xiàn)模具出現(xiàn)不合格的情況，就可以根據(jù)刷卡記錄查找到是在哪一個加工環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，當(dāng)時的操作工是誰都可以查看，這樣無形中就對工人工作的自覺性起到了約束作用，車間管理也會更有效率和透明化。

1.1 采集操作

每一個待加工的零件以及機器都有其對應(yīng)的電子標簽，當(dāng)零件開始加工時，通過手持式RFID讀卡機同時采集零件、人員和機臺信息，并將采集到的信息發(fā)送至服務(wù)器，如圖1所示為信息采集操作示意圖。

圖1 采集操作示意圖

1.2 信息傳遞

RFID讀卡器采集每個車間的工件加工情況，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器中，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中并進行處理，將處理好的結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上，如圖2所示為信息傳遞示意圖。

2 模具車間MES開發(fā)

MES是模具制造信息化的綜合管理平臺。它站在整個企業(yè)信息化的高度上，提供統(tǒng)一的對象工廠模型，形成企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫。大部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的維護工作、業(yè)務(wù)流程的日常處理均可以直接在平臺上組態(tài)生成，形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型到界面輸入輸出模式的直接映射[5]。

MES還是企業(yè)信息化軟件開發(fā)平臺，它通過數(shù)據(jù)訪問引擎，報表引擎，圖形引擎等各種軟件組件提供的應(yīng)用軟件編程接口，為用戶和開發(fā)者提供了豐富的軟件自定義和擴展方式。MES平臺基于Microsoft. Net技術(shù)架構(gòu)體系，多層B/S架構(gòu)，支持多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫，支持基于WCF的分布式系統(tǒng)，如圖3所示為模具制造MES平臺架構(gòu)示意圖。

信息感知就是對信息數(shù)據(jù)的感應(yīng)和獲取，也就是對信息數(shù)據(jù)的采集。信息感知為智能工廠建模提供了最原始的數(shù)據(jù)來源，是實現(xiàn)智能工廠建模的前提和基礎(chǔ)。信息感知最直接的表現(xiàn)形式就是數(shù)據(jù)采集，即感知數(shù)據(jù)從感知節(jié)點匯集到匯聚節(jié)點的過程。通過利用各種感知設(shè)備和技術(shù)，如各種傳感器技術(shù)、RFID射頻技術(shù)、電子標簽等各種感知元件與技術(shù)，對工廠生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集和過程可視化監(jiān)控，采集工廠生產(chǎn)過程的聲、光、熱、電、力學(xué)、位移等各種生產(chǎn)過程信息，構(gòu)建工廠內(nèi)部局域網(wǎng)，并將工廠生產(chǎn)過程網(wǎng)絡(luò)與工廠外網(wǎng)互聯(lián)互通以實現(xiàn)快速化識別、精確化定位、實時化跟蹤、可視化監(jiān)控。同時管理工廠中的人機料、生產(chǎn)進度、工藝參數(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量和環(huán)境等各種生產(chǎn)要素，實現(xiàn)自動化管理[14]。

圖2 信息傳遞示意圖

圖3 模具制造MES平臺架構(gòu)

基于上述要求，提出了如圖4所示的精益管控智能工廠信息感知平臺架構(gòu)，該架構(gòu)主要由感知信息層、網(wǎng)絡(luò)層、信息融合層、數(shù)據(jù)采集層、上層應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)層六部分組成。

3 模具車間優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

模具制造行業(yè)的生產(chǎn)方式具有多品種、少批次的特點。在某一個時間段上，一條生產(chǎn)線只能安排一個品種產(chǎn)品的生產(chǎn)，而市場所需要的品種很多，短時間內(nèi)每一個品種的需求量相對較小，產(chǎn)能要遠大于市場短期需要量，造成生產(chǎn)能力的浪費和庫存壓力。這種“離散”的生產(chǎn)方式往往造成生產(chǎn)作業(yè)的信息復(fù)雜且不易控制，均衡的生產(chǎn)計劃和作業(yè)計劃難以實現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品不能按期交貨、質(zhì)量得不到保證、企業(yè)經(jīng)濟效益低等問題。

