Simes制造執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用

倪 敏，付高峰

（上海自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200072）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重要特點(diǎn)是向大型化和信息化發(fā)展，在現(xiàn)代的大工業(yè)生產(chǎn)中，人們對(duì)生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求不斷提高，追求著更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因而對(duì)控制技術(shù)水平與性能的要求也越來越高。

目前，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和制造依舊采用比較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。因此，工業(yè)軟件在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性越來越高[1]。隨著“工業(yè)4.0”的浪潮，制造執(zhí)行系統(tǒng)被附加的功能要求越來越多，試圖覆蓋所有與生產(chǎn)過程相關(guān)的業(yè)務(wù)，再加上

行業(yè)差異性，給項(xiàng)目帶來了巨大的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。為解決以上問題，通用型制造執(zhí)行系統(tǒng)以精準(zhǔn)管理為目標(biāo)，通過軟件的優(yōu)化和可組態(tài)，可廣泛應(yīng)用于汽車、裝備制造、煙草、數(shù)字印刷、冶金、電子等行業(yè)，降低了構(gòu)建系統(tǒng)的難度，在保證系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和高效性的同時(shí)，有效縮短項(xiàng)目周期約40%～60%。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

眾所周知，MES 系統(tǒng)功能強(qiáng)大，通過MES 生產(chǎn)排產(chǎn)模塊便可看出。MES 系統(tǒng)匯集了信息技術(shù)與先進(jìn)的管理思想，反映了時(shí)代對(duì)企業(yè)合理調(diào)配資源，創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的要求，滿足了國內(nèi)制造業(yè)向智能化邁進(jìn)的需求。MES 系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)新的運(yùn)行模式，在豐田、西門子等企業(yè)，MES系統(tǒng)已經(jīng)相對(duì)成熟，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

AGV 通訊調(diào)度在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用已十分成熟，尤其是在大型的物流倉庫中。國內(nèi)MES 企業(yè)很多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與AGV 控制系統(tǒng)的通訊，實(shí)現(xiàn)了倉儲(chǔ)的精細(xì)化管理，很好地配合了企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的完成。

計(jì)劃排產(chǎn)管理模塊，是MES 系統(tǒng)的核心模塊。它能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃管控，為各個(gè)生產(chǎn)單元提供高效、可執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。MES 計(jì)劃排產(chǎn)通過采用各種各樣信息技術(shù)和精密算法，提高制造企業(yè)生產(chǎn)機(jī)制的有效性、可執(zhí)行性，從而提高生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行與生產(chǎn)過程管理的可控性。MES 計(jì)劃排產(chǎn)能針對(duì)不同的生產(chǎn)方式，比如按訂單生產(chǎn)、按庫存生產(chǎn)等，提供不同的計(jì)劃排產(chǎn)模式。比如按訂單生產(chǎn)方式，MES 生產(chǎn)排產(chǎn)可以根據(jù)訂單需求，進(jìn)行庫存配單、計(jì)劃配單和預(yù)測配單，未配單、預(yù)測確產(chǎn)。

物料管理是MES 系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊。物料管理系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，從原輔料采購到成品入庫、交貨出庫的整個(gè)過程中的物料運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)統(tǒng)計(jì)、反饋，讓物料流轉(zhuǎn)透明清晰，更高效地規(guī)劃庫存管理。MES物料管理系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)物料需求計(jì)劃自動(dòng)生成物料采購單，同時(shí)，MES 物料管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料采購情況的跟蹤查詢，管理者可實(shí)時(shí)了解采購的進(jìn)度與情況。

整體來講，國外對(duì)于MES 系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)成熟和平穩(wěn)的階段，而國外學(xué)者和制造業(yè)組織結(jié)合企業(yè)的部署應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)提出了一套標(biāo)準(zhǔn)MES 的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段處于不斷完善標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容和MES 功能細(xì)化的階段。

2 設(shè)計(jì)思想及原理

MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)處于（ERP）計(jì)劃層和（PCS）車間層操作控制之間，主要起著生產(chǎn)管理和協(xié)調(diào)調(diào)度的功能。它強(qiáng)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，要求收集大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并及時(shí)處理及響應(yīng)，雙向溝通上下的計(jì)劃層和控制層，接收和反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。因此，制造執(zhí)行系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的車間控制器，它是一種生產(chǎn)模式，以制造系統(tǒng)的計(jì)劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制物流、質(zhì)量控制，設(shè)備控制和計(jì)算機(jī)集成制造連接，作為整合，最終實(shí)現(xiàn)智能制造戰(zhàn)略目標(biāo)。

