基于MES的船舶建造數據采集系統研究

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(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

目前國內大型造船企業正在加快實施企業信息化建設，在計算機集成制造系統(computer integrated manufacturing systems,CIMS)開發利用上取得了較大進展，但基礎數據不扎實、信息流通慢，造成船舶企業普遍存在信息孤島和信息斷層的問題。為此，提出基于MES(manufacturing execution system)的船舶建造數據采集系統，作為整個MES的一個子系統，完成船舶建造現場實時數據采集任務，從而很好地解決以上問題。

1 MES關鍵問題描述

美國的咨詢調查公司(advanced manufacturing research，AMR)對MES給出的定義：MES是一個常駐工廠層的信息系統，介于企業領導層的計劃系統與主生產過程的直接工業控制系統之間。

它以當前視角向操作人員/管理人員提供生產過程的全部資源(人員、設備、材料、工具和客戶要求)的數據和信息。[1]

MES處于計劃層和現場之間的執行層，一方面將企業資源計劃層的命令進一步細化后，向生產過程發出制造指令；另一方面，將過程控制層收集到的實時信息反饋回業務管理層，作為以后編制生產計劃的依據，并對車間作業進行實時動態調度，將企業資源計劃和過程控制整合在一起，形成以ERP(enterprise resource planning)/MES/BCS(bottom control system)三層為核心的企業信息集成系統。

2 基于MES的數據采集系統分析

2.1 數據采集模塊功能描述

使用IDEFO(integration definition for function modeling)建立船舶數據采集系統的功能模型，描述系統構成及系統各模塊間的相互關系[2]。數據采集模塊的功能就是在計劃、工單、物料單等信息的支持下，收集生產過程中的各種數據，同時對這些數據進行存儲和處理，形成生產實時信息和生產過程信息，這個過程是由計算機系統和人工完成。

按照數據采集的對象，可以把數據采集功能模塊劃分為6個子模塊，見圖1。

1) 計劃數據采集模塊。負責采集與計劃相關的數據，包括廠級車間作業計劃信息、班組作業計劃信息以及各種計劃調整調度信息。

2) 工單數據采集模塊。負責采集與工單相關的數據，包括工單基本信息、派發信息、執行信息和調整信息。

3) 設備及工裝數據采集模塊。負責采集與設備及工裝相關的數據，包括設備基本信息、工裝基本信息、設備的使用信息、維修信息以及其他狀態信息。

4) 物料數據采集模塊。負責采集與物料相關的數據，包括物料基本信息、物料的狀態信息、位置信息、數量信息以及質量信息。

圖1 數據采集模塊功能模型圖

圖2 數據采集系統流程圖

5) 人員數據采集模塊。負責采集與人員相關的數據，包括人員基本信息、人員的出勤情況、人員的工作狀況。

6) 輔助數據采集模塊。負責采集與系統相關的其它數據，包括使用的制造信息、相關的工藝信息、工作日歷信息。

2.2 數據采集信息分析

在車間實際生產過程中，關心的信息包括：前工單的執行情況、設備的使用狀況、人員的狀態，以及物料的在制品存儲量信息。對需要采集的信息進行分類。

1) 指令類信息。各種生產指令，包括工單、領料單、入庫單。

2) 時間類信息。事件發生和結束的時間。

3) 位置類信息。各種要素所在的位置，包括物料的位置、人員的位置、設備的位置。

4) 人員類信息。事件發生過程中的人，包括導致各種狀態變更的人員、操作設備的人員、執行工單的人員、運輸物料的人員。

5) 事件類信息。主要描述事件的過程，包括使用的設備、使用的物料、最后的結果。

2.3 傳統的數據采集方法

目前造船企業的生產現場數據大都是手工填寫，這些數據有的是經手算匯總，稍微先進點的則是各種生產報表、單據、窗體數據輸入計算機中進行匯總，這些數據信息嚴重缺乏實時性、準確性和全面性，而且人為操作使得數據誤差增多，檢查數據源時困難重重。這就出現了所謂的“生產現場黑箱作業”現象。利用條碼建立的具有敏捷化響應能力的數據采集系統，為上述問題的解決，提供了可行的實現方案。

2.4 基于條碼的數據采集方法

針對船舶制造企業面向訂單式的特點所設計的條碼數據采集系統流程見圖2。

在車間級管理層接收到來自企業級ERP系統的零件月份需求計劃之后，MES需要根據上級計劃制定MES車間月份生產計劃，然后根據車間月份生產計劃生成零件加工批次和產生流水作業卡。之后，生成能夠表示零件在制品的條碼，和零件批次信息一起作為零件生產的過程檔案。同時，還根據MES車間月份生產計劃生成每天的工序作業計劃，作為生產調度指令向生產現場下達班產派工指令。生產現場根據派工指令和零件批次進行加工。在完成加工任務之后，反饋零件加工情況和狀態、班產計劃完成情況以及生產工時綜合統計。MES根據這些原始數據，經過過濾、統計等處理形成可用的信息供第二天的工序日計劃編制和上層ERP系統編制計劃使用。

