鋁型材擠壓車間MES系統研究與設計*

梁永宏，殷進春（廣州中浩控制技術有限公司，廣東廣州510070）

鋁型材擠壓車間MES系統研究與設計*

梁永宏，殷進春
（廣州中浩控制技術有限公司，廣東廣州510070）

制造執行系統（MES）可有效提升鋁型材擠壓車間的生產管理水平。結合鋁型材擠壓工藝，針對擠壓車間生產管理存在的問題，提出了擠壓車間的MES系統建設目標，設計出一種適用鋁型材行業的MES系統架構，闡述了MES系統下的車間作業流程，并對軟件功能模塊進行了總體設計。對系統的應用情況進行了分析，并對系統發展進行了展望。

制造執行系統；鋁型材；擠壓車間；MES

0　前言

鋁型材是指鋁棒通過熱熔擠壓加工，從而得到不同截面形狀的鋁材料，目前主要包括建筑型材和工業型材，型材是鋁加工主要產品類型，目前的占比在50%左右。我國國民經濟和高新技術的穩定、持續、快速發展，促使我國鋁型材加工業發展十分迅速。近些年，由于科技的進步和行業競爭的加劇，鋁型材生產企業不斷推出新的品種，部分企業產品種類可達上千種。

鋁型材加工過程中，擠壓是型材成形的主要手段。其核心工藝包括以下過程：

（1）模具準備：先根據型材產品斷面設計、制造出模具，生產前模具在模具加熱爐中需要預熱到足夠長的時間；

（2）鋁棒加熱：將鋁棒在加熱機中加熱到指定的溫度；

（3）擠壓：利用擠壓機將加熱好的圓鋁棒從模具中擠出成形；

（4）風冷：在擠壓時還用一個風冷淬火過程及其后的人工時效過程，以完成熱處理強化。

在整個生產過程中，有上百個關鍵的工藝參數，這些工藝參數可對產品質量和生產效率產生重要影響。鋁型材擠壓車間一般包含多條產線，每條線包含多臺主生產設備。這些主生產設備價值昂貴，都擁有各自的控制系統，控制系統之間相互獨立。

目前很多鋁型材加工企業的車間管理仍然較為粗放。以擠壓車間為例，工人依據紙質的生產指令和產品工藝要求，在一系列加工設備上依序手工設置主要的工藝參數，并人工記錄相應的生產過程，包括換型時間、產量、實時參數、能耗等數據，再由統計人員匯總分析。在生產過程中，很難確保工人按工藝要求進行生產，工人很容易出現操作錯誤（如參數設置錯誤、模具拿錯等）；當出現質量問題時，通過手工填寫的紙質生產記錄很難準確判斷造成產品質量問題的根本原因。管理人員難以了解現場的實際生產進度情況，生產報表只能依靠專人整理匯總，生產數據很難跟其他相關部門共享[1]。在擠壓生產中，比較注重設備績效的充分利用和生產工藝的持續改進，但由于缺乏對設備狀態和工藝參數的連續記錄，很難對工藝的持續改進提供依據。

制造執行系統（MES）作為聯系計劃層和控制層的紐帶[2]，非常適合解決車間層面生產管理問題?；诖?，開發一個結合擠壓工藝特點、架構良好的MES系統，將可有效改善擠壓車間生產管控。

1　系統建設目標

基于此，鋁型材擠壓車間MES系統的建設目標包括：

（1）產品工藝參數的集中控制；

（2）車間生產計劃的管理；

（3）加工過程的透明管控；

（4）生產能耗的實時統計；

（5）利用看板實現目視化管理；

（6）生產異常的實時呼叫與預警；

（7）設備狀態遠程實時監控

（8）權限控制；

（9）生產歷史的自動記錄及績效分析。

2　系統架構

基于以上系統目標和作業流程，整個擠壓車間MES系統采用工業光纖以太網為骨干網絡，以保證數據通訊的穩定可靠。系統架構參照ISA95標準[3]，以保證系統的擴展性，其中MES系統直接經防火墻與ERP系統進行數據的雙向交互，和底層的設備控制系統通過標準的工業協議進行通訊。