瀏覽器/服務(wù)器模式結(jié)構(gòu)（Browser/Server，B/S），是一種以Web 技術(shù)為基礎(chǔ)的新型信息管理系統(tǒng)平臺(tái)模式。它將傳統(tǒng)C/S 結(jié)構(gòu)中的服務(wù)器部分分解，形成1 個(gè)Web 服務(wù)器加1 個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，使得整個(gè)計(jì)算體系變?yōu)? 個(gè)三層結(jié)構(gòu)：B/S 結(jié)構(gòu)的頂層一般是通用瀏覽器，用戶可以在網(wǎng)頁上與中間層的Web 服務(wù)器交互；中間層是Web 服務(wù)器，能把用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫查詢語句，然后再與第三層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行交互，最后把查詢結(jié)果生成一串HTML 代碼，通過網(wǎng)絡(luò)返回至客戶機(jī)上的瀏覽器[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)方案

3.1 軟件設(shè)計(jì)方案

1）軟件開發(fā)環(huán)境

◇ 開發(fā)平臺(tái)：Java EE

◇ 開發(fā)軟件：Eclipse IDE for Java EE Developers

2）系統(tǒng)架構(gòu)

采用的瀏覽器、服務(wù)器架構(gòu)方案如下：

a）瀏覽器端

◇ JS 框架：JQuery

◇ 客戶端驗(yàn)證：JQuery Validation

◇ 富文本在線編輯：summernote

◇ 在線文件管理：CKFinder

◇ 數(shù)據(jù)表格：bootstrapTable

◇ 彈出層：layer

◇ 樹結(jié)構(gòu)控件：jsTree

◇ 前端框架：bootstrap

b）服務(wù)器端

核心框架：Spring Boot

Spring Boot 幫助開發(fā)者快速搭建Spring 框架；幫助開發(fā)者快速啟動(dòng)1 個(gè)Web 容器；繼承了原有Spring 框架的優(yōu)秀基因；簡化了使用Spring 的過程；Spring Boot 帶來了腳本語言開發(fā)的效率。

◇ 安全框架：Apache Shiro

◇ 模板引擎：Thymeleaf

◇ 持久層框架：MyBatis

◇ 緩存框架：Ehcache、Redis

◇ 日志管理：SLF4J

c）平臺(tái)

◇ 數(shù)據(jù)庫：MySql

◇ 開發(fā)環(huán)境：Java、Eclipse Java EE、Maven

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通用型MES 系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)通用的目的，核心在于靈活的架構(gòu)。在前期的實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)了基于SSH 框架的B/S 和C/S 混合架構(gòu)，它雖然具有很高的擴(kuò)展性，但是針對(duì)性較強(qiáng)，無法適應(yīng)高度可配置的環(huán)境[3]。所以需要在SSH 的基礎(chǔ)上，增加1 個(gè)能支持高度可配置的模塊?？傮w架構(gòu)如圖1 所示。

開發(fā)語言：系統(tǒng)采用Java 語言開發(fā)，具有卓越的通用性、高效性、平臺(tái)移植性和安全性。

分層設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層，層次清楚，低耦合，各層必須通過接口才能接入并進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn)（如：在展示層不可直接操作數(shù)據(jù)庫），保證數(shù)據(jù)操作的安全。

圖1 軟件架構(gòu)圖Fig.1 Software architecture diagram

圖2 新增排產(chǎn)計(jì)劃流程圖Fig.2 The flow chart of the new production scheduling plan

雙重驗(yàn)證：用戶表單提交雙驗(yàn)證，包括服務(wù)器端驗(yàn)證及客戶端驗(yàn)證，防止用戶通過瀏覽器惡意修改（如不可寫文本域，隱藏變量篡改，上傳非法文件等），跳過客戶端驗(yàn)證操作數(shù)據(jù)庫。

安全編碼：用戶表單提交所有數(shù)據(jù)，在服務(wù)器端都進(jìn)行安全編碼，防止用戶提交非法腳本及SQL 注入獲取敏感數(shù)據(jù)等，確保數(shù)據(jù)安全。

密碼加密：登錄用戶密碼進(jìn)行SHA1 散列加密，此加密方法是不可逆的，保證密文泄露后的安全問題。

強(qiáng)制訪問：系統(tǒng)對(duì)所有管理端鏈接都進(jìn)行用戶身份權(quán)限驗(yàn)證，防止用戶直接填寫url 進(jìn)行訪問。

針對(duì)中小企業(yè)可能無需引入龐大的ERP 系統(tǒng)，但也需要進(jìn)行生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)來進(jìn)行精益化生產(chǎn)的需求，引入了計(jì)劃管理模塊、采購管理模塊和倉庫管理模塊。

