基于鈑金加工單元的MES系統(tǒng)研究與開發(fā)

方喜峰，陸蓓蕾，朱成順，張勝文

（1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇省船海機(jī)械裝備先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著企業(yè)的信息化水平和生產(chǎn)管理水平的不斷提升，傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)管理模式的缺點(diǎn)逐漸顯露，生產(chǎn)數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理混亂、各設(shè)備工作量安排不平衡等問題極大的阻礙了車間的高效生產(chǎn)。MES系統(tǒng)是近年來在制造業(yè)發(fā)展迅速的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，作為上層信息層（ERP等信息系統(tǒng)）與下層車間執(zhí)行層之間的信息橋梁，MES系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)過程的詳細(xì)計(jì)劃制定、生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)反饋以及對(duì)車間突發(fā)事件的反應(yīng)和處理等。目前，高度自動(dòng)化的MES系統(tǒng)成為車間制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。鈑金加工行業(yè)具有多品種、小批量的離散制造行業(yè)的典型特征。鈑金加工單元即是企業(yè)內(nèi)一個(gè)完整的零件鈑金加工流程的生產(chǎn)單元。目前，離散制造業(yè)的各制造執(zhí)行系統(tǒng)個(gè)性化顯著，通用性差，鈑金加工的特點(diǎn)要求MES系統(tǒng)能快速適應(yīng)頻繁的生產(chǎn)變化和較短的生產(chǎn)周期[2]。

為改善企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式和低效制造執(zhí)行系統(tǒng)所造成的生產(chǎn)無法高效穩(wěn)定進(jìn)行的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)針對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。在國(guó)外，Joel Sauza Bedolla，Paolo Chiabert等研究人員將精益制造和MES系統(tǒng)相結(jié)合，并在航空領(lǐng)域驗(yàn)證了該方法的有效性[3]；Yu.M.Solomentsev等研究人員以機(jī)床負(fù)荷最小和訂單完成速度最快為目標(biāo)進(jìn)行MES系統(tǒng)的各設(shè)備工作安排，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)計(jì)劃排程[4]；A.K?ksal等人對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)與其他設(shè)備或軟件質(zhì)檢的信息交互進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)[5]。目前，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)離散制造業(yè)的MES系統(tǒng)進(jìn)行過研究，如馬天明等學(xué)者根據(jù)離散制造業(yè)的多品種、小批量的特性設(shè)計(jì)一通用性和擴(kuò)展性均良好的MES系統(tǒng)[6]；朱先萌等將非支配排序與遺傳算法相結(jié)合對(duì)離散制造業(yè)的多目標(biāo)計(jì)劃排程問題進(jìn)行求解，并驗(yàn)證了該方法的有效性及可行性[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)流程業(yè)MES系統(tǒng)研究較為廣泛，針對(duì)離散制造業(yè)尤其是鈑金的MES系統(tǒng)較少。本文針對(duì)鈑金加工單元的生產(chǎn)特點(diǎn)，采用使用廣泛的Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺(tái)、SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)以貼近MES系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)，結(jié)合TOC理論和分類存儲(chǔ)策略等，重點(diǎn)針對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳遞的實(shí)現(xiàn)，提出了一套適用于鈑金加工單元的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），為鈑金加工等離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一些思路。

1 鈑金加工MES系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 軟件架構(gòu)

MES系統(tǒng)的體系架構(gòu)根據(jù)用戶控制載體的不同分為C/S、B/S架構(gòu)及兩者混合架構(gòu)。C/S架構(gòu)與B/S架構(gòu)分別通過客戶機(jī)和瀏覽器實(shí)現(xiàn)用戶控制功能?？蛻魴C(jī)控制方式較為安全，但相對(duì)于客戶機(jī)來說，瀏覽器能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制且升級(jí)更新更加方便。因此，本系統(tǒng)為基于混合架構(gòu)的鈑金加工單元MES系統(tǒng)。針對(duì)鈑金加工單元現(xiàn)場(chǎng)管理的問題，結(jié)合瓶頸理論、看板管理以及先進(jìn)的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈑金加工單元MES系統(tǒng)與上層信息層及下層設(shè)備層之間實(shí)時(shí)的信息對(duì)接，實(shí)現(xiàn)透明、高效、有序的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理，鈑金加工單元信息交互架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鈑金加工單元信息交互架構(gòu)

