機(jī)械加工行業(yè)數(shù)字化車間管理研究

（陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006）

一、引言

以寶雞市近幾年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看，機(jī)械加工企業(yè)數(shù)量增長較快，逐步形成了一定的規(guī)模化。同時(shí)也就促使了傳統(tǒng)機(jī)械加工企業(yè)不斷地向高效率、高精度的數(shù)控技術(shù)和管理方式改進(jìn)，企業(yè)技術(shù)部門針對(duì)數(shù)控加工需求編制了大量的數(shù)控加工程序。但同時(shí)涉及這些加工程序與數(shù)控設(shè)備間的傳輸通信和科學(xué)管理等問題也逐漸暴露了出來，嚴(yán)重影響數(shù)控設(shè)備優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。為此，各公司也制訂了多個(gè)管理細(xì)則進(jìn)行規(guī)范，但從管理技術(shù)角度來看，這些管理方法還是明顯落伍，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。所以倒逼企業(yè)需要用新的管理技術(shù)來解決這一棘手問題，特別是希望依靠數(shù)字化技術(shù)，來達(dá)到事半功倍的效果，實(shí)現(xiàn)國家倡導(dǎo)的以數(shù)字化、智能化帶動(dòng)工業(yè)化的戰(zhàn)略目標(biāo)。特別是隨著信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展以及與制造業(yè)的不斷融合，造就了能充分體現(xiàn)并實(shí)踐“兩化融合”概念的企業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)成為當(dāng)前機(jī)械制造類企業(yè)的建設(shè)方向。而當(dāng)前數(shù)字化車間的研究與實(shí)施都處在快速發(fā)展的階段，受到了社會(huì)各界的高度重視。數(shù)字化車間是數(shù)字化技術(shù)在管理者與生產(chǎn)車間之間集成數(shù)字化應(yīng)用而形成的一種新型車間的管理模式。既從數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，產(chǎn)品檢驗(yàn)，生產(chǎn)組織管理等方面入手，使生產(chǎn)車間的數(shù)控設(shè)備單元與生產(chǎn)管理間的信息進(jìn)行集成共享。從整體上改善生產(chǎn)的組織與管理，提高生產(chǎn)車間數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字化車間的最終目標(biāo)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立一個(gè)以太網(wǎng)的設(shè)備集成管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能協(xié)助管理人員便捷的以圖形化的方式科學(xué)規(guī)劃車間生產(chǎn)布局、生產(chǎn)流程等，數(shù)字化車間的模型建立后可以進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度仿真、模擬仿真各種生產(chǎn)調(diào)度方案、驗(yàn)證各種生產(chǎn)布局與生產(chǎn)調(diào)度方案的優(yōu)劣，使數(shù)字化車間在項(xiàng)目投產(chǎn)前得到充分地實(shí)驗(yàn)論證。投產(chǎn)后，數(shù)字化車間系統(tǒng)可以和企業(yè)既有 ERP 系統(tǒng)緊密結(jié)合，輔助管理人員高效率管理生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)。

本文提出了如下數(shù)字化車間管理系統(tǒng)的建設(shè)方案，使用觸控輸入設(shè)備對(duì)車間的各類生產(chǎn)信息進(jìn)行采集，通過設(shè)置不同工位的 RF 卡讀取設(shè)備以及條碼識(shí)別設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)零件和人員的快速識(shí)別，并通過對(duì) MES 等數(shù)字化系統(tǒng)的集成，構(gòu)建能夠處理全局?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的同步更新，從而完成對(duì)車間人員、零件、設(shè)備、工具工裝等的控制功能，并通過數(shù)據(jù)庫的邏輯運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)的分類收集與存儲(chǔ)，從而保證這種全局的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息可以用于車間不同部門的管理與控制。如車間生產(chǎn)計(jì)劃的維護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度管理等。數(shù)字化車間的應(yīng)用要處理好企業(yè)計(jì)劃層和車間控制層之間的斷層問題。斷層問題的核心是數(shù)字化車間的生產(chǎn)調(diào)度問題，本課題參考國內(nèi)各類研究成果引入了車間制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution Systems,MES），MES 系統(tǒng)的研究核心就是車間生產(chǎn)調(diào)度問題,生產(chǎn)調(diào)度主要負(fù)責(zé)對(duì)企業(yè)下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)劃排產(chǎn),再通過分配可用生產(chǎn)要素資源對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)度，為了保證生產(chǎn)執(zhí)行時(shí)間和生產(chǎn)成本的達(dá)到最優(yōu),依據(jù)原材料加工順序和加工時(shí)間對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,通過對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的合理調(diào)度，很好地控制數(shù)字化車間的生產(chǎn)節(jié)奏。本課題結(jié)合數(shù)字化生產(chǎn)車間實(shí)際需要，按照車間現(xiàn)有的生產(chǎn)模式研究和實(shí)現(xiàn)了基于 APS 高級(jí)計(jì)劃排程的車間生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng),用APS 自動(dòng)計(jì)劃排程技術(shù)來實(shí)時(shí)指導(dǎo)車間生產(chǎn)，通過APS 高級(jí)計(jì)劃排程很大程度提高了數(shù)字化車間的生產(chǎn)效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）APS 高級(jí)計(jì)劃排程