整個系統的硬件和網絡架構主要應包含以下幾部分：

（1）數據庫服務器：主要利用實時數據庫相關技術，用于實現各種基礎數據和歷史數據的存儲[4]；

（2）應用服務器：運行后臺處理程序，管理遠程客戶端鏈接，實現MES核心應用邏輯。同時提供Web服務，供遠程辦公電腦經防火墻訪問查詢報表及統計數據；

（3）監控電腦及電視機大屏：用于集中監視現場所有生產線的任務完成情況、實際參數、報警情況等；

（4）短信發送裝置：用于以短信方式發送各種實時報警數據；

（5）生產線現場操作站：在每條擠壓線旁，設置相應的現場操作站點，現場操作站應配置為工業觸摸屏電腦，并與底層的模具加熱系統、加熱爐系統、擠壓機系統、風冷系統和能源采集系統進行通訊。

（6）LED看板：用于顯示匯總生產信息。

整個系統的架構圖如圖1所示。

圖1　系統硬件及網絡架構示意圖

3　作業流程設計

MES系統作為管理信息系統，其系統設計、運行和現場的作業流程密切相關。實施MES后的擠壓作業主體流程說明如下：

（1）ERP系統將工單和工藝數據自動下載到MES系統；

（2）生產管理人員對生產計劃進行排訂，審核后下達計劃；

（3）在生產線觸摸屏電腦上，操作員登錄系統，選擇分配的生產工單，系統調出相應的工藝數據開始生產；

（4）系統通過與底層PLC聯動，設定相應的生產加工參數；

（5）系統監視整個生產過程，可以記錄各種加工參數等，并進行報警提示；

（6）系統持續監視設備的運行狀態；

（7）當出現生產異常時，工人可以進行呼叫；

（8）管理人員可以在后臺監視各條擠壓線的總體生產狀況；

（9）系統進行生產批次跟蹤，產生各種生產報表。

4　軟件功能實現

基于以上的生產管理流程，整個系統的軟件包含以下一些功能模塊。

4.1工藝參數管理

工藝參數管理模塊將針對產品和原料材質，把擠壓線的工藝參數在數據庫中完整地管理起來?？紤]到具體設備的測量偏差，系統由工藝人員負責管理某工序的通用參數，而設備管理人員針對不同設備設置相應的參數偏差值。如圖2所示。

圖2　工藝參數設置示意圖

4.2生產計劃管理

MES直接通過與ERP系統的接口，獲得擠壓車間的周生產計劃。車間計劃人員跟據生產線的產能和生產實際情況完成每條擠壓線的日計劃排定，排好的工單數據包括生產訂單號、型號、料號、排產量、優先級、計劃生產時間等信息。

通過現場的數據采集，系統將反饋每個工單的實時進度和預計完成時間，從而實現ERP中生產計劃與現場設備的直接銜接。

4.3生產過程管控

如圖3所示，生產過程管控模塊主要包含以下功能。

圖3　生產過程管控示意圖

（1）工單執行與工藝參數下載

工人在現場的觸摸屏電腦查看并瀏覽工單，調整工單順序，并選擇啟動工單。系統將相應工單對應的工藝參數數據直接下載到設備PLC。系統針對工單順序，對模具的加熱等準備工作可進行提示。

（2）工藝數據實時監視

系統提供圖形化的界面，供工人在現場了解當前工藝參數的實時值與目標值的差異。系統對工藝參數的超限與差異，提供必要的報警。

（3）設備效率實時監視

系統通過與擠壓機的數據接口，獲得當前工單和模具的實時產量。系統可真實記錄每個鋁棒的加載時間、有效擠壓時間，并與標準節拍進行比對，實時計算設備節拍和預計完成時間。

（4）模具管理

系統對每個模具提供唯一的編號，對模具的加熱開始、結束時間、加熱溫度進行記錄，確保模具加熱按要求進行。

（5）班組工時管理

現場的員工工時及交接班活動，在系統中也將詳細記錄。

（6）呼叫管理

在生產過程中會出現各種異常，需要有相應的處理機制快速響應。由于擠壓車間的噪聲較大，系統采用手機短信方式來快速通知相應管理人員盡快處理。當出現設備故障、質量缺陷、物料短缺等不同類型的異常時，工人在現場的觸摸屏電腦選擇缺陷類型，相應的手機短信會馬上發送到相應的管理人員，同時系統記錄整個過程。

