智能涂裝 MES系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)

廉迎戰(zhàn) 向德志 羅聲權(quán) 田宏鑫

摘要：涂裝智能化制造系統(tǒng)（MES）作為一種自動(dòng)控制執(zhí)行系統(tǒng)是智能工廠構(gòu)建過(guò)程中不可或缺的技術(shù)之一，可有效地強(qiáng)化過(guò)程管理和控制，達(dá)到精細(xì)化管理目的。隨著涂裝生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變及智能化涂裝的推進(jìn)，使得 MES軟件的重要性日益增加。以涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件的應(yīng)用及功能為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，分析涂裝 MES系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，對(duì)計(jì)劃排程、智能監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控等系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為完善涂裝企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和制造過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化提供參考。

關(guān)鍵詞：涂裝;智能化;MES系統(tǒng)軟件

中圖分類號(hào)：TP273???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0162-05

Analysis and Design of Intelligent Coating MES System Software Lian Yingzhan1，Xiang Dezhi2，Luo Shengquan1，Tian Hongxin1

（1. Automation College， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As an automatic control execution system， coating intelligent manufacturing system （MES） is one of the indispensable technologies in the construction of intelligent factory. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of fine management. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of refined management. With the transformation of coating production mode and the advancement of intelligent coating， the importance of coating intelligent manufacturing system （MES） software is increasing. Based on the application and function of coating intelligent manufacturing system software， the overall structure and network construction scheme of coating MES system were analyzed， and the system functional modules such as planning and scheduling， intelligent monitoring and equipment monitoring were described in detail， which a reference was provided for improving the digital design ability of coating enterprises and realizing the standardization and automation of products and manufacturing process.

Key words： painting; intelligence; MES system software

0 引言

針對(duì)汽車行業(yè)、裝備制造業(yè)、五金制品業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)性的裝備涂裝生產(chǎn)過(guò)程、品質(zhì)管理及設(shè)備管理等需求，利用機(jī)器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的涂裝智能數(shù)字化工廠[1-2]，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上機(jī)器、物料、系統(tǒng)、產(chǎn)品、人等參與主體各類要素信息的泛在感知、互聯(lián)互通、云端匯聚等功能，加快企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的高效管控、智能分析和科學(xué)決策，推動(dòng)企業(yè)智能、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造和服務(wù)。把先進(jìn)制造企業(yè)的信息化、自動(dòng)化制造管理模式，使得企業(yè)生產(chǎn)與企業(yè)實(shí)際接軌，提升生產(chǎn)智能化水平。總體目標(biāo)就是在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)+遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)過(guò)程管理與控制，打造適合中國(guó)國(guó)情的涂裝智能數(shù)字工廠。

構(gòu)建智能工廠的基礎(chǔ)及核心為信息化及自動(dòng)化管理，通過(guò) MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP 資源計(jì)劃系統(tǒng)、WMS倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以及智能化自動(dòng)化等設(shè)備的互聯(lián)互通、高效協(xié)同實(shí)現(xiàn)[3-4]。作為涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺(tái)的重要組成部分——涂裝智能化制造系統(tǒng)（EMS）軟件融合 PLM （產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理平臺(tái)）的智能化設(shè)計(jì)制造平臺(tái)的搭建，完善涂裝企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)能力，利用涂裝產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和制造過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化，解決涂裝產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造與 ERP 等其他企業(yè)信息系統(tǒng)的整合應(yīng)用。

1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可分為管理端、現(xiàn)場(chǎng)端兩部分，為保障生產(chǎn)線的正常運(yùn)行以及提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和擴(kuò)展性，采用分布式方式部署，將數(shù)據(jù)分散部署在多臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備上[5]。如圖1所示。

管理端 PC Server主要用于部署 MES數(shù)據(jù)庫(kù)、管理端應(yīng)用，同時(shí)對(duì)于管理端維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃內(nèi)容，可以自動(dòng)同步到現(xiàn)場(chǎng)端，管理端采用 B/S架構(gòu)，支撐聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示。

現(xiàn)場(chǎng)端 PC Server主要用于部署 MES客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)、客戶端應(yīng)用，用于現(xiàn)場(chǎng)客戶端的管理，一方面負(fù)責(zé)同步管理端的計(jì)劃、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)連接生產(chǎn)線，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、打包之后同步至管理端。

涂裝 MES系統(tǒng)軟件服務(wù)器部署及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖1所示，為保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定性，如果管理端出現(xiàn)異?；蚓W(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)端支持單獨(dú)運(yùn)行，比如生產(chǎn)計(jì)劃支持現(xiàn)場(chǎng)端的維護(hù)和調(diào)整，并保證數(shù)據(jù)的采集，待管理端恢復(fù)正常后，再將數(shù)據(jù)同步到管理端。

管理端、現(xiàn)場(chǎng)端的網(wǎng)段劃分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行配置。

