面向選礦生產(chǎn)流程的MES工廠模型映射方法研究

王建國 朱江

1. 中國銅業(yè)有限公司 云南 昆明 650051；

2. 中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016；

3. 中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院 遼寧 沈陽 110016

引言

選礦流程生產(chǎn)模式包括流程行業(yè)的連續(xù)型生產(chǎn)和離散行業(yè)的分散式區(qū)域生產(chǎn)。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）作為制造業(yè)常用的一種生產(chǎn)管控系統(tǒng)，其中工廠建模功能是制造執(zhí)行系統(tǒng)重要基礎(chǔ)功能，對工廠的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工序進行建模，通過模型來為其他業(yè)務(wù)模塊如生產(chǎn)計劃、質(zhì)量管理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[1]。在現(xiàn)有工廠建模技術(shù)中，一般對串行的連續(xù)工序可以清晰地描述[2]。但在實際制造業(yè)生產(chǎn)中，串行結(jié)合離散式的生產(chǎn)線比比皆是，現(xiàn)有建模技術(shù)對這種混合式生產(chǎn)流程支撐不足，無法定義工序與工序、設(shè)備與設(shè)備之間一對多、多對一、多對多的關(guān)系，無法定義剛性生產(chǎn)線、并行生產(chǎn)工序。綜上所述，如何對混合流程生產(chǎn)模式進行工廠建模，通過模型描述復雜工序關(guān)系，是目前技術(shù)人員急需解決的問題。

1 方法總述

針對面向選礦流程生產(chǎn)模式的工廠模型映射方法，通過定義選礦流程生產(chǎn)模式下復雜工序之間的綁定關(guān)系，為其他業(yè)務(wù)模塊提供基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)。主要方法為通過拖拽方式建立物理模型和邏輯模型，根據(jù)工序?qū)ξ锢砟Ｐ秃瓦壿嬆Ｐ瓦M行綁定，實現(xiàn)二者之間的映射。主要分為物理模型、邏輯模型、模型映射三個模塊[3]。

2 物理模型

存在依次所屬關(guān)系的物理節(jié)點構(gòu)成物理模型，多個物理節(jié)點分別表示集團、公司、部門、區(qū)域/生產(chǎn)線組、子區(qū)域/生產(chǎn)線、生產(chǎn)單元和設(shè)備。所述生產(chǎn)單元具有類型屬性和人員屬性，所述類型屬性用于表示為生產(chǎn)類、倉儲類、質(zhì)檢類；所述人員屬性用于表示在生產(chǎn)單元工作的人員。統(tǒng)一節(jié)拍的多個生產(chǎn)單元構(gòu)建為剛性生產(chǎn)單元組，剛性生產(chǎn)線組中的生產(chǎn)單元生產(chǎn)節(jié)拍一致，同時開工、同時結(jié)束，對于剛性生產(chǎn)單元組，獲取包含多個節(jié)點的剛性生產(chǎn)單元組邊框左上角坐標、右下角坐標，得到覆蓋區(qū)域，生成囊括所選節(jié)點的外層區(qū)域框，將該區(qū)域框中的所有生產(chǎn)單元節(jié)點綁定為同一生產(chǎn)節(jié)拍。

物理模型是對工廠的區(qū)域、設(shè)備等實物的實際位置與連接建模，將物理模型劃分為7個層次，從上至下分別為集團、公司、部門、區(qū)域/生產(chǎn)線組、子區(qū)域/生產(chǎn)線、生產(chǎn)單元和設(shè)備。其中一至三層集團、公司、部門表示一個工廠的組織結(jié)構(gòu)。其中四至七層表示一個工廠的物理布局。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）的圖形化操作界面拖拽方框和連線。方框表示物理模型中的節(jié)點，連線表示節(jié)點與節(jié)點之間的方向。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）提供七種方框，每種方框代表物料模型中的一層節(jié)點。其中第一層節(jié)點表示集團，第二層節(jié)點表示集團下面的公司，第三層節(jié)點表示公司下面的部門，第四層節(jié)點表示部門下面的區(qū)域組或者生產(chǎn)線組。只有生產(chǎn)部門具有區(qū)域組或者生產(chǎn)線組，管理部門沒有，所以僅有生產(chǎn)部門節(jié)點可以配置第四層節(jié)點，第五層節(jié)點表示區(qū)域組或者生產(chǎn)線組下面的一塊區(qū)域或者一條生產(chǎn)線，第六層節(jié)點表示一塊區(qū)域或者一條生產(chǎn)線下面的生產(chǎn)單元，第七層節(jié)點表示生產(chǎn)單元下面的設(shè)備。

