數字化精沖車間MES系統的研究與開發

文/蘇子寧，孫勇，彭群，王俊·北京機電研究所

數字化精沖車間MES系統的研究與開發

文/蘇子寧，孫勇，彭群，王俊·北京機電研究所

蘇子寧,工程師,主要從事鍛造生產線設計、調試工作，負責與參與完成齊齊哈爾車輛集團6300t鍛造生產線控制系統、蒂森克虜伯鍛造生產線控制系統、桂林福達鍛造生產線12500t快速換模控制系統等項目。

精沖即精密沖裁，是一種先進的金屬塑性成形加工技術，利用精沖技術可將板料沖制成尺寸精度高、沖切面光潔、形狀復雜的零件。現精沖生產線多以生產汽車用的精沖件為主，生產線流程較長，設備較多，年產量巨大。目前，生產線的生產管理、庫存管理、計劃的編制和執行跟蹤、質量追溯仍大多依賴手工方式進行，效率低、優化難、反應慢，嚴重影響了精沖企業的生產效率、經濟效益和市場競爭力。

通過在精沖工廠實施MES，可提高生產過程現場數據采集、生產監控水平及計劃執行能力，提升生產透明度，大幅改善產品的追溯能力，實現制造過程生產計劃、物料跟蹤、質量控制、工藝管理、統計分析等業務的協同，實現對生產過程的優化管理。

軟件架構

精沖MES系統靈活采用B/S和C/S混合結構，其中車間內操作采用C/S下的客戶端訪問方式，以確保軟件的訪問速度；遠程采用B/S下的瀏覽器訪問，為不同用戶提供了最大的靈活性。

整體軟件架構包括MES數據庫、MES業務系統與現場終端三部分，如圖1所示。

圖1 MES軟件架構示意圖

其中，MES數據庫用以存儲MES系統的基礎主數據和業務功能數據及業務統計數據，部署在MES服務器上。當前選擇數據庫系統為SQLServer。MES業務系統為運行在MES服務器中的主程序，包括訂單管理、生產排產、生產管理、物料管理、基礎數據、員工管理等主要業務功能，以及用戶權限管理等系統功能。現場終端由訪問終端、電子看板、條碼標簽設備及手持終端組成。

開發技術

單機采集設備程序調整修改

現場單機采集設備程序調整修改，選擇西門子工控編程軟件Siemens STEP7，調整修改程序以便于同MES系統工業數據庫通過數據接口實現數據傳輸。

MES主系統程序開發

在MES主系統（服務器端和客戶端）及電子看板開發上，選擇了微軟的.net框架和C#開發語言，界面設計開發環境使用Visual Blend 2013，程序開發界面使用Visual Studio 2013。在Web系統開發上，采用了成熟的Java Web來進行開發，保證MES系統的穩定性、靈活性和展示效果。

數據庫選擇

系統數據平臺采用 SQL Server 2008，確保業務的連續性，提高應用程序的可靠性，可集成任何數據。

系統通過工業數據庫與單機采集設備進行數據傳輸，工業數據庫支持工業設備數據的實時存儲與訪問、歷史存儲與訪問、工業過程計算。工業數據庫的軟件模型如圖2所示。

圖2 軟件模型示意圖

MES系統功能與設計

生產數據采集

通過條碼掃描、傳感器采集與人工錄入相結合的方式，對生產過程中的生產批次、工序、產品名稱、操作人員、生產設備、時間等數據進行實時、準確、客觀地采集，與傳統的純手工錄入方式相比較，提高了采集的實時性、精確性、工作效率及延伸性，降低了采集過程中人為錄入產生的錯誤幾率。

訂單管理

通過對數據庫的關聯，設置訂單維護、添加、查詢、編輯等功能，實現對訂單數據的管理。

物料庫存管理

通過物資管理，企業可以在生產過程中，對本企業所需物資的采購、使用、儲備等行為進行計劃、組織和控制,從而以降低企業生產成本。

成品庫存和追溯

記錄產品生產的全過程，可根據產品的編號進行數據追蹤，包括：產品的生產批次、訂單編號、產品名稱、產品數量、原材料信息、生產工序、生產時間、生產設備、生產批次和操作人，實現生產過程的透明化和可追溯。