本文參考文獻(xiàn)[8]中闡述的MES系統(tǒng)的基本組成和重要功能對(duì)鈑金加工單元MES系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。鈑金加工單元MES系統(tǒng)的應(yīng)用層包括五個(gè)功能模塊：系統(tǒng)管理、庫(kù)存管理、設(shè)備管理、進(jìn)度管理和質(zhì)量管理，這五大功能模塊保證生產(chǎn)活動(dòng)有序進(jìn)行；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為與生產(chǎn)過程相關(guān)的各種信息提供臨時(shí)的存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)定期的數(shù)據(jù)備份、清理和必要的數(shù)據(jù)恢復(fù)、實(shí)時(shí)調(diào)用；系統(tǒng)的環(huán)境層包括系統(tǒng)與上層信息系統(tǒng)和下層設(shè)備層的集成，保證系統(tǒng)能解決上下層之間的信息孤島問題，實(shí)時(shí)接收、轉(zhuǎn)化和傳遞上下層所需的信息。

1.2 功能設(shè)計(jì)

鈑金加工單元MES系統(tǒng)的功能模型如圖3所示。系統(tǒng)與企業(yè)原有的ERP、CAPP、工時(shí)系統(tǒng)等集成，獲取制定詳細(xì)工作計(jì)劃時(shí)的生產(chǎn)計(jì)劃信息、工藝信息和工時(shí)信息等；系統(tǒng)與鈑金加工單元的所有設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備層的控制，構(gòu)建系統(tǒng)與設(shè)備之間的信息橋梁。系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)用戶信息及用戶操作記錄的查詢、更新；進(jìn)度管理負(fù)責(zé)詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃的制定和生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控；設(shè)備管理主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的任務(wù)分配及控制；庫(kù)存管理管理立體庫(kù)的任務(wù)和工作狀態(tài)；質(zhì)量管理管理質(zhì)檢數(shù)據(jù)，并將其傳遞給進(jìn)度管理為作業(yè)計(jì)劃的調(diào)整作參考。

圖2 鈑金加工單元MES系統(tǒng)功能模型

1.3 硬件設(shè)計(jì)

為滿足鈑金加工單元MES系統(tǒng)與各設(shè)備之間實(shí)時(shí)信息交互的要求，將企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與連接鈑金加工單元所有相關(guān)設(shè)備的服務(wù)器對(duì)接，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)同步更新，鈑金加工單元MES系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 鈑金加工單元MES系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

本方案的核心思路是運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線將加工單元的所有加工設(shè)備集成到一個(gè)OPC代理服務(wù)器上，由代理服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備控制指令的實(shí)時(shí)雙向傳輸。各服務(wù)器與車間看板、用戶主控機(jī)一同接入內(nèi)網(wǎng)，由系統(tǒng)服務(wù)器將系統(tǒng)的信息整理完成后發(fā)送到看板、主控機(jī)等設(shè)備供用戶實(shí)時(shí)查閱。用戶可以通過安裝用戶主控機(jī)的方式進(jìn)行車間控制，也可通過安裝瀏覽器操作系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)同樣的操作。

RFID技術(shù)即無線射頻識(shí)別技術(shù)，是目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的一種無線通訊技術(shù)，其無需在識(shí)別系統(tǒng)與識(shí)別目標(biāo)之間建立任何機(jī)械或光學(xué)接觸就可獲取識(shí)別目標(biāo)上所攜帶的RFID標(biāo)簽的信息。RFID系統(tǒng)即采用RFID技術(shù)識(shí)別目標(biāo)并填寫、修改、刪除目標(biāo)上的信息。本系統(tǒng)采用RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各托盤上物料的信息變更，包括訂單號(hào)、零件類型、加工狀態(tài)、數(shù)量、庫(kù)位編號(hào)等，簡(jiǎn)化了鈑金加工單元托盤上物料信息變更頻繁的問題，減少了大量人工托盤信息變更所需的時(shí)間。

2 計(jì)劃排程

鈑金加工單元MES系統(tǒng)中影響整個(gè)鈑金單元生產(chǎn)的關(guān)鍵模塊是進(jìn)度管理和庫(kù)存管理模塊。對(duì)以立體庫(kù)為中心的鈑金單元來說，庫(kù)存管理中的庫(kù)位分配功能和進(jìn)度管理中的計(jì)劃排程調(diào)度功能直接影響加工單元的生產(chǎn)效率。

鈑金通常作為企業(yè)加工的最后一道工藝，緩沖時(shí)間較少，加工變化較大[9]，因此對(duì)鈑金加工單元的工作進(jìn)行合理的安排與監(jiān)督影響著訂單的交貨，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)尤為重要。鈑金單元的計(jì)劃排程與調(diào)度需在滿足企業(yè)訂單按時(shí)完成的情況下，確保以最早時(shí)間完成所有訂單，盡量避免設(shè)備資源和時(shí)間資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)鈑金單元的總體生產(chǎn)均衡。