圖1 物理模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 物理模型實施實例圖

3 邏輯模型

首先定義產(chǎn)品工藝路線，產(chǎn)品工藝路線屬性包括ID、編碼、名稱、版本、創(chuàng)建日期、創(chuàng)建人。根據(jù)工藝建立工序節(jié)點，每一個節(jié)點表示一個工序，工序節(jié)點屬性包括工序ID 、工序編碼、工序名稱；工序節(jié)點與工序節(jié)點設(shè)置連接線，并使連接線具備方向，以表示工序進行的方向。選擇兩個或以上的工序節(jié)點構(gòu)成并行工序組，所述并行工序組的決策類型包括操作員決策、任一完成和同時完成；所述操作員決策，用于表示人為決定選擇某一工序執(zhí)行；所述任一完成，用于表示由任一工序執(zhí)行；所述同時完成，用于表示并行工序組內(nèi)全部工序完成。統(tǒng)一節(jié)拍的一組工序構(gòu)成剛性工序組，所述剛性工序組中的工序生產(chǎn)節(jié)拍一致，同時開工、同時結(jié)束；對于剛性工序組，獲取包含多個節(jié)點的剛性工序組邊框左上角坐標、右下角坐標，得到覆蓋區(qū)域，生成囊括所選節(jié)點的外層區(qū)域框；將該區(qū)域框中的所有工序節(jié)點綁定為同一生產(chǎn)節(jié)拍。對于某工序出現(xiàn)不合格品的異常情況時，在該工序建立一條不合格品處理工藝路線：以該工序為起始工序和終止工序，拖拽建立多個附加工序節(jié)點并連線，以表示工序執(zhí)行方向，該工序與多個附加工序節(jié)點構(gòu)成不合格品處理工藝路線；存儲該工序ID、不合格品處理工藝路線ID作為工序與不合格品處理工藝路線的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 邏輯模型實施實例圖

通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的圖形化操作界面對邏輯模型中的節(jié)點和連線進行定義與存儲。建立產(chǎn)品工藝路線，產(chǎn)品工藝路線屬性包括ID、編碼、名稱、版本、創(chuàng)建日期、創(chuàng)建人等。拖拽工序節(jié)點的方框，定義工序節(jié)點的具體節(jié)點名稱，如XXX工序。存儲工序節(jié)點的ID，編碼，名稱，節(jié)點長度、節(jié)點寬度、節(jié)點位置X軸坐標、節(jié)點位置Y軸坐標，節(jié)點圖標地址，z軸坐標。通過節(jié)點長度、節(jié)點寬度、節(jié)點位置X軸坐標、節(jié)點位置Y軸坐標，定義方框。計算機屏幕橫向為x軸，縱向為y軸，z軸就是垂直計算機屏幕的軸，z越大，越靠近人這個方向，越小就越遠離人。計算機屏幕的z軸坐標為0，越往屏幕里越小。拖拽連接線，連接工序節(jié)點與工序節(jié)點，系統(tǒng)存儲開始節(jié)點ID，結(jié)束節(jié)點ID，折點橫坐標、折點縱坐標。在邏輯模型中，對工序節(jié)點進行說明如下。工序節(jié)點具有類型屬性，分別為生產(chǎn)類、倉儲類、質(zhì)檢類。系統(tǒng)存儲工序節(jié)點ID，類型ID作為工序與其類型的關(guān)系。質(zhì)檢類的工序節(jié)點具有質(zhì)檢項目屬性。質(zhì)檢項目配置質(zhì)檢標準。質(zhì)檢標準分為普通型、數(shù)值型和選項性。普通型表示以文本作為質(zhì)檢結(jié)果。數(shù)值型表示以數(shù)值作為質(zhì)檢結(jié)果，需要配置上限值、標準值、下限值。選項性表示以選項值作為質(zhì)檢結(jié)果，需要配置選項數(shù)量和內(nèi)容。對并行工序組進行說明如下。一組并行生產(chǎn)工序可以被定義為并行工序組。并行工序組具有決策類型屬性，包括操作員決策、任一完成和同時完成。當生產(chǎn)任務(wù)按照工藝路線走到并行工序組時，根據(jù)并行工序組類型進行任務(wù)執(zhí)行。如果并行工序組類型是操作員決策，生產(chǎn)任務(wù)具體由哪個工序執(zhí)行，由操作員決定。如果并行工序組類型是任一完成，生產(chǎn)任務(wù)在任一工序完成就算完成。如果并行工序組類型是同時完成，生產(chǎn)任務(wù)在全部工序完成才算完成。對并行工序組的實施方法進行說明如下。顯而易見地，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的圖形化操作界面對節(jié)點與連線進行創(chuàng)建。對于并行工序組，拖動一個方框?qū)⒉⑿泄ば蚪M中的工序節(jié)點包圍。實現(xiàn)方法為，對于并行工序組，獲取組內(nèi)左上角節(jié)點左上角橫坐標、縱坐標，右下角節(jié)點右下角橫坐標、縱坐標，計算出覆蓋區(qū)域，添加邊框?qū)挾?，生成囊括所選節(jié)點的外層區(qū)域框大小。這個框位于工序節(jié)點底層，所以該節(jié)點Z軸坐標為生產(chǎn)單元節(jié)點Z軸坐標減1。并行工序組內(nèi)的工序節(jié)點具有組編碼屬性，組編碼為相同編碼，即表示同一組編碼的工序節(jié)點為一個并行工序組。對剛性工序組的實施方法進行說明如下。顯而易見地，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的圖形化操作界面對節(jié)點與連線進行創(chuàng)建。對于剛性工序組，拖動一個方框?qū)傂怨ば蚪M中的工序包圍。實現(xiàn)方法為，對于剛性工序組，獲取組內(nèi)左上角節(jié)點左上角橫坐標、縱坐標，右下角節(jié)點右下角橫坐標、縱坐標，計算出覆蓋區(qū)域，添加邊框?qū)挾?，生成囊括所選節(jié)點的外層區(qū)域框大小。這個框位于生產(chǎn)單元節(jié)點底層，所以該節(jié)點Z軸坐標為工序節(jié)點Z軸坐標減1。剛性工序組內(nèi)的工序節(jié)點具有組編碼屬性，組編碼為相同編碼，即表示同一組編碼的工序節(jié)點為一個剛性工序組。

