基于MES的三維車間可視化監(jiān)控研究

卜濤 廖旭 金濤

摘要：基于MES，通過三維可視化軟件將生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合車間三維模型直觀展現(xiàn)，建立實現(xiàn)智能制造前提之一的物理世界數(shù)字化雙胞胎（digital twin），使管理層能對生產(chǎn)過程信息及時掌握、為決策提供支持，并為數(shù)字世界對物理世界的管控打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MES;三維可視化;智能制造;數(shù)字化雙胞胎（digital twin）

一、引 言

隨著企業(yè)信息化建設逐步推進，如何有效利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，對有用數(shù)據(jù)進行有效挖掘、分析、可視化顯示以實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理數(shù)字化、透明化，使各個生產(chǎn)過程之間的資源和信息科學配置，使管理層能對生產(chǎn)過程信息及時有效掌握，并為領(lǐng)導層提供及時有效決策支持，是信息化建設到一定程度必須要面臨和解決的問題。

實現(xiàn)智能制造首先需建立物理世界的數(shù)字化雙胞胎（digital twin），將虛擬照進現(xiàn)實，并實現(xiàn)虛擬對現(xiàn)實的管控。本文基于此思想，通過三維可視化技術(shù)，將我所裝調(diào)MES產(chǎn)生與收集的數(shù)據(jù)直觀展示給用戶，并期望最終能夠三維可視化與MES之間的雙向數(shù)據(jù)交互，控制現(xiàn)場生產(chǎn)。

二、研究思路

1 目的

通過該技術(shù)研究，必將對企業(yè)信息化建設和管理水平產(chǎn)生極大推動作用，具體體現(xiàn)在：

1）提高生產(chǎn)管理水平

2）提高信息化建設水平

3）提高生產(chǎn)監(jiān)控水平

4）企業(yè)能力和形象展示平臺

2 三維可視化信息展示需求

本文以某生產(chǎn)線為對象，其具有物流已實現(xiàn)AGV自動配送、具有自動測試工作站等特征，基于我所MES功能進行展示內(nèi)容分析。

車間三維模型：工位基本情況、車間實景、車間外部、AGV、自動測試工作站

工位可視化：工位運行情況，在崗人員、生產(chǎn)產(chǎn)品信息、人員負荷、已分派任務、異常信息、工位配置的工裝夾具、工位物料等

物料：庫房，庫房貨架及貨架存儲物品信息、物料所處位置查詢;物流，AGV運行情況、動畫形式展現(xiàn)

車間異常：超期報警、質(zhì)量問題報警、問題反映、人員/工位異常

項目信息查詢：批次或訂單所處狀態(tài)，開完工情況、所處工位等

為滿足管理需求，除三維信息展示外，還需綜合態(tài)勢、運行指標等信息，統(tǒng)一集成至展示界面。

三、建設內(nèi)容

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用中心服務器+客戶端的架構(gòu)，中心服務器是一臺性能強大的圖形工作站，實時獲取MES系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并進行可視化處理，客戶端電腦通過局域網(wǎng)連接中心服務器獲取數(shù)據(jù)流進行顯示。多個客戶端可同時進行操作，互不影響。

系統(tǒng)通過接入MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)在可視化仿真平臺、視景仿真引擎、交互式界面開發(fā)技術(shù)支持下以三維方式直觀形象呈現(xiàn)生產(chǎn)裝配過程和虛擬車間，展現(xiàn)生產(chǎn)車間狀況和主要信息，為管理者提供生產(chǎn)監(jiān)控可視化平臺和輔助決策信息。

（1）界面和程序框架。

本系統(tǒng)采用以Microsoft WPF為基礎(chǔ)的程序界面，能夠為軟件提供良好的界面效果的用戶體驗。界面和程序框架主要是由WPF程序框架、軟件基礎(chǔ)運行參數(shù)等模塊組成。

