離散型生產車間數據采集與分析系統設計

蔡煜穎，田 艷，王二威，趙素娟

（北京理工大學 珠海學院，廣東 珠海 519088）

企業資源管理系統中，基礎數據的采集、傳遞、（預）處理關系著決策系統得出的數據能否真正體現實時性、準確性、可靠性，并具有參考價值。更是實現生產線信息的透明化的一種有效手段，對刺激生產、協調生產的計劃與控制，及時處理生產事故具有重要作用且應用領域廣泛。數據采集系統是MES（制造執行系統）重要組成部分，目前，國內外對MES中所存在的數據采集關鍵技術研究相對較少[1-3]，已有的數據采集系統不但價格昂貴，并且未能與我國離散型制造行業的現狀有效結合[4]。隨著企業在生產中采用先進的制造與設計手段，特別是信息技術（計劃系統ERP、執行系統MES、控制系統PCS）的應用[5-6]，大大提高了企業產品研發能力和市場競爭能力，促進了生產力的發展使企業取得了明顯的效益。但是伴隨著企業生產規模的不斷擴大，信息需求與傳輸量明顯增加，為了讓企業的管理層和決策層與生產現場同步掌握各個裝置的全部生產數據，更多的企業需要一種準確實時的數據采集系統，從根本上避免因地理位置、通訊、人為因素等不利影響，在改變原來生產數據的管理模式和提高企業整體工作效率的同時，為企業管理和決策提供及時、可靠的基礎數據。文中以A企業離散型生產車間為對象，經過需求調研，設計并實現其數據采集與分析系統。

1 系統需求

系統需求主要包括功能性需求、非功能性需求和數據需求3個方面。

1）功能性需求是根據用戶需要，系統必須滿足的業務功能；本系統的功能性需求主要包括生產線現場數據采集并電子看板顯示、后臺管理顯示和管理報表3個方面。

①看板顯示

本系統需要在車間（生產線）采集生產進度等信息并通過大屏幕顯示設備顯示，從而幫助生產一線人員通過電子看板獲得自己本班需要完成的任務，及時掌握生產進度，提前預警生產異常，防止盲目生產，及時、準確地向計劃調度層次反饋生產進度及異常情況，提高生產效率。具體而言，生產現場電子看板需要實時顯示信息如表1所示。

②后臺顯示

本系統除了需要在生產線現場顯示上述信息外，各個部門也需要及時掌握生產信息，系統需要通過內部網絡提供表1中的信息。此外，A企業管理人員還需要通過系統后臺查詢管理報表，包括日產量、周產量、月產量匯總表、訂單完成率、質量異常統計表等，具體報表說明見本章“用戶數據需求”部分。

2）非功能性需求

①可用性。本系統要求提供友好的用戶界面，給出的用戶手冊（說明書）清晰明了、便于用戶按照用戶手冊開展相關業務。②可靠性。生產線數據采集與分析系統要求具有較高的可靠性，盡量減少系統出錯的概率，保證服務器不重啟的前提下能夠長時間的穩定工作；同時能夠備份數據，在發生故障時能夠恢復系統較少損失。③兼容性。系統要求能夠自動適應目前主流的軟硬件平臺，便于在不同的硬件設施、不同的操作系統下運行。④安全性。系統要求具有防護體制，抵御來自內外部的風險，保證數據正確、完整、可靠；賦予不同用戶相關權限，并對相關數據保密。⑤可擴充性與可維護性。當技術變化或業務變化時，不可避免將帶來系統的改變；本系統要求具有較強的可擴展性和可維護性，能以盡量少的代價適應這種變化。

表1 看板顯示信息Tab.1 Information displayed on Kanban

3）數據需求

本系統除了在生產線現場和后臺顯示生產進度等信息外，還需要根據生產數據提供一系列報表供管理人員參考，包括日產量、周產量、月產量匯總表；統計分析生產效率、質量異常等。如表2所示。

