離散制造車(chē)間MES系統(tǒng)的架構(gòu)研究

苗潤(rùn)澤，楊國(guó)太

（ 安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0．引言

當(dāng)前，我國(guó)還處在制造業(yè)信息化的初期階段，由于受環(huán)境所限，企業(yè)設(shè)備生產(chǎn)的自動(dòng)化與管理業(yè)務(wù)的信息化一般被視作兩個(gè)相互獨(dú)立的領(lǐng)域而分開(kāi)進(jìn)行。由不同的部門(mén)，基于不同的思想，產(chǎn)生了一系列功能單一的信息系統(tǒng)，造成了信息故障和信息孤島等信息阻斷問(wèn)題。[1]

MES系統(tǒng)是制造業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁，計(jì)劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。MES系統(tǒng)采集從接收訂單到產(chǎn)出成品全過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，用于優(yōu)化管理活動(dòng)[2]。MES系統(tǒng)通過(guò)提高設(shè)備投資回報(bào)率、提高準(zhǔn)時(shí)交貨率、庫(kù)存周轉(zhuǎn)率、毛利和現(xiàn)金流績(jī)效等手段，解決了信息中斷的問(wèn)題。

1．體系結(jié)構(gòu)

MES系統(tǒng)從接受訂單到產(chǎn)品出廠的整個(gè)過(guò)程中，扮演著全程參與的“信息傳遞者”的角色，它必然要擁有管理調(diào)節(jié)車(chē)間生產(chǎn)活動(dòng)的各項(xiàng)功能，同時(shí)也密切聯(lián)系其它的信息系統(tǒng)并為其提供服務(wù)，這就決定了MES體系結(jié)構(gòu)就必須滿足以下幾個(gè)條件：

（1）MES系統(tǒng)必須是分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]；

（2）MES系統(tǒng)可以同工廠、企業(yè)的其它信息系統(tǒng)互聯(lián)，共同提供高效的信息管理與計(jì)劃功能；

（3）MES系統(tǒng)以生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息為核心，為企業(yè)各項(xiàng)決策提供直觀信息。

如圖1所示：MES系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個(gè)軟、硬件平臺(tái)相統(tǒng)一的實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)終端作為載體實(shí)現(xiàn)各部門(mén)所需的系統(tǒng)功能，車(chē)間主要生產(chǎn)區(qū)的功能節(jié)點(diǎn)主要采用工業(yè)PC/PLC等相關(guān)設(shè)備[4]。通過(guò)收集和反饋每個(gè)單元的數(shù)據(jù)，覆蓋所有車(chē)間的開(kāi)放式以太網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足閉環(huán)生產(chǎn)和管理的需要。

在MES各個(gè)功能模塊間橫向聯(lián)系中，以WEB和MES服務(wù)器為核心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較和存儲(chǔ)，提供圖形、報(bào)表和數(shù)據(jù)，在MES平臺(tái)下對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)控。在與其它企業(yè)信息系統(tǒng)的縱向聯(lián)系中，通過(guò)LAN、Internet或VPN等媒介進(jìn)行信息的傳輸和聯(lián)絡(luò)[5]，為上層規(guī)劃管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)信息，使整個(gè)信息系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

因此，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的MES系統(tǒng)需要將整個(gè)企業(yè)揉合成一個(gè)緊密的整體，做到自上而下信息實(shí)時(shí)共享，使業(yè)務(wù)流程變得高效、有序。

2．軟件功能設(shè)計(jì)

成功的車(chē)間MES系統(tǒng)，在生產(chǎn)管理上按“料、法、機(jī)”的思路去安排功能。[6]所謂“料”，即：生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)流程、物料跟蹤、過(guò)程管理、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)與分析?！胺ā笔侵纲|(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，過(guò)程分析，SPC(統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）。所謂“機(jī)”，即指遠(yuǎn)程機(jī)器監(jiān)控、機(jī)器信息管理、機(jī)器故障原因分析、機(jī)器任務(wù)管理和機(jī)器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，始終將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為主線，將整個(gè)MES系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)緊密聯(lián)系，同時(shí)將其分成若干個(gè)功能模塊，如圖2所示。

2．1．自動(dòng)生產(chǎn)調(diào)度排產(chǎn)

系統(tǒng)可以自動(dòng)接收訂單、按照加工工序處理待加工零件的相應(yīng)排產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)已經(jīng)延誤或有可能延誤的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行提醒；人工制定并鎖定加工流程和計(jì)劃，可以根據(jù)計(jì)劃模式設(shè)定約束條件，對(duì)工單進(jìn)行生產(chǎn)排序，并允許變更部分訂單，可以管理插單，加急訂單等操作；完成調(diào)度排產(chǎn)后，可自動(dòng)生成圖表，提供查看所有零件的加工工序步驟在機(jī)器上的時(shí)間作業(yè)分布，也可查看機(jī)器上所有加工工序步驟的時(shí)間計(jì)劃分布。