通過建立合理的車間調(diào)度方案以實現(xiàn)排產(chǎn)優(yōu)化，從調(diào)度理論、軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)采集和處理三個技術(shù)層面入手。在調(diào)度理論方面，首先針對示范企業(yè)模具車間的實際加工具有柔性化和動態(tài)化的特點，通過引入虛擬工序和虛擬工時概念對車間建立實際的多目標調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。其次，提出了基于周期調(diào)度和動態(tài)調(diào)度相結(jié)合的策略并采用了滾動窗口調(diào)度工序技術(shù)，將動態(tài)調(diào)度轉(zhuǎn)化為多個連續(xù)的靜態(tài)調(diào)度窗口。最后，在靜態(tài)調(diào)度窗口下針對調(diào)度模型設(shè)計了一種解決多目標柔性作業(yè)車間調(diào)度的雞群算法。在軟件層面上，首先通過MATLAB編程語言編寫了調(diào)度算法，通過MATLAB里的GUI設(shè)計了調(diào)度界面；其次，將調(diào)度結(jié)果通過MES軟件平臺顯示。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，首先應(yīng)用RFID射頻讀寫技術(shù)實現(xiàn)車間調(diào)度所需相關(guān)加工數(shù)據(jù)的采集并實時更新至數(shù)據(jù)庫；其次，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)建立視圖，整合數(shù)據(jù)格式，并設(shè)計了MATLAB程序與數(shù)據(jù)庫讀寫的通道。最后通過將調(diào)度理論、MES 軟件平臺和感知數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成了基于感知數(shù)據(jù)的車間優(yōu)化排產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于示范企業(yè)模具加工車間的實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)了提高模具加工效率，縮短模具開發(fā)周期，提升首次試模成功率和降低模具制造成本。

圖4 精益管控智能工廠信息感知平臺架構(gòu)

圖5 調(diào)度方法研究示意圖

3.1 車間調(diào)度優(yōu)化目標

本文所優(yōu)化的三個目標主要是從同時兼顧調(diào)度有效性和調(diào)度穩(wěn)定性入手，采用最大完工時間、最大拖期時間和偏差度作為優(yōu)化目標，三個優(yōu)化目標的具體描述如下：

1）最大完工時間最小

完工時間是每個工件最后一道工序完成的時間，其中最大的那個時間就是最大完工時間（makespan）。它是衡量調(diào)度方案的最根本指標，主要體現(xiàn)車間的生產(chǎn)效率[18]，也是柔性作業(yè)車間調(diào)度中應(yīng)用最廣泛的評價指標具體表示為：

其中，Cj為第j個工件的完工時間。

2）提前/拖期最小

準時制的生產(chǎn)必須考慮交貨期問題，工件完工時間越接近交貨期，表明其交貨期性能越好。落后于交貨期則產(chǎn)品不能按時交貨，提前于交貨期則浪費庫存成本。用最大拖期時間表示工件Jj的完成時間Cj與交貨期時間Dj的絕對值差值，即：

3）偏差度

采用偏差目標函數(shù)的原因是一旦預(yù)調(diào)度方案投入實施后，車間就會付出一系列的準備工作（比如訂購原材料、調(diào)試機器、組織工人、制定交貨期等等），如果生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的擾動情況對這些準備工作產(chǎn)生負面影響，就應(yīng)該把這種偏差盡量減小。偏差度的定義為：發(fā)生擾動時，重新產(chǎn)生調(diào)度方案后，尚未加工的工序在預(yù)調(diào)度和再調(diào)度兩種方案里的開工時間的偏差和。