表2 用戶數據需求Tab.2 Demand for user data

2 業務流程分析及優化

本系統所涉及的業務流程簡述如下：

>生產部根據計劃編制生產指令 （制定過程需要跟車間、物流部等有關部門協調）；

>生產部確定生產指令后，下達各車間；

>生產線根據當日生產指令，選擇執行某訂單；

>質控部質檢員檢驗電機性能、噪音、外觀等，出現質量問題，記錄相關信息，最終形成相關報表；

>出現生產異常（如停線等），相關人員負責解決；

>車間記錄生產過程中的各種生產異常情況，并確定責任部門，最終形成生產異常匯總表報至生產部；

>生產部審核車間上報的生產異常情況以及生產信息，最終形成各種管理報表。

現行的業務流程如圖1所示。

系統所涉及的原有流程均由人工記錄并傳遞信息，在將要構建的生產線數據采集與分析系統中IT設備與技術將代替手工操作，大大提高管理效率與效益；業務流程的優化包 括如下幾點：

圖1 現行業務流程圖Fig.1 Current transaction flow diagram

1）質量異常信息由系統負責記錄，系統自動產生質量異常報表；質檢員專注于其核心業務，無需手工記錄質檢信息。

2）系統記錄生產異常信息，保證了信息的準確性；生產異常信息實現車間與生產部的共享。

3）系統自動產生各種生產報表，無需生產部管理人員手工統計、書寫各種報表，減輕了其工作強度。

4）系統實時提供各種報表，企業領導可隨時查詢相關信息，提高了企業反應速度。

5）通過電子看板可以發現并暴露出生產中存在的問題（停線、質量異常等），從而可以立即采取相應的對策。

6）保證生產部門按照生產計劃生產，防止過量生產。

3 系統設計方案

3.1 系統設計策略

根據項目規模、用戶需求等實際情況，項目采用目前管理信息系統領域最為成熟的結構化系統設計方法。該方法運用一套標準的設計準則和圖表工具，自上而下地對系統進行分解，其基本目的是處理功能模塊化，數據結構模型化，系統平臺開放化，從而得到結構明晰，適應性強，可靠性高，安全性好，效率和效益都令人滿意的系統實現方案（物理模型）。

3.2 計算模式設計

根據用戶實際管理需求和系統應用現場情況，本系統采用B/S（瀏覽器/服務器）與C/S（客戶機/服務器）混合計算模式。

控制臺端需要實時采集生產數據（上線數、下線數、各種質量異常數據等），系統需要通過串口控制各個數據采集設備，服務器和控制臺均需要較強的控制、協調能力，因此系統控制臺端擬采用C/S計算模式（采用胖客戶端模式，數據庫服務器放置于A企業機房內，應用程序安裝在控制臺電腦上）。

企業領導及生產部、車間、質控部有關人員需要實時得到有關制造執行情況的各種報表（如生產進度、生產日報、異常分析報表等），因此后臺管理端采用B/S計算；該模式下用戶通過內部網絡可直接調取有關報表，而無需層層上報匯總，減少中間環節，保證了信息的真實可靠。

3.3 控制臺端總體結構設計

系統控制臺采用C/S計算模式，應用程序部署于生產線現場的控制臺（應用服務器）上；該部分的總體結構如圖2所示。

圖2 系統控制臺端結構圖Fig.2 Structure diagram of the console

3.4 后臺管理端總體結構設計

后臺管理端采用B/S計算模式，總體結構如圖3所示，其功能包括生產信息查詢、生產訂單、質量異常、生產異常和系統管理5個主要模塊。

圖3 系統后臺管理部分結構圖Fig.3 Structure diagram of the admin section

4 結束語

文中針對離散型生產車間生產現場實物流與信息流不匹配的問題，以A企業生產車間為實際，經過詳細的需求調研和業務流程分析，設計了生產現場數據采集與分析系統。該系統主要采取采用B/S與C/S混合計算模式，分為數據采集與看板顯示的控制臺端和數據分析的后臺管理端，既能使得車間生產人員及時掌握生產進度，提前預警生產異常，防止盲目生產，提高生產效率，又給企業中高層管理人員實時獲得有關制造執行情況的各種報表，便于決策管理。

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