應(yīng)用于離散型制造業(yè)智能車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES研究與工程應(yīng)用

吳宇豪　朱華

摘? 要：閥門工廠屬于離散型制造業(yè)的一種典型工廠，生產(chǎn)涉及加工、裝配、檢測等工藝過程，體現(xiàn)多品種小批量的特點，對人員、物料、設(shè)備管理的實時性要求較高。為提高效率，降低庫存，方便追溯質(zhì)量，在車間使用制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，以下簡稱MES）進(jìn)行優(yōu)化管理至關(guān)重要。文章依據(jù)某閥門工廠的生產(chǎn)流程和管理要求，基于微服務(wù)架構(gòu)，針對性的開發(fā)出庫存管理、生產(chǎn)排程、電子看板、人力資源管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理等功能模塊。實踐證明，該軟件系統(tǒng)很好地滿足了生產(chǎn)過程所涉及的業(yè)務(wù)功能的管控需求，提升了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的透明化和精益化，為建成數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能工廠打下了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：離散型制造;制造執(zhí)行系統(tǒng);微服務(wù)架構(gòu);軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TQ630.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）31-0024-05

Abstract： The valve factory is a typical factory in intermittent manufacturing. It involves machining， assembling and testing processes. This process shows the characteristics of mass varieties and small batches. It is very important to use manufacturing execution system （MES） for improving efficiency， minimizing inventory and managing quality. Based on themicro-service architecture， MES software has been pertinently developed for a valve factory， and it has some key functional modules such as inventory management， advanced planning and scheduling， electronic signage， human resource management， equipment managementand quality management etc. Practice has proved that this software system satisfies the management and control needs of the lean producingand lays a good foundation for building a data-driven intelligent plant.

Keywords： intermittent manufacturing; manufacturing execution system; microservice architecture; software

1 概述

當(dāng)前閥門工廠的運(yùn)營模式是按訂單訂制生產(chǎn)，外購原輔料、零部件、成品等都體現(xiàn)出離散型制造業(yè)多品種、小批量的特點，這對生產(chǎn)過程中的庫存管理、排產(chǎn)、人員以及質(zhì)量管理的實時性提出了較高的要求[1-3]。目前大部分中小型工廠的管理工作都依賴于人工，這不僅制約了工作效率，也無法實現(xiàn)生產(chǎn)管理流程的數(shù)據(jù)化和透明化，急需建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能工廠管理模式[4-6]。制造執(zhí)行系統(tǒng)（以下簡稱：MES）是將現(xiàn)代信息化技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)車間制造過程管理的一種解決方案，可以有效連接上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)（比如ERP系統(tǒng)）與車間的現(xiàn)場控制[7-10]。

本文以閥門工廠為研究對象，首先對工廠業(yè)務(wù)的流程和管理需求進(jìn)行梳理，理清內(nèi)部邏輯關(guān)系，然后在微服務(wù)架構(gòu)下開發(fā)各功能模塊和軟件系統(tǒng)。在工廠上線后，運(yùn)行結(jié)果表明，該MES軟件系統(tǒng)的庫存、排程、看板、人員、設(shè)備和工具、質(zhì)量分析等功能模塊符合生產(chǎn)過程管理的需求，實時性強(qiáng)，人機(jī)交互良好，操作簡便，為實現(xiàn)智能工廠奠定了良好的信息化基礎(chǔ)。