3.2 滾動調(diào)度工序窗口

滾動窗口重調(diào)度方法來源于預(yù)測控制中的動態(tài)矩陣控制理論。其主要思想就是把整個動態(tài)調(diào)度過程分為連續(xù)的幾個靜態(tài)區(qū)間，對每個靜態(tài)區(qū)間執(zhí)行靜態(tài)調(diào)度。在應(yīng)用滾動調(diào)度工序窗口技術(shù)前，我們首先根據(jù)玩具廠的實際生產(chǎn)情況定義5種工序類型：1）已完工工序；2）正在加工工序；3）等待加工工序；4）未加工工序；5）返工工序。已完工工序為兩次重調(diào)度時刻之間已經(jīng)加工完工的工序，正在加工工序為重調(diào)度時刻機器上正在加工的工序，等待加工工序為上一次重調(diào)度時刻已經(jīng)調(diào)度但到這一次調(diào)度時刻還未加工的工序，未加工工序為這一重調(diào)度時刻已經(jīng)釋放但是還未參與調(diào)度的工序，返工工序為重調(diào)度時刻前試模后不合格還未重新調(diào)度的工序。同時我們定義三種工序窗口：完工窗口、調(diào)度加工窗口、等待加工窗口。完工窗口存放已經(jīng)加工完畢的工序，調(diào)度加工窗口存放正在加工的工序和等待加工的工序，待加工窗口存放未加工工序和返工工序。

圖6 工序窗口和工序集的關(guān)系示意圖

初始調(diào)度時刻和重調(diào)度時刻，從待加工窗口選取一定數(shù)量的工序和調(diào)度加工窗口的工序一起組成重調(diào)度時刻待調(diào)度的工序。各工序窗口和工序集的關(guān)系如圖6所示。

3.3 基于周期性和動態(tài)事件相結(jié)合的調(diào)度策略

3.3.1 兩種調(diào)度方式

基于周期性和動態(tài)事件相結(jié)合的調(diào)度策略調(diào)度根本思想就是在原始的調(diào)度方案下不停觸發(fā)進行重調(diào)度?？紤]到在調(diào)度時要從全局考慮調(diào)度的整體情況，同時又能隨機應(yīng)對局部的突發(fā)事件，所以綜合全局和局部考慮，我們采用全局性的周期重調(diào)度和局部事件驅(qū)動相結(jié)合的重調(diào)度策略。周期重調(diào)度就是每隔一個時間周期就觸發(fā)進行重調(diào)度，事件驅(qū)動重調(diào)度就是每產(chǎn)生一個動態(tài)事件，就觸發(fā)進行重調(diào)度。對于這兩種調(diào)度方式，下面分別來介紹：

1）周期性重調(diào)度

周期性重調(diào)度就是每隔一定時間段就進行重調(diào)度。那么周期性重調(diào)度的一個關(guān)鍵問題就是確定兩次重調(diào)度時刻的時間間隔。如果時間間隔太短，則調(diào)度太過頻繁，生產(chǎn)實現(xiàn)太過復(fù)雜。如果時間間隔太短，則重調(diào)度次數(shù)太少，調(diào)度的意義不大，考慮到示范企業(yè)的模具加工車間的實際上班時間為早上8：30，我們就采用每隔24小時進行一次重調(diào)度。周期調(diào)度時刻可以確定為每天早上8：30。

2）動態(tài)事件調(diào)度

動態(tài)事件調(diào)度表示突然發(fā)生了動態(tài)事件，導(dǎo)致在非周期重調(diào)度時刻就觸發(fā)進行重調(diào)度。動態(tài)事件的種類很多，考慮到該示范企業(yè)的實際加工情況，我們主要考慮兩類動態(tài)事件，一個是機器故障，另一個是緊急訂單插入。