4 模型映射

建立產(chǎn)品工藝路線后，在工序中選擇物理模型中的生產(chǎn)單元，完成邏輯與物理的綁定，選擇邏輯模型中的一個工序節(jié)點，觸發(fā)物理模型生產(chǎn)單元列表，在列表中選擇一個或者多個生產(chǎn)單元；存儲邏輯模型的工序節(jié)點與物理模型的生產(chǎn)節(jié)點之間的對應(yīng)關(guān)系，包括工序ID，工序編碼、工序名稱、生產(chǎn)單元ID、生產(chǎn)單元編碼、生產(chǎn)單元名稱。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的圖形化操作界面對生產(chǎn)單元與工序進行綁定。選擇產(chǎn)品工藝路線中的某一工序，選擇若干生產(chǎn)單元，工序與生產(chǎn)單元為一對多的關(guān)系。表示該工序可以在若干生產(chǎn)單元上進行生產(chǎn)。系統(tǒng)存儲工序ID、生產(chǎn)單元ID作為工序與生產(chǎn)單元的綁定關(guān)系。對剛性工序組綁定剛性生產(chǎn)單元組進行如下說明。選擇產(chǎn)品工藝路線中的某一剛性工序組，選擇剛性生產(chǎn)單元組的某一剛性生產(chǎn)單元組。系統(tǒng)校驗剛性工序組中的工序數(shù)量和剛性生產(chǎn)單元組的生產(chǎn)單元數(shù)量，工序數(shù)量必須小于等于生產(chǎn)單元數(shù)量。如果工序數(shù)量與生產(chǎn)單元數(shù)量相等，系統(tǒng)將工序與生產(chǎn)單元一對一自動綁定，存儲工序ID與生產(chǎn)單元ID。如果工序數(shù)量小于生產(chǎn)單元數(shù)量，人工對工序與生產(chǎn)單元進行綁定。剛性工序組中的工序只能與選擇的剛性生產(chǎn)單元組中的生產(chǎn)單元進行綁定，不能與選擇的剛性生產(chǎn)單元組中生產(chǎn)單元以外的生產(chǎn)單元進行綁定。即如果某一剛性工序組中的工序綁定了某一剛性生產(chǎn)單元組的生產(chǎn)單元，那么這個剛性工序組中的其他工序只能和這個剛性生產(chǎn)單元組的生產(chǎn)單元進行綁定。

圖4 選礦生產(chǎn)模型圖

通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的圖形化操作界面建立邏輯模型。為邏輯模型中的每一工序選擇物理模型中的生產(chǎn)單元。如圖所示，說明選礦廠典型生產(chǎn)流程。D1球磨機下游設(shè)備為D2一次旋流器給礦箱。D2一次旋流器給礦箱下游設(shè)備D3一次旋流器。D3一次旋流器下游設(shè)備D4和D5，同時D3一次旋流器可以返回給D1球磨機。D4和D5為并行設(shè)備，都可以承接D3。D3和D4、D5為1對多的關(guān)系。D4和D5下游設(shè)備為D6二次旋流給礦箱。D4、D5和D6位多與1的關(guān)系。D6下游設(shè)備為D7二次旋流器1#和D8二次旋流器2#。D7、D8的下游設(shè)備為D9、D10、D11、D12.D9、D10、D11、D12位并行關(guān)系。D7、D8與D9、D10、D11、D12為多對多關(guān)系。這樣就實現(xiàn)了工序之間的關(guān)系，實現(xiàn)了工序上下游的一對多，多對一，多對多。

5 結(jié)束語

通過本文論述的建模方法，能夠描述工序之間、設(shè)備之間的多對多關(guān)系，能夠描述剛性生產(chǎn)線及并行產(chǎn)線，簡化了制造執(zhí)行系統(tǒng)中組織機構(gòu)與物理模型的常用配置方法。