APS 高級(jí)計(jì)劃排程被認(rèn)為是通過如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等啟發(fā)式算法來解決生產(chǎn)制造商生產(chǎn)計(jì)劃排程問題的技術(shù)，目前國內(nèi)最新的 ERP 系統(tǒng)已經(jīng)集成了 APS 計(jì)劃排程系統(tǒng)。APS 計(jì)劃排程工作時(shí)需要跟企業(yè) ERP 系統(tǒng)進(jìn)行交互并獲得一個(gè)協(xié)同的工作流。APS 計(jì)劃排程工作過程是采用自動(dòng)計(jì)劃排程與人工計(jì)劃排程相結(jié)合的方式，管理人員通過APS 計(jì)劃排程系統(tǒng)能夠更方便制定生產(chǎn)排程計(jì)劃，能夠更輕松應(yīng)對(duì)數(shù)字化車間的復(fù)雜生產(chǎn)與執(zhí)行狀態(tài)情況，管理人員可以憑借生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)接受、修改或拒絕接受 APS 自動(dòng)計(jì)劃排程系統(tǒng)自動(dòng)生成的排程結(jié)果。

（二） RFID 射頻識(shí)別技術(shù)

RFID 射頻識(shí)別是一種無線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過無線射頻自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體并獲取目標(biāo)物體數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。RFID 射頻識(shí)別還可以識(shí)別運(yùn)動(dòng)的物體并且可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)物體，操作方便快捷。RFID 短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼與二維碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤目標(biāo)物體。遠(yuǎn)距離射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如高速公路 ETC 不停車收費(fèi)系統(tǒng)和園區(qū)車輛管理系統(tǒng)等。

（三）基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)

Zig Bee 和藍(lán)牙技術(shù)一樣是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是低成本、低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高。主要適合用于自動(dòng)控制和無線控制領(lǐng)域，可以嵌入各種硬件設(shè)備。主要應(yīng)用在工業(yè)4.0、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)學(xué)、智能汽車、智能家居、智能樓宇、消費(fèi)和家用自動(dòng)化市場以及智慧城市方面等。KW21Z 是一款超低功耗、高集成度的單芯片器件，KW21Z 無線 MCU 集成了一個(gè) 2.4GHz 收發(fā)器，支持 O-QPSK 調(diào)制，一個(gè) Arm Cortex -M0+處理器，高達(dá) 512KB 閃存和 128KB SRAM，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設(shè)備，優(yōu)化后滿足目標(biāo)應(yīng)用的需求。KW21Z 是單芯片Zigbee 器件的理想解決方案，主要用于工業(yè)無線控制、家庭與樓宇控制、消費(fèi)電子、電力與能源、智能計(jì)量設(shè)備無線連接等領(lǐng)域。

（四）條碼識(shí)別技術(shù)

早期的數(shù)字化車間存在生產(chǎn)效率低下，企業(yè) ERP 系統(tǒng)無法及時(shí)得到數(shù)字化車間數(shù)據(jù)、車間倉庫運(yùn)行效率低，數(shù)據(jù)不精確、無法追溯產(chǎn)品的各類信息等。通過借助條碼識(shí)別系統(tǒng)，有效的管理人員、工單、部件、半成品、產(chǎn)品、工序及生產(chǎn)過程等信息。通過條碼掃描技術(shù)，對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行識(shí)別、跟蹤與記錄，減少人工輸入產(chǎn)品信息導(dǎo)致的錯(cuò)誤，提高企業(yè)生產(chǎn)過程信息的完整性、安全性與可追溯性。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

建立基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)的數(shù)字化車間集成平臺(tái)，以及設(shè)備和管理者網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)采集和大數(shù)據(jù)分析等方式，采用APS 高級(jí)計(jì)劃排程、RFID 射頻識(shí)別技術(shù)、基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及條碼識(shí)別技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的辦公管理、綜合管理、生產(chǎn)管理、訂單管理、庫存管理、材料管理、檢驗(yàn)管理、設(shè)備管理等方面的集成一體化智能控制系統(tǒng)。通過使用 MES 的排產(chǎn)報(bào)工功能對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，反饋到數(shù)據(jù)庫中，對(duì) ERP 進(jìn)行同步更新，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。為了保證系統(tǒng)的正常使用與維護(hù)，需要對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行不同權(quán)限的設(shè)置與分配，主要設(shè)置了系統(tǒng)管理員、技術(shù)員、計(jì)劃員、生產(chǎn)線長、工具物料管理人員、操作工、車間管理人員等角色，不同的角色都擁有不同級(jí)別的使用權(quán)限和對(duì)應(yīng)的工作職能，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫的邏輯運(yùn)算可將接收到的信息進(jìn)行分類，并將任務(wù)指派到不同的角色，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理工作的穩(wěn)定進(jìn)行。

五、結(jié)束語

綜上所述，本研究打通了企業(yè)管理與生產(chǎn)整個(gè)過程中的信息孤島，利用MES 使生產(chǎn)車間執(zhí)行系統(tǒng)與 ERP 企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)等企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行無縫銜接與集成，做到及時(shí)反映企業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)情況與實(shí)時(shí)反映車間生產(chǎn)執(zhí)行進(jìn)度；利用 APS 高級(jí)自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的自動(dòng)排產(chǎn)與人工排產(chǎn)相結(jié)合的快速排產(chǎn)，通過圖形化的技術(shù)手段，為數(shù)字化車間生產(chǎn)提供高效、實(shí)用與集約的生產(chǎn)排產(chǎn)計(jì)劃；通過 ERP 企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)的能力平衡流程，完成對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與資源的合理調(diào)配，提高生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確性和可執(zhí)行性。同時(shí)，由于時(shí)間、資源等客觀資源的限制，目前所做的工作還不夠全面。本項(xiàng)目的研究對(duì)象僅限為機(jī)械加工行業(yè)數(shù)字化車間，而對(duì)于不同的制造型企業(yè)而言，其車間的生產(chǎn)流程與自動(dòng)化水平均是不同的，因此如何提高數(shù)字化車間的通用性與適用性，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工行業(yè)信息化管理水平，需要進(jìn)一步研究。