計劃管理

系統采用方便直觀的形式，以即時和實時的方式展示了真實的生產計劃。所有生產訂單、產品信息、生產批次、工序計劃通過列表形象直觀地展示出來。系統內具有多種排產方式，可最大程度地滿足精沖行業多設備多工序的排產要求。圖3所示是一種計劃排產流程圖。

統計分析

通過對排產計劃、生產執行、物料庫存等信息的統計分析及查詢功能，提供豐富的圖表，使企業能夠從海量數據中提取出需要的數據，從而為企業做出科學的決策提供重要的依據。同時，提高了統計效率，降低管理成本，減少日常報表。

基礎數據管理

MES系統的基礎數據管理包括：工藝規范管理、下料規范管理、設備管理、物料管理、產品基礎數據管理、工藝基礎數據管理及工藝路徑基礎數據管理等幾個功能。

(1)工藝規范管理。對產品的工藝規范進行管理，包括工藝規范名稱、產品名稱、下料速度、精沖速度、去毛刺速度、振動速度、質檢打包速度、包裝件數、包裝凈重等工藝規范信息的維護。

圖3 計劃排產流程

(2)下料規范管理。對產品的原材料信息及下料參數進行管理，包括產品名稱、物料名稱、規格、廠家、下料寬度、厚度公差等下料標準參數。

(3)設備管理：對車間的生產設備信息進行管理，包括主生產設備名稱、型號、出廠日期、維護負責人等設備臺賬信息的維護，設備故障歷史記錄查詢，設備維護記錄查詢等。

(4)物料管理。對原材料入庫信息進行管理，包括物料名稱、物料編碼、安全庫存量等基礎信息的維護。

(5)產品基礎數據管理。對產品基礎數據信息進行管理，包括產品名稱、面料材質、厚度、尺寸參數等基礎信息的維護。

(6)工序基礎數據管理。可對產品生產過程中的所有工序進行設置。

(7)工藝路徑基礎數據管理。可針對不同型號產品、不同生產方式的工藝路徑進行設置。

能源管理

精沖車間主要能源消耗為電能，實現電能消耗的統計分析可以實現精沖車間精細化管理，降低生產成本。

⑴耗電統計。精沖車間的智能電表可采集獲取每臺設備的電能消耗計量數據，MES系統通過精沖車間無線網絡與數據采集設備連接，通過一定的通訊協議，將獲取的電能計量數據儲存到MES工業數據庫進行實時記錄。

⑵耗電分析。耗電分析主要包括：為精沖車間提供電能流向分析、工序電能消耗分析、電能損失分析，為精沖車間實現電能平衡調度，減少電能浪費。

設備OEE統計分析

每一臺設備都有自己的理論產能，OEE設備綜合效率分析就是對設備的實際產能和理論產能進行比較，方便精沖車間宏觀了解車間生產狀況和生產信息，可以針對問題分析和改善生產狀況，最大化地提高資源和設備的利用率，提高生產能力。

OEE統計分析需要關聯已開發實現的功能模塊的數據，如設備基礎數據、產量統計、人員考勤等，綜合這些基本數據完成對整個綜合效率的分析。

用戶權限管理

用戶權限管理功能，指的是對不同用戶的訪問權限進行管理，包括角色管理和用戶管理兩部分。可定制表單組件通過業務層中的權限控制組件來配置表單的用戶和角色。其中，表單權限可逐層細化到業務數據級、數據單元級、基本表單級和業務表單級，在不同層次上均可進行表單權限控制。

系統內置超級管理員Admin(密碼Admin)，超級管理員登陸后，可以添加角色和基于某角色的用戶。

結束語

通過精沖MES管理系統的實施，現場人員可全面、及時、準確地掌握生產進度、計劃完成情況、設備運行情況、能耗情況、庫存、生產質量等實時生產信息，輔助調度指揮決策對衡量生產績效的關鍵指標，如關鍵設備作業率、準時交單率、工序間等待時間，進行統計、分析和評價，使生產節奏協調順行，前后工序銜接有序，從而提高計劃執行效率。