智能制造生產(chǎn)線MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張祖軍，賴思琦

（西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，綿陽(yáng) 621010）

0 引言

近年來隨著中國(guó)制造2025規(guī)劃的逐步實(shí)施，制造業(yè)開始探索建設(shè)智能制造，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的提檔升級(jí)。智能制造生產(chǎn)線是實(shí)現(xiàn)智能制造的載體，生產(chǎn)線包括了各類加工制造設(shè)備、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)管理軟件、ERP軟件以及因素有機(jī)結(jié)合的集成技術(shù)，如圖1所示[1]。生產(chǎn)線的各臺(tái)加工設(shè)備與服務(wù)器總控端通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，形成網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)體系，各類傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)上的各種數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)服務(wù)器，由現(xiàn)場(chǎng)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并與ERP企業(yè)資源管理軟件相結(jié)合，提供最優(yōu)化的生產(chǎn)方案或者定制化生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的信息集成化、執(zhí)行智能化[2]。

圖1 智能生產(chǎn)線組成

在智能制造中制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）面向生產(chǎn)線執(zhí)行層，具備現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)計(jì)劃管理、設(shè)備管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、庫(kù)存物料管理等功能，是信息化管理系統(tǒng)的核心組成。本文面對(duì)某電視插件的智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建MES系統(tǒng)，該MES系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，使用Web前端可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和讀取，通過OPC中間件的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，形成設(shè)備監(jiān)控或管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用Websocket傳輸協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在智能制造生產(chǎn)線環(huán)境下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工單管理、工藝管理、數(shù)據(jù)查詢的功能，將人、設(shè)備、產(chǎn)品信息等生產(chǎn)要素相結(jié)合，為現(xiàn)場(chǎng)管理者提供了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工單跟蹤、物料管理、數(shù)據(jù)查詢等功能[3,4]。

1 MES系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，智能制造生產(chǎn)線管理分為三層，ERP管理層位于上層，MES系統(tǒng)位于ERP和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層之間。

MES系統(tǒng)配置兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)與生產(chǎn)線的傳感和監(jiān)控設(shè)備連接，負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)采集，一臺(tái)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢，各個(gè)工位配置PC機(jī)。MES系統(tǒng)采用主流的SSH框架，從下到上分為數(shù)據(jù)存取層、業(yè)務(wù)邏輯層與表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)存取層采用了Hibernate作為ORM工具，業(yè)務(wù)邏輯層主要采用Spring框架并集成SOA模式，通過WebService接口對(duì)接其他系統(tǒng)，并可擴(kuò)展為簡(jiǎn)單的企業(yè)服務(wù)總線（ESB）。表現(xiàn)層采用常見的MVC架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前端與后端業(yè)務(wù)邏輯的分離。系統(tǒng)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了原材料ERP管理及MES的數(shù)據(jù)同源，便于數(shù)據(jù)的集中管理與數(shù)據(jù)的安全，避免了信息孤島狀態(tài)[5]。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

MES系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)計(jì)劃、倉(cāng)儲(chǔ)管理等功能模塊。

1）系統(tǒng)管理。該模塊主要是設(shè)置使用人員的權(quán)限，同時(shí)可以查看登陸系統(tǒng)的人員和時(shí)間的日志功能，由日志查詢、負(fù)責(zé)人管理、現(xiàn)場(chǎng)人員管理三個(gè)模塊界面構(gòu)成。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊主要是實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線設(shè)備的狀態(tài)和生產(chǎn)運(yùn)行情況，分為聯(lián)機(jī)和單機(jī)兩個(gè)子單元，聯(lián)機(jī)狀態(tài)界面顯示生產(chǎn)線整體運(yùn)行情況，單機(jī)狀態(tài)界面通過各個(gè)熱點(diǎn)的不同顏色來顯示單個(gè)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。

3）生產(chǎn)計(jì)劃。用來管理工單和工序流量，能夠顯示計(jì)劃量、完成量和尚欠量等內(nèi)容。由整機(jī)產(chǎn)量、生產(chǎn)計(jì)劃量、直通率量和不良明細(xì)分析四個(gè)模塊界面構(gòu)成。

4）設(shè)備管理。用來管理設(shè)備，能夠顯示設(shè)備運(yùn)行的工作時(shí)長(zhǎng)、故障信息和維修安排等內(nèi)容。由設(shè)備臺(tái)賬、報(bào)警記錄、設(shè)備統(tǒng)計(jì)和維修保養(yǎng)計(jì)劃四個(gè)模塊界面構(gòu)成。

