智能制造執(zhí)行系統(tǒng)在特種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉宮昊，叢 森，應(yīng)小昆，金 陽(yáng)，張曉華，劉 燕，劉 芳

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司，吉林 吉林 132000)

近年來(lái)，信息化、智能化生產(chǎn)已逐漸成為企業(yè)發(fā)展建設(shè)的重要工作。對(duì)企業(yè)而言，信息化轉(zhuǎn)型是企業(yè)應(yīng)對(duì)激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的有力武器。從國(guó)家層面，美、日等國(guó)家相繼出臺(tái)智能制造有關(guān)戰(zhàn)略。我國(guó)提出“中國(guó)制造2025”，將智能制造確定為振興工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵[1-2]。

美國(guó)一家公司在20世紀(jì)末提出MES(Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng))這一概念[3-4]。MES主要面向生產(chǎn)車間[5]，用于加強(qiáng)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行層面的控制，對(duì)上鏈接ERP(Enterprise Resource Planning)，對(duì)下則與車間乃至每個(gè)生產(chǎn)單元鏈接[6]，是企業(yè)智能化建設(shè)重要的組成部分。MES關(guān)注企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互的方式獲取計(jì)劃執(zhí)行、產(chǎn)品流轉(zhuǎn)、質(zhì)檢信息等數(shù)據(jù)，并輸出整個(gè)業(yè)務(wù)流程的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)生產(chǎn)指令，幫助企業(yè)進(jìn)行精細(xì)化管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化資源調(diào)度，確保生產(chǎn)安全[7]。

當(dāng)前，MES已在國(guó)內(nèi)諸如紡織業(yè)[8]、石油化工[9]等眾多領(lǐng)域得以成功應(yīng)用，美、德等國(guó)的電力電子、航空航天等行業(yè)也有開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)MES系統(tǒng)的報(bào)道[10]。本文以吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司為例，對(duì)MES在特種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用開(kāi)展研究。針對(duì)特種工業(yè)生產(chǎn)的各種特點(diǎn)，在普適MES系統(tǒng)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地個(gè)性化定制了系統(tǒng)模塊和功能，尤其優(yōu)化了智能排產(chǎn)和可視化等功能，使其更能適應(yīng)特種工業(yè)生產(chǎn)需要。結(jié)果表明，MES能有效助力特種工業(yè)生產(chǎn)，幫助企業(yè)進(jìn)行信息化轉(zhuǎn)型。

1 系統(tǒng)概述

吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司MES系統(tǒng)建設(shè)，關(guān)注從原材料進(jìn)入車間到產(chǎn)品離開(kāi)車間整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的業(yè)務(wù)流程，通過(guò)車間現(xiàn)場(chǎng)工位機(jī)、掃碼槍、MDC模塊、液晶顯示器等現(xiàn)場(chǎng)信息采集與展示模塊和集成的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間生產(chǎn)計(jì)劃的管理和控制，從而建立起規(guī)范的車間生產(chǎn)管理信息平臺(tái)，完成企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制層和管理層的信息交互。在建設(shè)過(guò)程中，針對(duì)暴露出的系統(tǒng)手工派工任務(wù)繁重、數(shù)據(jù)展示方式單一、部分非主線流程未納入系統(tǒng)等問(wèn)題，深入完善提高整個(gè)系統(tǒng)的可視化及自動(dòng)化水平，并根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化、界面優(yōu)化及功能優(yōu)化升級(jí)等。

MES系統(tǒng)連接EPR和控制層，MES接收來(lái)自EPR的生產(chǎn)計(jì)劃并分發(fā)至控制層，同時(shí)輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指令，兼具生產(chǎn)跟蹤、技術(shù)維護(hù)、質(zhì)量維護(hù)和部門(mén)管理等功能，其系統(tǒng)流程如圖1所示。MES系統(tǒng)是生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈和工程技術(shù)的交叉點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 MES系統(tǒng)主流程

硬件架構(gòu)方面，本系統(tǒng)分為IT機(jī)房、車間辦公室和車間等3層。層間通過(guò)以太網(wǎng)連接，IT機(jī)房主要部署數(shù)據(jù)服務(wù)器和系統(tǒng)服務(wù)器，車間辦公室主要部署PC工作站，用于車間計(jì)劃員導(dǎo)入生產(chǎn)計(jì)劃，并監(jiān)控車間生產(chǎn)進(jìn)度。車間則主要布置生產(chǎn)看板、掃碼槍和派工工作站、打印機(jī)等，用于信息顯示、錄入和生產(chǎn)人員管理。