2 MES軟件架構(gòu)

MES作為連接工廠計劃層和車間層執(zhí)行系統(tǒng)的中間層，不同的企業(yè)對MES的功能要求是不同的，具有訂制性的特點。為了讓系統(tǒng)能提供快速模塊化選配能力，本文采用層次化、模塊化、可插拔的體系架構(gòu)，通過現(xiàn)有模塊的選配、替換和擴(kuò)展，可以提供快速滿足用戶訂制需求的能力，同時如果客戶需求調(diào)整，軟件功能也可相應(yīng)靈活調(diào)整。本文的軟件基礎(chǔ)平臺提供了非常好的復(fù)用性，并為功能擴(kuò)展提供插槽，可以非常低的價格獲得升級帶來的好處?；谝陨咸峁┑膫€性化定制層，通過基于平臺之上可復(fù)用資源庫的組件選配、系統(tǒng)建模、二次開發(fā)擴(kuò)展，提供滿足個性需求的能力。基于微服務(wù)架構(gòu)，將應(yīng)用程序的不同功能單元（本文稱之為微服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來，使模塊保持良好的內(nèi)聚性，模塊間松散相關(guān)，使得系統(tǒng)具有良好的復(fù)用性、集成性、可移植性。本文MES的架構(gòu)如圖1所示。集群基于通用Linux 操作系統(tǒng)，通過容器化實現(xiàn)了服務(wù)的解耦，工藝文件等公司資料存放在分布式文件系統(tǒng)glusterfs中，投屏基于websoket進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，由tomcat對外提供web的服務(wù)。

3 MES功能模塊開發(fā)

根據(jù)對閥門工廠的業(yè)務(wù)流程分析，結(jié)合該工廠的特殊需求，比如考勤、工時統(tǒng)計、工具管理等，本文確定MES軟件的功能點主要包括：用戶管理模塊、考勤模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、設(shè)備管理模塊、生產(chǎn)管理模塊、工具管理模塊、投屏模塊等。細(xì)節(jié)要求如圖2所示。

3.1 用戶模塊

用戶模塊主要分為用戶管理和角色管理，如圖3所示。用戶管理用于維護(hù)員工的個人信息，角色管理每個員工的權(quán)限，不同角色可以根據(jù)權(quán)限來訪問MES的不同功能模塊并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.2 考勤模塊

應(yīng)用人臉識別技術(shù)，在MES中設(shè)置考勤功能。根據(jù)廠家的特別需求，配置相應(yīng)字段信息，每小時考勤一次，記錄考勤結(jié)果，并在大屏上進(jìn)行展示。對規(guī)定時間內(nèi)未完成人臉識別考勤認(rèn)證的員工，做考勤異常報警提示。通過服務(wù)器串口外接一個短信貓池設(shè)備，給管理員或者設(shè)定的用戶發(fā)送考勤異常報警短信。其功能如圖4所示。

工人從“入口考勤機(jī)”考勤進(jìn)行入車間登記，從“出口考勤機(jī)”進(jìn)行出車間登記。中途整點考勤可以在任一整點考勤機(jī)上進(jìn)行考勤，信息在系統(tǒng)內(nèi)共享。整點考勤人員范圍包括，在系統(tǒng)配置的時間段內(nèi)，在入考勤機(jī)上考勤過的但沒有在出考勤機(jī)上考勤過的人員。整點考勤的時間范圍包括，系統(tǒng)配置的時間段內(nèi)的整點時間。對在考勤時間范圍內(nèi)，對需要考勤的人員進(jìn)行整點考勤，對缺勤人員進(jìn)行告警處理。對于考勤機(jī)中的無效的離職人員，應(yīng)及時進(jìn)行數(shù)據(jù)的刪除和維護(hù)。

3.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊是定義不同型號的產(chǎn)品BOM表及內(nèi)部零部件的裝配關(guān)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先對產(chǎn)品的型號相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，成品可配置多個子零件的半成品，半成品配置多個毛坯或者原材料。對產(chǎn)品型號進(jìn)行生產(chǎn)工序配置，將工藝文件綁定在產(chǎn)品的具體工序上，并在每道工序上關(guān)聯(lián)車間屬性、設(shè)備、人員、工時等基本信息。此外，此模塊中還包括了物料庫存管理功能，可以實時反映物料流水情況。功能如圖5所示。

3.4 設(shè)備管理模塊

該模塊功能主要包括：機(jī)臺設(shè)備添加，機(jī)臺設(shè)備可生產(chǎn)產(chǎn)品工序配置，機(jī)臺設(shè)備可操作員工配置以及機(jī)臺設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工時維護(hù)。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工時維護(hù)是按每生產(chǎn)一件產(chǎn)品多少小時來統(tǒng)計的。界面如圖6所示。