5）倉(cāng)儲(chǔ)管理。用來對(duì)倉(cāng)庫(kù)中的原料和產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，并記錄管理部分的操作明細(xì)，實(shí)時(shí)倉(cāng)庫(kù)動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)庫(kù)位存放的產(chǎn)品信息。由原料管理、成品管理、實(shí)時(shí)倉(cāng)庫(kù)、統(tǒng)計(jì)圖等模塊界面構(gòu)成。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）采用Web前后端分離開發(fā)模式，避免了傳統(tǒng)Web模式帶來的各種問題。MES系統(tǒng)通過采用Web前后端分離來進(jìn)行設(shè)計(jì)，很大部分的數(shù)據(jù)都可以在前端進(jìn)行處理，減少了服務(wù)器的工作壓力；同時(shí)，后臺(tái)錯(cuò)誤不會(huì)直接反映到前臺(tái)，給管理人員的工作帶來了便利；前后臺(tái)分離工作極大降低了開發(fā)難度。

2）系統(tǒng)前端采用AngularJS代碼編寫，架構(gòu)清晰，分工明確，擴(kuò)展性良好，讓程序設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯，而且因?yàn)閷?duì)html影響較小，能夠與designer形成良好的協(xié)作。

3）系統(tǒng)后端采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分析所要面對(duì)的對(duì)象的需求，提出模型，將這些模型實(shí)現(xiàn)為基本的Java對(duì)象，然后編寫DAO接口，并給出Hibernate的DAO，用Hibernate架構(gòu)的DAO類來實(shí)現(xiàn)Java類與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的轉(zhuǎn)換和訪問，最后由Spring管理struts和Hibernate。

4）系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用Websocket傳輸協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，大大縮短了設(shè)備端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示到網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和穩(wěn)定可靠。同時(shí)，在后臺(tái)直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為歷史記錄保存。這樣就避開了常規(guī)方法先將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)庫(kù)，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)提取，最后傳輸?shù)骄W(wǎng)頁(yè)上顯示等一系列的操作[6]。

5）采用OPC中間件的方式進(jìn)行生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集，得到設(shè)備監(jiān)控或管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集方式有兩種，如圖2所示：工序位置采用RFID方式，上料工序的工裝板和工件ID綁定（存入數(shù)據(jù)庫(kù)），在其它工序位置上，工裝板RFID通過固定讀碼器獲取信息，并與生產(chǎn)線上進(jìn)行加工的工件ID信息相關(guān)聯(lián)；倉(cāng)儲(chǔ)出入庫(kù)采用PDA掃碼方式，倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)，采取加工件ID條碼，人工掃碼方式通過無線AP直連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

2 MES系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控是基于Websocket實(shí)時(shí)多源數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的輪詢方式，使現(xiàn)場(chǎng)PC端具備B/S架構(gòu)下的實(shí)時(shí)通訊能力，通過向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)PC端和服務(wù)器端直接交換數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在頁(yè)面上的功能，有效地降低了編程實(shí)現(xiàn)的難度和服務(wù)器端的負(fù)載壓力，增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展性[7]。服務(wù)器端與連接在現(xiàn)場(chǎng)總線上的設(shè)備層對(duì)象進(jìn)行通信，進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將需要的各類數(shù)據(jù)顯示在頁(yè)面上，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互處理。生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控電子看板如圖3所示，設(shè)備圖標(biāo)顯示為綠色表示正常運(yùn)行中，黃色表示待機(jī)狀態(tài)，紅色表示設(shè)備故障，白色表示設(shè)備停機(jī)維保，通過電子看板，能夠?qū)Ξ?dāng)前設(shè)備所處于的情況一目了然，讓現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，有利于生產(chǎn)任務(wù)安排和設(shè)備管理。

圖3 電子看板

2.2 生產(chǎn)計(jì)劃

智能制造生產(chǎn)線的工單及工序流量管理是生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容。在生產(chǎn)計(jì)劃中，通過對(duì)比整機(jī)產(chǎn)量、生產(chǎn)計(jì)劃量、直通率量和不良明細(xì)分析，能夠讓生產(chǎn)管理人員清晰地掌握生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)量和質(zhì)量狀況，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)計(jì)劃

2.3 倉(cāng)儲(chǔ)管理

倉(cāng)儲(chǔ)管理的關(guān)鍵是針對(duì)不同的物料類型，對(duì)需要進(jìn)行條碼管控的物料進(jìn)行分類，并設(shè)置該關(guān)鍵物料類型對(duì)應(yīng)的條碼規(guī)則類型，系統(tǒng)可通過關(guān)鍵物料類型最終找到其對(duì)應(yīng)條碼規(guī)則。倉(cāng)儲(chǔ)管理界面如圖5所示。

圖5 倉(cāng)儲(chǔ)管理

3 結(jié)語

智能制造是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的重要方向，MES系統(tǒng)是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層信息化管理的核心部分。面對(duì)智能制造生產(chǎn)線的發(fā)展需求，構(gòu)建了基于B/S架構(gòu)的MES系統(tǒng)，通過OPC中間件方式、RFID方式、PDA掃碼方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，得到設(shè)備和生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送至服務(wù)器端，數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL，實(shí)現(xiàn)ERP和MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同源。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能制造生產(chǎn)管理的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化及信息的互聯(lián)互通。