軟件層面，項(xiàng)目后臺(tái)使用的Java技術(shù)有較高的安全性和可移植性，同時(shí)通過(guò)REST框架和自研的架構(gòu)保證了業(yè)務(wù)處理的流暢性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)庫(kù)則使用了最為穩(wěn)定的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)安全級(jí)別和處理速度均非常優(yōu)秀。前臺(tái)使用了較為成熟的ExtJS框架來(lái)開(kāi)發(fā)，保證了頁(yè)面的風(fēng)格統(tǒng)一，兼容性較強(qiáng)，通過(guò)WebSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)消息的實(shí)時(shí)推送，采用Vue框架搭建了可視化大屏幫助企業(yè)直觀地了解生產(chǎn)情況。系統(tǒng)還使用了一些3Dthreejs技術(shù)，將車間通過(guò)三維的形式展現(xiàn)生產(chǎn)情況，并應(yīng)用了人臉識(shí)別技術(shù)以支持操作人員人臉登錄。

2 功能設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)主要包含16個(gè)功能模塊(基本數(shù)據(jù)管理、零件工藝相關(guān)、質(zhì)量管理相關(guān)、計(jì)劃-派工-發(fā)料、定額-班產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)管理-生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)管理-質(zhì)檢、生產(chǎn)情況、生產(chǎn)監(jiān)控、二類管理、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、人力資源、設(shè)備資源、文檔管理、報(bào)警管理、ERP集成管理)以及一系列子模塊。

根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展目標(biāo)，吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司的MES系統(tǒng)最終達(dá)到如下幾方面管理要求。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)。主要實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)參數(shù)、工位信息、部門(mén)架構(gòu)、軍種信息、用戶及權(quán)限等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的定義和修改，幫助企業(yè)更好監(jiān)督、維護(hù)基本發(fā)展情況。企業(yè)可以根據(jù)發(fā)展與實(shí)際生產(chǎn)需要，實(shí)時(shí)添加和修改產(chǎn)品類型、零件清單及工藝。

2)車間計(jì)劃與排產(chǎn)?？紤]到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在科研試制件、加急件等高機(jī)動(dòng)產(chǎn)品，MES系統(tǒng)允許企業(yè)隨時(shí)調(diào)整其生產(chǎn)方案，以適應(yīng)生產(chǎn)的不確定性。系統(tǒng)接收來(lái)自EPR的生產(chǎn)計(jì)劃后，可以對(duì)其進(jìn)行拆分并派工，生產(chǎn)人員根據(jù)工藝，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行派工，其排產(chǎn)功能如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)單元排產(chǎn)

3)現(xiàn)場(chǎng)管理與監(jiān)控。MES系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的信息，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將工廠車間通過(guò)三維的形式展示出來(lái)，每一臺(tái)設(shè)備都根據(jù)MDC采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備，管理人員可以了解設(shè)備的派工信息、加工記錄等信息。同時(shí)，MES系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的情況進(jìn)行詳細(xì)的展示，包括拆分的流轉(zhuǎn)單批數(shù)、每個(gè)流轉(zhuǎn)單的加工情況，以及工序上工人的加工情況，方便生產(chǎn)人員快速直觀地了解計(jì)劃的執(zhí)行情況。

4)質(zhì)量管理。MES能有效提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，主要通過(guò)其質(zhì)量管理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)品加工完成后，系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行判定，對(duì)于不合格產(chǎn)品，首先判斷其缺陷相，確定報(bào)廢的具體原因后，發(fā)出不合格產(chǎn)品通知單，同時(shí)決定處理辦法。

結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求，為滿足科研試制等任務(wù)的需要，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件，MES系統(tǒng)總體功能架構(gòu)分3個(gè)層次。數(shù)據(jù)采集層：以設(shè)備聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，輔以現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)終端人工采集手段，以條碼、二維碼為載體，實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)層：提供工序計(jì)劃、作業(yè)排程、任務(wù)分派、品質(zhì)記錄與追溯、設(shè)備管理等完整覆蓋現(xiàn)場(chǎng)管理需求的可定制化應(yīng)用組件。數(shù)據(jù)應(yīng)用層：以電子看板和移動(dòng)終端為主要載體，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、分析、追溯、預(yù)測(cè)、預(yù)警、模擬等數(shù)字化應(yīng)用，電子看板如圖3所示。同時(shí)在系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注重不斷發(fā)展和具有超前意識(shí)。

圖3 MES電子看板

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

為了更好地適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)要求，在一般MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其功能進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化開(kāi)發(fā)，以體現(xiàn)系統(tǒng)個(gè)性化、專業(yè)化。主要分為智能排產(chǎn)和可視化兩方面。

3.1 智能排產(chǎn)

排產(chǎn)是MES重要功能之一，很好地解決了傳統(tǒng)排產(chǎn)過(guò)程繁瑣復(fù)雜的問(wèn)題，極大地解放了管理和操作人員。然而，在多批次、多工序、多設(shè)備條件下，一般MES系統(tǒng)的排產(chǎn)功能仍顯捉襟見(jiàn)肘，如何最大化生產(chǎn)效率，進(jìn)一步優(yōu)化排產(chǎn)過(guò)程，仍是需要解決的問(wèn)題。

智能排產(chǎn)是在計(jì)算機(jī)輔助下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)，即根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，由系統(tǒng)通過(guò)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)排產(chǎn)。操作者創(chuàng)建任務(wù)后，只需對(duì)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)，即可導(dǎo)出排產(chǎn)結(jié)果，其操作流程和排產(chǎn)界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 智能排產(chǎn)流程

圖5 智能排產(chǎn)操作界面

對(duì)于排產(chǎn)方案來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)根據(jù)方案的得分來(lái)評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣。通常而言，系統(tǒng)的約束條件不止一個(gè)，通過(guò)調(diào)整不同約束條件的權(quán)重，方案得分由式(1)得出：

score =X1×W1+X2×W2+X3×W3+ ...