3.3.2 周期性和動態(tài)事件的處理方法

不管是周期性重調(diào)度還是動態(tài)重調(diào)度，調(diào)度處理的方法都是匯總調(diào)度加工窗口和待加工所有工序，并給這些工序設(shè)立加工順序優(yōu)先級，因此，本調(diào)度問題與傳統(tǒng)作業(yè)車間調(diào)度問題的一大不同就是不同工件的工序之間有加工優(yōu)先級區(qū)別。周期性調(diào)度和不同動態(tài)事件觸發(fā)的重調(diào)度對應(yīng)的工序設(shè)立優(yōu)先級的原則不同，優(yōu)先級高的工序優(yōu)先加工，優(yōu)先級低的工序后加工。下面我們討論不同情況下的工序處理方法：

1）周期性重調(diào)度且上一調(diào)度周期無延遲完工的工序在重調(diào)度時刻，正在加工的工序仍然在原機器上繼續(xù)加工。對于其他所有該時刻等待加工工序中，上一周期未處理的緊急插單對應(yīng)工序的優(yōu)先級最高，返工工序的優(yōu)先級次之，剩下的工序優(yōu)先級一樣。

2）周期性重調(diào)度且上一調(diào)度周期有延遲完工的工序。在重調(diào)度時刻，正在加工的工序仍然在原機器上繼續(xù)加工。對于其他所有該時刻等待加工工序中，上一周期未處理的緊急插單對應(yīng)工序的優(yōu)先級最高，返工工序的優(yōu)先級次之，延遲完工工序優(yōu)先級再次之，剩下的工序優(yōu)先級一樣。

3）機器故障重調(diào)度

這里的機器故障重調(diào)度指的是該機器已經(jīng)不能進行加工，如果機器經(jīng)過短暫維修可繼續(xù)加工并造成部分工序完工延時，則按照前文第2種情況處理，這里不再贅述。對于機器故障，需要部分工序更改加工機器，在重調(diào)度時刻，正在加工的工序仍然在原正常機器上繼續(xù)加工，如果是故障機器上的工序，則重新選擇加工機器，所有工序的優(yōu)先級設(shè)置與第一種情況一樣。

4）緊急訂單加入

在重調(diào)度時刻，正在加工的工序仍然在原機器上繼續(xù)加工。對于其他所有該時刻等待加工工序中，緊急訂單對應(yīng)工件的加工工序的優(yōu)先級最高，返工工序次之，剩下的工序優(yōu)先級一樣。

如圖7所示為某公司模具車間生產(chǎn)調(diào)度界面，分為產(chǎn)生初始調(diào)度方案、周期性調(diào)度、機器故障調(diào)度和緊急插單調(diào)度四個調(diào)度模式。

如圖8所示，紅色曲線為某公司模具車間2015年07～09月份調(diào)度前的原始數(shù)據(jù)，黑色曲線為2015年10～12月份調(diào)度后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，采用優(yōu)化調(diào)度方案之后，模具車間的生產(chǎn)加工工序數(shù)明顯提高，在相同的時間內(nèi)，加工效率大大提升。

圖7 某公司模具車間生產(chǎn)調(diào)度界面

圖8 生產(chǎn)調(diào)度曲線對比圖

4 結(jié)論

本文從促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型出發(fā)，著手解決生產(chǎn)實際問題，以制造業(yè)模具管理為背景，針對模具管理規(guī)范化難、找模效率低、紙質(zhì)化管理記錄不全面、易出錯等問題，通過運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)模具管理模式，實現(xiàn)模具規(guī)范化管理，促進企業(yè)無紙化管理，進而推動企業(yè)信息化，提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率。本課題中研究設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的模具管理系統(tǒng)具有極強的適用性與可擴展性，在廣大中小型制造企業(yè)的模具管理中具有一定的示范意義。

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Research and application of MES system in mold shop

WU Ding-hui, XU Shi-peng, LIU Wen

TP29

：A

：1009-0134(2017)05-0008-05

2017-02-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（61572237，61573167）

吳定會（1970 -），男，安徽合肥人，副教授，博士，研究方向為車間智能優(yōu)化調(diào)度算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。