3.5 生產(chǎn)管理模塊

生產(chǎn)管理第一步是生產(chǎn)訂單的管理，主要通過手動的方式錄入生產(chǎn)訂單，其中包括生產(chǎn)車間、產(chǎn)品型號、產(chǎn)品特殊性說明等[11]。也可以通過中間表的方式，從ERP系統(tǒng)中自動對接。第二步是訂單結(jié)果確認(rèn)，主要通過掃碼方式對訂單結(jié)果確認(rèn)，在條件允許的情況下對不合格訂單信息進(jìn)行錄入，并對訂單生產(chǎn)進(jìn)行跟蹤，結(jié)果顯示在大屏上。界面如圖7所示。

生產(chǎn)訂單到工單的拆分是系統(tǒng)自動完成的，操作人員只需要在對應(yīng)的生產(chǎn)計劃條目上點擊拆工單，即可自動生成該計劃的工單。主要過程為，取得生產(chǎn)計劃中產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品代號、計劃數(shù)量，根據(jù)產(chǎn)品編碼與工序管理中的產(chǎn)品編碼關(guān)聯(lián)，生成工單信息。整理成代碼邏輯如下：

for each product in productplan

for each product in procedure

{

if（product.valid==ture）

generate worksheet;

}

for each end

for each end;

工單拆分之后，就可以根據(jù)需要進(jìn)行派工，其過程為：取得工單中產(chǎn)品信息、計劃數(shù)量、已生成數(shù)量，根據(jù)產(chǎn)品編碼與機(jī)臺設(shè)備工時管理中的工時定額和操作工信息，生成派工單信息。其中零件的派工數(shù)量以當(dāng)前機(jī)臺的工時定額，以及前一道工序的已完成數(shù)量和當(dāng)前的派工數(shù)量之和作為參考進(jìn)行派工。對于產(chǎn)品的工單，完成后，需要扣除拆工單中對應(yīng)零件的已使用數(shù)量。另外根據(jù)機(jī)臺工時配置和完成數(shù)據(jù)，生成員工工時數(shù)據(jù)。派單如圖8所示。

3.6 工具管理模塊

工具管理包括勞動工具和工裝夾具的出借和回收流程，通過對工具進(jìn)行賦碼，在使用過程中讀碼對工具進(jìn)行實時管理，管理人員可以在系統(tǒng)中實時查詢工具使用情況。利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊中的工時工具管理菜單定義工序中的各種工具。

3.7 智能投屏模塊

車間管理員投屏與機(jī)臺進(jìn)行綁定，對產(chǎn)線的實際排產(chǎn)信息和機(jī)臺完成量進(jìn)行顯示，同時展示產(chǎn)品的工序和工藝文件[12]。工藝文件投屏和車間大屏的畫面構(gòu)成如圖10和圖11所示。

通過查看當(dāng)前時間段的派工單，找到對應(yīng)機(jī)臺信息，顯示到對應(yīng)的投屏，存在多個機(jī)臺顯示在一個投屏的情況，此時通過遙控器左右鍵切換到不同機(jī)臺。智能投屏操作系統(tǒng)如圖12所示。

4 結(jié)束語

十九大報告100項任務(wù)中指出：推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。MES作為生產(chǎn)管控類的工業(yè)軟件，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺重要的組成部分。滿足離散型制造業(yè)用戶大規(guī)模個性化定制和柔性生產(chǎn)的要求，是MES的發(fā)展趨勢。本文針對閥門工廠的實際業(yè)務(wù)需求和流程，基于微服務(wù)架構(gòu)，針對性的開發(fā)出庫存管理、生產(chǎn)排程、電子看板、人力資源管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理等功能模塊。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)表明，該系統(tǒng)很好地滿足了生產(chǎn)過程所涉及的業(yè)務(wù)功能的管控需求，特別是排產(chǎn)、工時統(tǒng)計、工具管理、考勤等，提升了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程管理的透明化和精益化，為建成數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能