(1)

式中，X1是約束1的計(jì)算得分；W1是約束1的權(quán)重；X2是約束2的計(jì)算得分；W2是約束2的權(quán)重；X3是約束3的計(jì)算得分；W3是約束3的權(quán)重；以此類推。

對(duì)于不同的排產(chǎn)策略，可以選擇以設(shè)備利用率優(yōu)先或任務(wù)時(shí)間優(yōu)先，系統(tǒng)將在可行解中自動(dòng)選擇滿足策略的排產(chǎn)方案。當(dāng)然，在實(shí)際排產(chǎn)過(guò)程中，由于計(jì)算最優(yōu)解通常運(yùn)算量過(guò)大，為了縮短排產(chǎn)的運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算出可行解即可。

3.2 可視化

可視化可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為直觀的呈現(xiàn)，同時(shí)也能幫助用戶便捷操作。吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司的MES系統(tǒng)中，可視化分為工藝可視化、生產(chǎn)可視化與數(shù)據(jù)可視化。

工藝可視化：工藝上傳到系統(tǒng)后，可以在屏幕上直觀呈現(xiàn)，方便操作者對(duì)于工藝版本、狀態(tài)進(jìn)行編輯，其操作界面如圖6所示。同時(shí)，工人在工控機(jī)選擇派工任務(wù)之后，系統(tǒng)自動(dòng)顯示該派工任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝文檔。如果是PDF格式的文檔，可以直接在網(wǎng)頁(yè)上打開(kāi)。除了自動(dòng)顯示工藝文檔外，在工控機(jī)上還可以查看其他零件的工藝文檔。工人只需輸入零件號(hào)搜索工藝文檔，即可查看所需要的工藝的文檔。

生產(chǎn)可視化：通過(guò)二維、三維模型，實(shí)時(shí)顯示車間生產(chǎn)狀況，其顯示界面如圖7所示。通過(guò)該可視化界面可以監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備負(fù)荷、人員負(fù)荷等。同時(shí)，該可視化界面有高度可編輯性和可操作性，不僅可以自由放大縮小，調(diào)整角度，還可以調(diào)整界面的顯示內(nèi)容，將所有的生產(chǎn)任務(wù)在一個(gè)可見(jiàn)范圍內(nèi)集中展示。如果對(duì)某個(gè)生產(chǎn)任務(wù)感興趣，可以在監(jiān)控界面標(biāo)識(shí)該生產(chǎn)任務(wù)，標(biāo)識(shí)的生產(chǎn)任務(wù)會(huì)自動(dòng)閃爍。同時(shí)，通過(guò)圖形化界面可以以直觀的方式來(lái)批量排產(chǎn)，或由監(jiān)控所顯示的設(shè)備、人員的負(fù)荷，自由調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)。

圖6 可視化工藝文檔與三維模型

圖7 車間實(shí)時(shí)生產(chǎn)界面

數(shù)據(jù)可視化：數(shù)據(jù)可視化主要體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的圖表展示。通過(guò)曲線圖、柱狀圖、餅圖等多種方式展現(xiàn)零件的加工、質(zhì)量數(shù)據(jù)。具體而言，有如下幾個(gè)方面。

1)通過(guò)圖表等多種方式直觀展現(xiàn)生產(chǎn)的加工、質(zhì)檢數(shù)據(jù)。

2)分析同一工序不同人員、設(shè)備組合下的加工時(shí)間，便于提高加工效率。

3)質(zhì)量分析，對(duì)不合格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。

4)對(duì)工人工資的組成進(jìn)行分析，便于員工激勵(lì)管理。

最后，將數(shù)據(jù)可視化與生產(chǎn)看板有機(jī)結(jié)合，不僅使數(shù)據(jù)顯示更直觀，還提升了生產(chǎn)透明性，進(jìn)一步方便管理者進(jìn)行監(jiān)控與操作。

4 結(jié)語(yǔ)

制造執(zhí)行系統(tǒng)能夠幫助企業(yè)更好地精細(xì)化管理，優(yōu)化生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量，打通頂層ERP與實(shí)際生產(chǎn)單元之間的路徑。MES系統(tǒng)的建立是企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要工作，吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司MES系統(tǒng)的成功落地實(shí)施是推動(dòng)特種工業(yè)生產(chǎn)智能化、信息化的良好例證。同時(shí)，如何進(jìn)一步整合生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)掘應(yīng)用深度，實(shí)現(xiàn)MES與企業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合，乃至完善MES產(chǎn)業(yè)體系，仍需進(jìn)一步研究和實(shí)踐。