2 涂裝 MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

引用先進(jìn)的現(xiàn)代化車間布局方式，在企業(yè)智能設(shè)備上安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將車間與生產(chǎn)、管理系統(tǒng)連接起來(lái)，打破信息孤島。在車間內(nèi)使用先進(jìn)的無(wú)紙化工廠管理模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備、生產(chǎn)、管理、市場(chǎng)等數(shù)據(jù)資源共享[5]。涂裝 MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件 DNC連接現(xiàn)場(chǎng)各自動(dòng)化設(shè)備、統(tǒng)一協(xié)調(diào)生產(chǎn)流程，同時(shí)支持智能終端、平板、電視大屏等設(shè)備顯示。

3 涂裝 MES系統(tǒng)軟件功能

涂裝 MES系統(tǒng)具有比較完整系統(tǒng)架構(gòu)和功能布局，同時(shí)模塊之間又可以通過(guò)權(quán)限、角色的配置，允許單模塊獨(dú)立使用，具有較為靈活配置的特點(diǎn)。項(xiàng)目過(guò)程中可以結(jié)合業(yè)務(wù)管控的范圍和實(shí)際情況，選擇匹配的功能模塊[6]。

涂裝 MES系統(tǒng)包括10個(gè)功能模塊：基礎(chǔ)建模、計(jì)劃排程、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、人員管理、現(xiàn)場(chǎng)管理、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控分析、系統(tǒng)管理。以下對(duì)系統(tǒng)功能模塊簡(jiǎn)要介紹。

（1） 基礎(chǔ)建模

系統(tǒng)提供物理建模、制程建模，將物理世界進(jìn)行數(shù)字化，支持后續(xù)的業(yè)務(wù)控制，權(quán)限區(qū)分，監(jiān)控/報(bào)表分層等。可以結(jié)合組織架構(gòu)實(shí)際進(jìn)行定義：集團(tuán)、分子公司、工廠、車間、生產(chǎn)線、工段、工位等?？梢越Y(jié)合產(chǎn)品的工藝流程進(jìn)行定義：產(chǎn)品、BOM、關(guān)鍵物料、組成關(guān)系、圖片及特性等。實(shí)現(xiàn)物理組織架構(gòu)、生產(chǎn)線與產(chǎn)品工藝流程的關(guān)聯(lián)，支持后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控分析，業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)處理等。

（2） 計(jì)劃排程

既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以與外圍管理系統(tǒng)進(jìn)行集成接口[7]。計(jì)劃排程具備工單管理、排程引擎、指令下發(fā)、例外管理等業(yè)務(wù)管控功能。計(jì)劃引擎的計(jì)算因子可以結(jié)合實(shí)際管理需要，進(jìn)行增補(bǔ)和調(diào)整，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。排程結(jié)果可以按照不同的顆粒度體現(xiàn)，比如可以按照批次、經(jīng)濟(jì)批量，也可以按照單件管理。同時(shí)對(duì)于排程的結(jié)果進(jìn)行可視化體現(xiàn)。排程結(jié)果可以依照規(guī)則與設(shè)備層實(shí)現(xiàn)集成互動(dòng)，能夠自動(dòng)將生產(chǎn)指令下發(fā)至設(shè)備層，并且結(jié)合管控需求設(shè)置不同的狀態(tài)，并根據(jù)約束進(jìn)行鎖定等。實(shí)時(shí)采集過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品過(guò)站、出站等管理。

（3） 設(shè)備管理

設(shè)備清單及明細(xì)管理，位置關(guān)聯(lián)等。可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集成連線、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)交互及過(guò)程控制。設(shè)備狀態(tài)、通訊等信息采集，預(yù)防性維護(hù)建議，現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備 Andon提報(bào)等。設(shè)備運(yùn)行效率及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

（4） 質(zhì)量管理

結(jié)合設(shè)備條件的過(guò)程質(zhì)量控制。過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，提供基本的分析圖示和原始數(shù)據(jù)。質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)歸檔，溯源查詢和檢索。自定義報(bào)告或分析報(bào)表。

（5）現(xiàn)場(chǎng)管理

現(xiàn)場(chǎng)管理的內(nèi)容可結(jié)合實(shí)際需要，支持客戶端二次開(kāi)發(fā)與調(diào)整，快速適應(yīng)?？蛻舳丝芍螌?shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)顯示、圖片調(diào)用、文字體現(xiàn)，并可以按照頻率、事件等自動(dòng)刷新，確保展示內(nèi)容的有效性。

（6）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的可配置架構(gòu)，支持快速的配置和擴(kuò)展。多種采集方式組合，滿足現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)管控需要。設(shè)備集成的代碼配置，數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換、比率縮放、含義等，滿足用戶識(shí)別，方便可讀性。數(shù)據(jù)采集展示內(nèi)容可自定義配置等。

（7） 監(jiān)控分析

系統(tǒng)可視化配置功能、報(bào)表工具等滿足監(jiān)控和分析需要。支持與監(jiān)控設(shè)備集成，滿足 LED、LCD、拼接電視等相關(guān)集成，實(shí)現(xiàn)可視化展示。