3.3 計(jì)劃管理模塊

對(duì)于預(yù)排產(chǎn)和訂單內(nèi)容進(jìn)行排產(chǎn)，該模塊可以依據(jù)預(yù)排產(chǎn)或訂單中的產(chǎn)品或者半成品，根據(jù)BOM 信息和庫存信息，自動(dòng)計(jì)算出物料需求數(shù)量，并能設(shè)置物料的渠道，使自制、外協(xié)和外購，分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的計(jì)劃。如果是自制的物料，那么會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生工單；如果是外協(xié)、外購的計(jì)劃會(huì)產(chǎn)生采購需求。因此，可以根據(jù)生產(chǎn)需求靈活地安排生產(chǎn)計(jì)劃。該模塊主要包括：新增排產(chǎn)計(jì)劃、排產(chǎn)計(jì)劃查詢、排產(chǎn)計(jì)劃修改。

計(jì)劃選擇排產(chǎn)的產(chǎn)品或部件，選擇排產(chǎn)類型（預(yù)排產(chǎn)或銷售排產(chǎn)）和數(shù)量添加到排產(chǎn)計(jì)劃中，系統(tǒng)具有自動(dòng)計(jì)算其子部件數(shù)量功能，同時(shí)還可以根據(jù)需要對(duì)各個(gè)子部件設(shè)定相應(yīng)的計(jì)劃（外采、外協(xié)、自制、出庫）并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的領(lǐng)料單。此種方式不僅可以提交生產(chǎn)過程的效率，而且可以通過排產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)監(jiān)控物料數(shù)量，協(xié)調(diào)生產(chǎn)與倉庫之間的關(guān)系。新增排產(chǎn)計(jì)劃的具體流程如圖2 所示。

排產(chǎn)計(jì)劃除了新增計(jì)劃之外還有計(jì)劃的查詢和修改?？傊?，該模塊滿足不同計(jì)劃類型的生產(chǎn)需求，也減少重復(fù)的流程，節(jié)約了人力成本以及不必要的失誤，為整個(gè)生產(chǎn)流程提供了良好的開始。

3.4 采購管理模塊

此模塊依據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生的物料采購單，實(shí)時(shí)監(jiān)控采購進(jìn)度，開展采購工作，與庫存數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)校對(duì)，打通采購與庫存的信息渠道。此外，還可以通過產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、工序以及公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件完成對(duì)采購以及外協(xié)的分類。這樣，就可以讓公司的生產(chǎn)以及采購更加規(guī)范，并且還可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行修改以滿足不同的采購需求。

該模塊可查看當(dāng)前的采購需求、外協(xié)需求以及工藝性外協(xié)，其中采購?fù)鈪f(xié)需求由計(jì)劃排產(chǎn)的采購?fù)鈪f(xié)需求匯總得到。操作者可以根據(jù)勾選不同的需求，匯總生成采購?fù)鈪f(xié)內(nèi)容并填寫相關(guān)采購?fù)鈪f(xié)信息，如采購時(shí)間、采購單據(jù)號(hào)、采購人、供應(yīng)商等，生成采購單、外協(xié)。此外，還可以查詢所有采購單、外協(xié)加工單的完成情況。以上兩個(gè)功能通過人機(jī)交互界面顯示出來對(duì)采購和外協(xié)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采購單完成詳情如圖3 所示。

3.5 倉庫管理模塊

此模塊的子功能包括：庫存信息查看、出入庫管理、出入庫記錄查詢，其中排產(chǎn)模塊中預(yù)定的庫存提前預(yù)定。

在該模塊的子模塊中有采購?fù)鈪f(xié)入庫、生產(chǎn)入庫、工序外協(xié)出庫、生產(chǎn)領(lǐng)料以及任意領(lǐng)料，每個(gè)功能是根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所需的工序和工廠的生產(chǎn)條件進(jìn)行采購?fù)鈪f(xié)、工序外協(xié)，然后，根據(jù)完成情況進(jìn)行入庫；生產(chǎn)領(lǐng)料根據(jù)生產(chǎn)需要（工單）領(lǐng)取倉庫中的原材料、半成品進(jìn)行生產(chǎn)；任意領(lǐng)料是根據(jù)生產(chǎn)過程中的需要進(jìn)行領(lǐng)料，可根據(jù)領(lǐng)料人部門、領(lǐng)料人或者領(lǐng)料單號(hào)生成領(lǐng)料單。此外，通過庫存信息查看和出入庫記錄查詢功能，利用軟件數(shù)據(jù)庫對(duì)實(shí)際的倉庫的庫存進(jìn)行監(jiān)控，為生產(chǎn)和采購提供依據(jù)。