圖1 MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系Fig.1 MES system architecture

2．2．工藝管理

提供插入典型工藝模板和復(fù)制類似零件的工藝，快速擬定工件的加工工藝功能；擁有預(yù)測(cè)零件加工工時(shí)的分析功能；它具有強(qiáng)大的虛擬加工部件(拆裝)功能，即CAPP功能，具有過(guò)程條碼和零件條形碼標(biāo)準(zhǔn)格式的打印處理卡和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。

2．3．外協(xié)管理

可查詢自動(dòng)調(diào)度排產(chǎn)后可能延誤的任務(wù)清單，擬定外協(xié)訂單、詢價(jià)單，及時(shí)對(duì)外協(xié)送出、送回的信息進(jìn)行跟蹤、監(jiān)控。能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)外協(xié)單位的延誤率、合格率及延誤成本損失等，以便對(duì)業(yè)績(jī)進(jìn)行全程及時(shí)管理。

圖2 MES的組成以及與其他系統(tǒng)的關(guān)系Fig.2 MES composition and the relationship with other systems

2．4．生產(chǎn)監(jiān)控

車(chē)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(yùn)行，從而極大增強(qiáng)系統(tǒng)的集成性和可維護(hù)性。車(chē)間內(nèi)設(shè)立兩塊電子顯示板，用于顯示整個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)計(jì)劃。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.3 Production monitoring system

2．5．車(chē)間庫(kù)存管理

制造業(yè)車(chē)間的庫(kù)存管理一般包括原材料、半成品、成品、刀具、夾具和工裝等[7]。MES可通過(guò)條碼化管理完成業(yè)務(wù)流程的操作，既方便又準(zhǔn)確。車(chē)間各部門(mén)接到生產(chǎn)任務(wù)的同時(shí)，刀具/夾具/工裝庫(kù)房可通過(guò)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)處理生成刀具/夾具/工裝等各項(xiàng)生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃，用于指引生產(chǎn)準(zhǔn)備及任務(wù)執(zhí)行，可極大縮短等待時(shí)間。具備強(qiáng)大的庫(kù)存檢索能力，支持隨時(shí)查詢歷史出入庫(kù)的記錄及當(dāng)前的庫(kù)存情況。條碼化管理主要是在料箱、料架上粘貼條碼，料箱放到料架上時(shí)進(jìn)行料箱與料架的對(duì)應(yīng)。領(lǐng)用時(shí)直接掃描料箱條碼。這樣可以實(shí)時(shí)掌握車(chē)間庫(kù)存與存放位置情況。

2．6．車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能終端與車(chē)間關(guān)鍵資源（物料、設(shè)備、人員）進(jìn)行高度集成，以多種通迅方式（無(wú)線傳輸ZIGBEE、WIF或有線TCP）構(gòu)建公司內(nèi)部的聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)：

（1）直接從加工設(shè)備上采集實(shí)際工藝參數(shù)、生產(chǎn)節(jié)拍，防止數(shù)據(jù)的失真，減少由人工統(tǒng)計(jì)的誤差和延遲導(dǎo)致的決策延誤；

（2）細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化信息（時(shí)間、設(shè)備、人員、批次等）為生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來(lái)源；

（3）對(duì)于設(shè)備停機(jī)狀態(tài)和管理應(yīng)答等有不確定性的數(shù)據(jù)，使用采集器上的鍵盤(pán)進(jìn)行輸入，彌補(bǔ)了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的不足；

（4）實(shí)現(xiàn)所有加工設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)全流程控制；

（5）不改變現(xiàn)有生產(chǎn)布局、裝備水平和管理能力的情況下，實(shí)現(xiàn)精益和敏捷生產(chǎn)；

（6）減少人工派工、人工輸入、減少紙張的使用；

（7）在智能終端上直接上報(bào)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況是設(shè)備負(fù)載，設(shè)備空載或設(shè)備故障，并可通過(guò)后臺(tái)軟件把設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，用短信方式發(fā)送至相關(guān)責(zé)任人手機(jī)，引導(dǎo)生產(chǎn)管理者和生產(chǎn)支持職能部門(mén)了解設(shè)備,對(duì)生產(chǎn)異常做出快速處理。

（8）準(zhǔn)確的和實(shí)時(shí)的采集到車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),使管理人員能快速了解車(chē)間的實(shí)時(shí)情況，現(xiàn)場(chǎng)的操作人員也能通過(guò)智能終端發(fā)出實(shí)時(shí)請(qǐng)求讓管理人員進(jìn)行技術(shù)支持；