鈑金加工單元MES系統(tǒng)計(jì)劃排程流程圖如圖4所示。

圖4 計(jì)劃排程流程圖

2.1 靜態(tài)調(diào)度

本系統(tǒng)的計(jì)劃排程以TOC理論（約束理論）為核心，TOC理論認(rèn)為系統(tǒng)中必定有一個(gè)約束整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)的瓶頸因素，以瓶頸資源的生產(chǎn)節(jié)奏確定整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)安排，瓶頸工序的前后工序分別采用精益推拉式生產(chǎn)方式安排各訂單生產(chǎn)。本系統(tǒng)計(jì)劃排程以所有訂單在瓶頸工序上的加工順序?yàn)榉N群基礎(chǔ)編寫與變鄰域算法相結(jié)合的混合遺傳算法，計(jì)算出滿足準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果。

改進(jìn)的變領(lǐng)域遺傳算法流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的變鄰域遺傳算法流程圖

遺傳算法的全局并發(fā)尋優(yōu)搜索能力較強(qiáng)，是一種超啟發(fā)式算法，但其主要缺點(diǎn)是算法在進(jìn)化過程中易進(jìn)入局部最優(yōu)也就是所謂的“早熟現(xiàn)象”，這使得遺傳算法容易過早收斂而無法獲得全局范圍內(nèi)的接近最優(yōu)值。變鄰域搜索算法通過快速地改變搜索鄰域擴(kuò)大搜索范圍，在所有鄰域中選出最佳鄰域，避免搜索陷入單一鄰域。改進(jìn)的變鄰域遺傳算法在遺傳算法的變異階段加入變鄰域操作以獲得更大的搜索范圍，計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)一定數(shù)量的結(jié)果適應(yīng)值并取最佳值進(jìn)入下一代計(jì)算，防止算法過早收斂的同時(shí)提高獲得接近最優(yōu)值的概率。

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度

計(jì)劃調(diào)度功能一般在緊急單插入、設(shè)備故障、訂單交貨期提前等突發(fā)情況時(shí)使用，包括人工調(diào)度和系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度兩種。人工調(diào)度是指對(duì)于排程無法達(dá)到較滿意狀態(tài)的情況，用戶可交互式點(diǎn)選安排外協(xié)選項(xiàng)將部分訂單交由外協(xié)完成，即該訂單仍然在生產(chǎn)計(jì)劃列表中，但不參與作業(yè)計(jì)劃排程。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度有兩種觸發(fā)機(jī)制：到達(dá)周期性調(diào)度時(shí)間和突發(fā)情況發(fā)生，兩種觸發(fā)機(jī)制兼有的調(diào)度即為混合調(diào)度機(jī)制。

1）滾動(dòng)窗口排程

提前期、系統(tǒng)能力約束、資源配置情況等各種隨機(jī)干擾情況會(huì)導(dǎo)致重排程頻繁[10]。而滾動(dòng)窗口技術(shù)是將用戶可見的加工進(jìn)度窗口按加工時(shí)間順序分為已完成區(qū)、正加工區(qū)及待加工區(qū)。由于滾動(dòng)窗口中所能容納的訂單有限，訂單排程根據(jù)優(yōu)先級(jí)分批進(jìn)行，分批排程的策略也避免頻繁的重排程。優(yōu)先級(jí)是表示訂單的重要程度和加工緊迫程度的一種指標(biāo)，對(duì)所有訂單進(jìn)行優(yōu)先級(jí)計(jì)算，將一定數(shù)量的優(yōu)先級(jí)較高的訂單加入待排程訂單順序。

本系統(tǒng)將混合調(diào)度機(jī)制與滾動(dòng)窗口技術(shù)結(jié)合，動(dòng)態(tài)調(diào)度流程如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)調(diào)度流程

2）設(shè)備故障調(diào)度

當(dāng)車間的機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，由于機(jī)器的維修時(shí)間會(huì)影響該故障機(jī)器下一工序的加工，故對(duì)車間整體進(jìn)行重排程，在設(shè)備故障發(fā)生時(shí)，用戶可對(duì)故障的設(shè)備的故障時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，故障時(shí)間可設(shè)置為無窮大和固定時(shí)間兩種模式，重排程時(shí)不為故障無窮大的設(shè)備安排訂單任務(wù)，對(duì)于有固定故障修復(fù)時(shí)間的設(shè)備，以固定故障修復(fù)時(shí)間為設(shè)備的可開始加工時(shí)間，設(shè)備故障調(diào)度的偽碼如圖7所示。