3 數據采集模塊的設計

3.1 系統實現關鍵技術

3.1.1 條碼制作

根據對數據采集信息的分析和現場加工實際情況，得出選擇條碼標識對象的原則：對象數量要盡量少，便于精簡條碼掃描流程；能表示盡量多的信息；條碼標簽容易粘貼。根據上述原則，對條碼標識對象的選擇如下：①選擇工廠分配給每個員工作為人員惟一標識的代碼作為編碼代碼，制成條碼標簽粘貼在每個工人每日必須佩戴的工卡上；②在生產中，在制品零件是以批次為基本單位進行加工和移動的，而每個零件批次的流水作業卡包含了該批次零件的基本信息、加工工序信息和加工數量且流水作業卡跟隨本批零件的整個加工過程。所以選擇流水作業卡作為標識零件的條碼標識對象。針對每個批次印制能夠惟一標識該批次的條碼標簽粘貼在流水作業卡上；③根據標識每臺設備的設備編碼印制設備條碼標簽供采集設備信息使用。

3.1.2 條碼編碼規則

1) 惟一性。每一個編碼對象只能有一個代碼，一個代碼也僅表示惟一的一個編碼對象。

2) 規范合理性。在一個代碼標準中，代碼的類型、結構以及編寫格式要統一和規范化。

3) 穩定性。即代碼不宜頻繁變動，編碼時要考慮其變化的可能性，保持代碼系統的相對穩定。

4) 可擴充性。必須留有適當的后備容量，適應編碼對象特征或屬性以及其相互關系可能出現的變化，從而滿足系統不斷擴充的需要。

5) 簡化性。計算機在運行過程中需要處理的數據量很大，為了縮短處理的時間、減少存儲空間，同時也為便于條碼閱讀器的識別，編碼不能過于冗長，應當盡量簡化。

6) 適用性。代碼要盡可能翻譯編碼對象的特點，以助于記憶并便于人們了解、識別和使用。

系統根據上述編碼規則[3-6]，初步設計有關人員、設備、物料的編碼格式。

I—三位流水號，由 001 開始。

I—公司代號；

II—設備所屬部門編號；

III—同部門設備序號。

I—總代號，用P表示；

II—產品編碼；

III—車間編號(或預留)；

IV—工序號。

I—總代號，用R表示；

II—分代號；

III—分類號；

IV—原料編號；

V—計量單位代碼；

VI—序號。

3.2 數據采集模塊框架體系的設計

目前常用的關系數據庫應用模式有B/S 結構和 C/S 結構。針對造船企業數據采集量大的特點，選擇 B/S 模式，見圖3。

圖3 B/S架構應用模型

B/S架構的軟件開發模式在結構上分為三部分:客戶端、應用服務器、數據庫服務器。相應的數據庫訪問邏輯也分為三個層次:界面表示層、業務邏輯層和數據訪問層。該結構中，數據訪問層放在數據庫服務器上，主要負責數據的存取、訪問及優化。主要的業務處理功能即業務邏輯層則在應用服務器上實現，而提供系統與用戶交互的界面表示層和簡單的業務處理功能則放在客戶端。

3.3 數據采集過程示例

采用SQL Server數據庫， 演示過程如下，Visual C#.net實現系統開發。需要工人錄入的信息可分為：工人每天工作狀態信息、加工任務信息和完成任務信息三個部分。設計出基于班產統計的數據采集界面。實現生產數據的快速采集和數據的一次錄入多次使用。工人每天填寫的班產信息，其中大部分數據都可以通過掃描人員條碼、批次流水作業卡條碼、設備條碼來匹配相應信息，需要錄入的只有時間和數量等數字信息。這樣不僅減少了工人手工錄入生產信息的出錯幾率，同時也減少了工人使用鍵盤錄入字符的范圍，節省了錄入數據信息所花費的時間。

通過顯示終端,操作員將獲得條碼的實際信息,同時可輸入少量的加工質檢信息,并將這些信息傳到車間計算機上,由此完成零件的一次加工,并跟蹤到車間主機上。同時,對復雜工序加工時,通過掃描工序條碼,從車間計算機上獲得該批零件對應工序的生產工藝信息,并顯示在終端上,指導操作員加工。通過訪問SQL數據庫獲得零件加工的所有進程信息。利用條碼實現對操作員、零件狀態、加工進展、設備的監視,這樣，管理者就能及時查看零件加工進度、質量分析、設備負荷、零件轉移情況等。系統基本滿足MES上層各功能模塊對生產現場信息的需求。

4 結束語

針對目前船舶制造企業普遍存在的數據采集難題，提出的基于條碼技術的數據采集方法使數據采集手段更簡單，速度更快，采集所得數據更為完備。減少了車間信息獲取難度，加快了獲取車間生產現場數據的能力，為車間生產構建了一個敏捷化處理環境，很大程度上改變了當前車間生產作業方式。提高了車間生產效率，有助于有效地縮短造船周期。

[1] BILL SWANTON. Do we need a new model for plant systems[R].USA:AMR Report,1998.

[2] 陳禹六.IDEF建模分析和設計方法[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3] 陳丹暉,劉 紅.條碼技術與應用[M].北京:化學工業出版社,2006.

[4] 徐曉霞,貝雨馨. B/S模式與C/S模式之比較[J].延邊大學學報：自然科學版,2002(2):126-129.

[5] 迪尤遜.SQL Server 2005 基礎教程[M].董 明，譯.北京:人民郵電出版社,2006.

[6] 羅福建,白忠建,楊 劍.Visual C#.NET程序設計教程[M].北京: 人民郵電出版社,2009.