（9）可以顯示車(chē)間工藝操作指南說(shuō)明書(shū)，工藝圖紙，也可配合音頻，視頻播放，通過(guò)電子化管理、讓操作員工可以實(shí)時(shí)了解工藝，對(duì)按照工藝說(shuō)明，準(zhǔn)確快速的完成生產(chǎn)；

（10）對(duì)設(shè)備故障維修做處快速反應(yīng)，實(shí)時(shí)的反饋到后臺(tái)，詳細(xì)記錄，清楚了解車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備的情況，還可以通過(guò)加工程序管理將加工程序、車(chē)間設(shè)備、生產(chǎn)工單進(jìn)行綁定，使車(chē)間加工程序管理透明化。

3．關(guān)鍵技術(shù)

3．1．物料工藝狀態(tài)跟蹤技術(shù)

現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品在什么時(shí)間段內(nèi)處于什么位置及處于什么樣的生產(chǎn)狀態(tài)，這要求企業(yè)對(duì)于物料進(jìn)行有效的監(jiān)控，對(duì)于物料的活動(dòng)情況和活動(dòng)范圍進(jìn)行及時(shí)精確的跟蹤。生產(chǎn)跟蹤流程如圖4所示。

對(duì)物料采取實(shí)時(shí)有效的跟蹤，可以使企業(yè)的質(zhì)量管理更加高效細(xì)致，作業(yè)流程更加規(guī)范，成本核算和庫(kù)存管理更加準(zhǔn)確，生產(chǎn)計(jì)劃更加詳細(xì)，更能滿足實(shí)際需要[8]。圖4中RFID技術(shù)，又稱射頻識(shí)別技術(shù)，是一種通信技術(shù)。它可以通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別出特定的目標(biāo)，讀取和記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且不需要識(shí)別系統(tǒng)來(lái)建立與特定目標(biāo)的機(jī)械或光接觸[9]。通過(guò)產(chǎn)品跟蹤功能的使用，系統(tǒng)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)工件的位置和狀態(tài)，收集和記錄產(chǎn)品或部件的處理，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，每一個(gè)部件或產(chǎn)品的可追溯性記錄。必要時(shí)，將問(wèn)題的根源及處理結(jié)果告知客戶。鑒于物料的工藝狀態(tài)在MES系統(tǒng)中的重要作用，本文將物料工藝狀態(tài)的跟蹤技術(shù)作為MES系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 生產(chǎn)跟蹤流程圖Fig 4 Productiontrackingflowchart

3．2．車(chē)間生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)

離散制造企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，協(xié)同作業(yè)復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程控制困難，變化快。局部故障或某種措施不及時(shí)實(shí)施，往往影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，必須緊抓生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)，及時(shí)了解和更正生產(chǎn)計(jì)劃，分析和提取影響生產(chǎn)作業(yè)的各種因素，并根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)的對(duì)策，縮小差距，恢復(fù)作業(yè)正常[10]。生產(chǎn)調(diào)度是組織、實(shí)施生產(chǎn)計(jì)劃的工作，是以生產(chǎn)計(jì)劃為根本，通過(guò)控制作業(yè)調(diào)度實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃，其必要性是由離散制造業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的基本性質(zhì)決定的。

實(shí)際中車(chē)間的業(yè)務(wù)流程比較復(fù)雜，加工環(huán)境相關(guān)的各類因素時(shí)常發(fā)生變化，不確定事件經(jīng)常發(fā)生等等，也讓車(chē)間的生產(chǎn)調(diào)度等問(wèn)題更加復(fù)雜化。因此，本文認(rèn)為對(duì)于車(chē)間生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)的研究也是MES系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。車(chē)間的業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

3．3．基于BOM的信息集成技術(shù)

物料清單(BOM)是工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)描述性文件，它不僅是產(chǎn)品產(chǎn)出的所有項(xiàng)目元素的列表，而且還表明這些項(xiàng)目元素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從原材料到零部件，直到產(chǎn)品的最終形態(tài)，以及它們之間的關(guān)系。BOM是制造企業(yè)的核心文件，應(yīng)用于各個(gè)部門(mén)和系統(tǒng)。從BOM中獲取特定的數(shù)據(jù)，通過(guò)研究數(shù)據(jù)中的一致性轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)與其它企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成是MES系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 車(chē)間MES系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖Fig.5 Workshop MES system business flow chart

4．結(jié)論

MES系統(tǒng)是面向于生產(chǎn)車(chē)間這一制造業(yè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的信息管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)信息化的重要構(gòu)成部分，是制造業(yè)改善車(chē)間管理結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇[11]。本文對(duì)MES系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，分析了車(chē)間管理的體系結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)據(jù)交互模式。隨著工業(yè)4.0及中國(guó)制造2025規(guī)劃的深入推進(jìn)，MES系統(tǒng)也將得到更好的發(fā)展與完善。

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