3）緊急單調(diào)度

滾動(dòng)窗口排程法將訂單根據(jù)優(yōu)先級(jí)分批排程，排程次數(shù)相比其他方法較多，而緊急單達(dá)到車間的傳統(tǒng)做法是重排程，使得重排程次數(shù)較頻繁。為避免這一問題，將緊急單的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，在下一次排程中，緊急單會(huì)優(yōu)先進(jìn)入待排程列表。在一次排程緊急單和普通訂單需要共同混合排程的情況下，緊急訂單先安排排程，普通訂單以緊急訂單的每工序全部加工完成時(shí)間為可開始排程時(shí)間。緊急單調(diào)度偽碼如圖8所示。

圖7 設(shè)備故障調(diào)度偽碼

圖8 緊急單調(diào)度

3 實(shí)例仿真

仿真實(shí)驗(yàn)采用典型的JSP問題作為仿真實(shí)例，該實(shí)例為20個(gè)鈑金件，7臺(tái)機(jī)器的JSP調(diào)度問題，這7臺(tái)機(jī)器中，2臺(tái)剪切機(jī)，2臺(tái)沖壓機(jī)，3臺(tái)折彎?rùn)C(jī)，其加工工序、加工時(shí)間矩陣如圖9所示。

圖9 加工時(shí)間矩陣

其中J矩陣的每一列代表一道工序，從第一行到第三行分別為剪切、沖壓和折彎，J矩陣的每一列代表一個(gè)工件，例如：J矩陣的第三行第三列的數(shù)據(jù)代表第三個(gè)工件的折彎工序的加工時(shí)間為60h。

在參數(shù)相同的情況下，分別用改進(jìn)變鄰域算法、改進(jìn)遺傳算法和變鄰域遺傳算法對(duì)上述實(shí)例進(jìn)行十次實(shí)驗(yàn)，其中一次實(shí)驗(yàn)，三種算法在不同的迭代次數(shù)下最佳訂單的完工時(shí)間折線圖如圖10所示。算法的目標(biāo)是所有訂單在交貨期前完成的情況下，最大完成時(shí)間最小、相對(duì)于交貨期的最大提前時(shí)間最小及最小提前時(shí)間最大，對(duì)十次實(shí)驗(yàn)結(jié)果求取各項(xiàng)指標(biāo)平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖10 不同算法的排程結(jié)果完工時(shí)間折線圖

表1 傳統(tǒng)遺傳算法與變鄰域遺傳算法排程結(jié)果比較

由表1可看出，變鄰域遺傳算法的最大完工時(shí)間比傳統(tǒng)遺傳算法提前5個(gè)小時(shí)，最大提前時(shí)間提前7個(gè)小時(shí)，最小提前時(shí)間則比傳統(tǒng)遺傳算法提前7個(gè)小時(shí)，說明變鄰域遺傳算法相比傳統(tǒng)遺傳算法來說，不僅能獲得更少總加工時(shí)間的方案，且方案的加工安排也更加均衡。

在設(shè)備故障等突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)在進(jìn)行重排程時(shí)，將未完成訂單及未完成工序加入待排程列表，根據(jù)設(shè)備的可用時(shí)間矩陣ZTM進(jìn)行重排程，ZTM矩陣如圖11所示，重排程結(jié)果甘特圖如圖12所示。

圖11 設(shè)備可用時(shí)間矩陣

圖12 設(shè)備故障重排程甘特圖

用戶可在界面查看每個(gè)作業(yè)計(jì)劃的詳細(xì)信息，包括訂單編號(hào)、以及加工開始及結(jié)束時(shí)間等，計(jì)劃排程查詢界面如圖13所示。

圖13 計(jì)劃排程結(jié)果查詢界面

4 結(jié)束語

本文根據(jù)鈑金加工單元的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)計(jì)劃排程和立體庫(kù)的庫(kù)位分配和路徑規(guī)劃進(jìn)行研究，提出了一種將TOC理論與改進(jìn)的前后推拉式精益排程相結(jié)合的柔性排程方法，運(yùn)用變鄰域遺傳算法和滾動(dòng)窗口技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃排程，庫(kù)位分配和立體庫(kù)路徑規(guī)劃分別采用分類存儲(chǔ)策略和聯(lián)合工作模式，實(shí)時(shí)化和柔性化是今后離散制造業(yè)MES系統(tǒng)的趨勢(shì)，本文對(duì)離散制造業(yè)的實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)有一定的借鑒意義。