圖3 采購單查詢界面Fig.3 Purchase order query interface

圖4 AGV小車工作流程圖Fig.4 AGV Car work flow chart

4 AGV通訊調(diào)度模塊

AGV 通訊調(diào)度在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用已經(jīng)十分成熟，尤其是在大型的物流倉庫中。國內(nèi)MES 企業(yè)很多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與AGV 控制系統(tǒng)的通訊，實(shí)現(xiàn)了倉儲(chǔ)的精細(xì)化管理，很好地配合了企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的完成。

4.1 AGV實(shí)現(xiàn)原理

AGV 通訊模塊基于TCP 協(xié)議的Socket 網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)與AGV 小車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。AGV 小車通過通信系統(tǒng)從MES 系統(tǒng)接受指令并報(bào)告自己的狀態(tài)，而MES 系統(tǒng)則向AGV 下達(dá)任務(wù)，同時(shí)收集AGV 發(fā)回的信息以監(jiān)視AGV的工作狀況。通過AGV+MES 在智能工廠生產(chǎn)的應(yīng)用，原料庫和運(yùn)輸部門可隨時(shí)了解生產(chǎn)上用料情況；通過AGV 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效及時(shí)的補(bǔ)料，避免了缺料情況發(fā)生；AGV 向MES 回饋搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)情況及結(jié)果。

4.2 AGV工作實(shí)現(xiàn)

MES 系統(tǒng)獲取生產(chǎn)計(jì)劃中的工單，然后經(jīng)過處理分析，根據(jù)不同產(chǎn)品生產(chǎn)要求，選擇對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的物料需求。MES 系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行全程管理，物料從入庫時(shí)就進(jìn)行標(biāo)示。對(duì)物料的入庫、庫存、領(lǐng)料、發(fā)料全程進(jìn)行靈活管控，避免物料收發(fā)錯(cuò)誤，記錄物料的收發(fā)人、時(shí)間、物料名、數(shù)量等內(nèi)容，并在后續(xù)生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)控制它們的流轉(zhuǎn)。MES 系統(tǒng)基于TCP 協(xié)議的Socket 網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)與AGV 小車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。AGV 小車通過通信系統(tǒng)從MES 系統(tǒng)接受指令并報(bào)告自己的狀態(tài)，而MES 系統(tǒng)則向AGV 下達(dá)任務(wù)，同時(shí)收集AGV 發(fā)回的信息以監(jiān)視AGV的工作狀況。通過AGV+MES 在智能工廠生產(chǎn)的應(yīng)用，原料庫和運(yùn)輸部門可隨時(shí)了解生產(chǎn)上用料情況；通過AGV 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效及時(shí)的補(bǔ)料，避免了缺料情況發(fā)生；AGV 向MES 回饋搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)情況及結(jié)果。AGV+MES 在智能工廠中的應(yīng)用提高了制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率，減少了人為的干擾。AGV 系統(tǒng)的指令均由MES 發(fā)出，AGV系統(tǒng)根據(jù)指令自動(dòng)化完成物料運(yùn)輸工作，整個(gè)過程中無需人工的參與。因此，有效避免了人工操作引起的失誤，極大地減輕工人的工作量，大大提高工作效率，從而提高生產(chǎn)的柔性和企業(yè)的競爭力。AGV 小車工作流程圖如圖4所示。

5 結(jié)論

SIMES 制造執(zhí)行系統(tǒng)是用來輔助生產(chǎn)管理人員收集現(xiàn)場制造信息及控制現(xiàn)場制造流程的應(yīng)用軟件。針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，收集生產(chǎn)車間的實(shí)時(shí)信息，并且能及時(shí)處理實(shí)時(shí)事件，系統(tǒng)與計(jì)劃層和控制層保持雙向通信能力，從頂層與底層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)以后反饋生產(chǎn)指令和處理生產(chǎn)問題。SIMES 系統(tǒng)能夠有效聯(lián)動(dòng)企業(yè)上層數(shù)字化管理系統(tǒng)和底層操作控制單元，有效縮短制造周期，減少準(zhǔn)備期，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

本文中的項(xiàng)目是直接結(jié)合自動(dòng)化儀表企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行的應(yīng)用開發(fā)，并且已經(jīng)在公司的實(shí)際生產(chǎn)中成功運(yùn)行。該系統(tǒng)滿足了自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，提交了生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控等。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以用于傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)制造，為企業(yè)實(shí)時(shí)信息化工程服務(wù)，使企業(yè)具有顯著的競爭優(yōu)勢。