4.4生產用能管控

通過全電量監測（包括電壓、電流、電量、功率因素等）和采集水、汽實時流量和累計流量，系統可實時記錄能耗數量。通過將用能與生產過程結合，可以計算出多種能耗KPI，為節能降耗打下堅實基礎。

4.5設備狀態遠程實時監控

如圖4所示，該模塊主要以車間生產門戶網頁的方式，直觀顯示一些重要的生產參數，供管理人員遠程監控所有生產線的生產現狀，實現車間生產透明化。具體來說，這些參數可包括設備當前狀態實時監視（運行、故障等）、設備運行參數顯示（例如：節拍、線速等）。

圖4　設備狀態遠程集中監控示意圖

4.6LED看板

現場大屏可以直觀顯示本擠壓線的計劃任務數、正在加工的工單、工單完成情況、節拍等生產進度信息、通知信息、現場工人的呼叫信息和故障信息等，實現現場的目視化管理。

4.7權限控制

系統的所有操作都需要授權并被詳細記錄，權限根據需要可以分為多個級別。

4.8報表統計

系統提供多種生產報表，包括工單進度報表、班組產量報表、工藝參數曲線報表、設備能耗分析報表、生產異常報表、生產節拍報表、工藝參數明細報表等。

5　結束語

本文介紹的鋁型材擠壓車間MES系統，已在某大型鋁型材加工企業成功試用，系統基本達到了設計要求。可以在根本上規范擠壓工人的現場操作，降低現場差錯率，節約換型時間，大幅縮短現場生產異常的響應時間，有效提高設備利用效率，提升產品質量和作業效率，降低生產能耗?，F場生產數據的實時采集，使管理人員清晰了解車間現場的一線情況，生產調度更為順暢。

事實上，本系統雖然主要覆蓋擠壓車間，但系統總體架構具有一定的擴展性。未來擴展到鋁型材其他工序時，主要的實施工作將集中在設備接口和工藝參數配置方面，而整個系統的架構可保持相對穩定。

［1］沈怡.淺談MES系統在統計工作中的應用與不足［J］.中國西部科技，2011（04）：27-28.

［2］談劍.制造執行系統框架的領域分析［J］.機電產品開發與創新，2013（03）：69-70.

［3］賈洪哲，沈英儒.淺析ISA-95和MES系統［J］.中國信息界，2011（01）：63-64.

［4］王雪寒，輦玉玉，姚翠紅，等.實時數據采集技術在生產制造執行中的應用［J］.工業控制計算機，2013（02）：18-19.

(編輯：阮毅)

Research and Design of MES for Aluminium Profile Extrusion Workshop

LIANG Yong-hong，YIN Jin-chun
（Guangzhou CH Control Technology Co.，Ltd.，Guangzhou510070，China)

Manufacturing Execution System(MES)is an important method to improve management in aluminium profile extrusion workshop.Aimed to themanagement problems in extrusion workshop and combined aluminum extrusion process，put forward themain goalofbuildingMES for extrusionworkshop，designed an architecture forMES，introduced themainworkflow and the software functions. Italsomentioned theactualapplicationsand future development.

manufacturingexecution system；aluminium profile；extrusionworkshop；MES

TP3

A

1009－9492(2015)06－0017－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.004

*廣東省重大科技專項（編號：2012A010800038）

2015－01－09

梁永宏，男，1971年生，湖北襄陽人，碩士。研究領域：軟件工程，制造執行系統，能源管理系統。已發表論文7篇。