（2）界面層

是軟件可視化表現(xiàn)層，主要由兩類功能模塊組成，一類是應用管理界面模塊，包括：任務配置管理界面模塊、界面布局管理;另外一類是三維可視化模塊，是本系統(tǒng)的重要組成部分，為仿真應用提供真實、絢麗的展現(xiàn)畫面。

（3）業(yè)務應用層

業(yè)務應用層主要包括：任務管理模塊、生產(chǎn)數(shù)據(jù)源接入、廠房車間三維模型仿真、生產(chǎn)裝配信息數(shù)據(jù)可視化、設備狀態(tài)可視化、生產(chǎn)異常報警/預警、質(zhì)量問題報警數(shù)據(jù)等組成。

（4）引擎層

引擎層是基于視景仿真引擎、可視化仿真框架等技術(shù)的數(shù)據(jù)可視化開發(fā)平臺，可為各業(yè)務專業(yè)可視化應用系統(tǒng)提供完整的可視化系統(tǒng)構(gòu)建、運行系統(tǒng)管理、運行支持。

（5）資源層

是車間可視化監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部管理的各種數(shù)據(jù)資源，主要包括：車間及工裝、產(chǎn)品零部件的三維模型數(shù)據(jù)、從MES獲取到的各種生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2 系統(tǒng)功能

車間可視化監(jiān)控系統(tǒng)采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)廠房、車間逼真三維場景，實現(xiàn)廠房建筑物三維模型和車間設備的展示，使管理人員能夠直觀、形象地查看廠內(nèi)所有設備。系統(tǒng)與現(xiàn)有裝調(diào)MES系統(tǒng)交互聯(lián)動，實時工位運行狀態(tài)，實現(xiàn)仿真、真實、虛實結(jié)合的三維管理平臺，系統(tǒng)集實時數(shù)據(jù)處理與顯示、異常數(shù)據(jù)報警/預警、指揮與監(jiān)控等多功能于一體，是直接面向各級領(lǐng)導及車間管理人員的決策支持系統(tǒng)，對豐富生產(chǎn)監(jiān)控手段、改進生產(chǎn)運行方法、提高生產(chǎn)運行效率和保障生產(chǎn)運行安全等具有重要意義。

車間可視化監(jiān)控系統(tǒng)界面規(guī)劃示意

本系統(tǒng)規(guī)劃的系統(tǒng)主界面如下：

規(guī)劃說明：

（1）界面中左側(cè)將顯示綜合生產(chǎn)指標態(tài)勢指標參數(shù)，如綜合態(tài)勢數(shù)據(jù)：任務態(tài)勢、訂單批次進度、人員在崗比例、人員負荷情況等;

（2）界面中右側(cè)顯示生產(chǎn)線績效綜合評價指標數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)：產(chǎn)品評價交付周期、計劃達成率、準時交付率、單位成品時間、產(chǎn)品直通率等;

（3）中間部分顯示整個裝配生產(chǎn)線的鳥瞰三維模型，當有報警信息時，將在本界面進行報警提示;

（4）報警、預警、質(zhì)量問題等，其內(nèi)容細節(jié)將顯示在窗口下方，便于實時了解和指揮決策;

（5）用戶可選擇各個指標數(shù)據(jù)或中間三維車間畫面，進入細節(jié)展示，如選擇車間時，將全屏顯示整個車間的三維模型。

五、結(jié)論

基于MES的車間三維可視化監(jiān)控是將不顯性、不直觀的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理信息直觀、顯性展示至管理者面前，是信息化建設發(fā)展到一定階段必然要進行的工作，是智能制造實現(xiàn)的前提。本文通過對可視化需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設計、系統(tǒng)功能設計以及未來展望的描述，為大家提供思路，期望引起大家關(guān)注，并一起研究解決其中的技術(shù)難點。

參考文獻：

[1]《MES技術(shù)在離散型制造企業(yè)應用的探討》，劉菊花，國防制造技術(shù)，2005年05期：55-58

[2]《制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的研究與開發(fā)》，陳中瑾，碩士學位論文，2009.2

[3]《MES系統(tǒng)及其在半導體制造中的應用》，繆海濱，電子與封裝，2005.10

（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）