（8） 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)具有較為完整基本系統(tǒng)管理功能和系統(tǒng)安全策略，3個(gè)層面的設(shè)計(jì)：用戶/終端安全、訪問(wèn)控制、系統(tǒng)/數(shù)據(jù)安全。具有系統(tǒng)基礎(chǔ)管理功能，包括用戶、權(quán)限、菜單角色、工作流、單據(jù)配置等[8]。

4 涂裝 MES系統(tǒng)部分軟件界面

4.1 計(jì)劃排程軟件界面

系統(tǒng)可根據(jù)訂單及相關(guān)的工藝 BOM、工藝路線制定生產(chǎn)計(jì)劃。選擇“自動(dòng)排產(chǎn)”后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)帶出訂單信息中的“開(kāi)始時(shí)間”和“要求完成時(shí)間”，系統(tǒng)根據(jù)訂單時(shí)間以及每道工序的工時(shí)，按底層零件、首道工序優(yōu)先排產(chǎn)原則，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)零件每道工序的開(kāi)工日期和完工日期，如圖3所示。生產(chǎn)人員可根據(jù)需求，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行批量修改或是撤銷重排。生產(chǎn)計(jì)劃制定后，可以對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃做一些狀態(tài)的管控，生產(chǎn)計(jì)劃審核之后，才可以發(fā)布，生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)布之后，才可以根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行派工。

4.2 智能監(jiān)控界面

車間監(jiān)控軟件對(duì)車間內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備管理頁(yè)面[9]。設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)車間內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。監(jiān)控軟件根據(jù) RFID 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制輸送帶、機(jī)器人、AGV 小車、機(jī)床、加工中心等持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖4所示。車間監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示以下內(nèi)容。

（1） AGV小車數(shù)據(jù)：位置信息、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、報(bào)警信號(hào)等。

（2） 機(jī)器人數(shù)據(jù)：工作狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、報(bào)警信號(hào)等。

（3） 機(jī)床及加工中心：實(shí)時(shí)信息、報(bào)警信號(hào)、當(dāng)前程序號(hào)、NC加工進(jìn)度等，其他信息詳見(jiàn)機(jī)床監(jiān)控頁(yè)面。

（4） 倉(cāng)庫(kù)傳輸帶：運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)等。

4.3 設(shè)備監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備管理系統(tǒng)。設(shè)備管理系統(tǒng)不僅可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)生產(chǎn)工藝，從文檔發(fā)放系統(tǒng)獲得 NC 代碼，再將加工數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)床或加工中心。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括每臺(tái)設(shè)備的開(kāi)機(jī)、待機(jī)、報(bào)警、關(guān)機(jī)設(shè)備數(shù)量[10]，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)設(shè)備開(kāi)動(dòng)率?？梢圆榭丛O(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及當(dāng)天的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、工作曲線，包括轉(zhuǎn)速、負(fù)載和進(jìn)給參數(shù)。如圖5所示。

4.4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集界面

硬件采集機(jī)床是以傳感器+數(shù)據(jù)采集模塊的方式對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)加工信息進(jìn)行采集[11-12]。所采集的信息受到傳感器的限制，不如網(wǎng)卡采集機(jī)床那么多。硬件采集主要可以采集開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、主軸負(fù)荷、機(jī)床待機(jī)、加工狀態(tài)、三色燈狀態(tài)等，根據(jù)設(shè)備與采集硬件，采集信息與界面有所不同。如圖6所示。

4.5 統(tǒng)計(jì)圖表

設(shè)備統(tǒng)計(jì)圖表有助于更直觀、更清晰地展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況，有助于設(shè)備數(shù)據(jù)的分析。系統(tǒng)支持按時(shí)間段統(tǒng)計(jì)設(shè)備開(kāi)機(jī)率和利用率。在設(shè)備樹(shù)上選中設(shè)備，設(shè)定開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，可查詢?cè)O(shè)備在該時(shí)間段內(nèi)的開(kāi)機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、加工時(shí)間、待機(jī)時(shí)間，系統(tǒng)同時(shí)計(jì)算開(kāi)機(jī)率、利用率，并以餅圖或圖表的形式顯示。如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著涂裝車間自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的進(jìn)一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的需求，涂裝智能工廠的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。涂裝 MES系統(tǒng)軟件作為涂裝智能工廠發(fā)展過(guò)程中極為重要的一部分，將在實(shí)現(xiàn)管理端到現(xiàn)場(chǎng)端縱向貫通，從計(jì)劃調(diào)度管理到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的互聯(lián)互通以及建立支撐多公司、多組織、多工廠的數(shù)字化模型等方面發(fā)揮重要的作用[13-14]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要充分考慮涂裝生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中的需求，盡可能完善涂裝 EMS系統(tǒng)軟件的功能，軟件整體進(jìn)行合理的分析與設(shè)計(jì)。

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第一作者簡(jiǎn)介：廉迎戰(zhàn)（1963-），男，碩士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程，已發(fā)表論文23篇。

（編輯：刁少華）