基于智慧工廠實驗平臺的制造執行系統（MES）軟件系統設計

2017-08-08 03:01:25袁紅兵

制造業自動化 2017年7期

關鍵詞：數據庫智慧設備

程浩，袁紅兵

（南京理工大學，南京 210014）

基于智慧工廠實驗平臺的制造執行系統（MES）軟件系統設計

程浩，袁紅兵

（南京理工大學，南京 210014）

近年來，隨著智能制造在國內外的迅速發展，智能設備的設計與研發越來越受到企業和學術界的追崇。為了更加靈活、準確和及時的提高對生產線的合理配置，提升設備的運轉效率和質量，因此，設計了針對智慧工廠實驗平臺的MES軟件系統，來改善生產管理水平，提高質量控制能力和現場監控能力。主要研究了MES系統功能的實現與MES系統和柔性制造系統（FMS）之間的集成，從而實現對智慧工廠實驗平臺的生產調度和監控。

智慧工廠；制造執行系統；柔性制造系統

0 引言

隨著工業4.0和智能制造在國內的研究和應用越來越廣泛，國內中小型制造企業越來越重視信息化工作。先進的管理思想和管理系統相繼被中小型企業引入，包括以MRP、MRPII和ERP為代表的計劃管理系統和以DNC、PLC和SCADA為代表的工業控制系統，這些系統對企業具有良好作用。然而，計劃管理系統不能夠拓展到底層控制系統，而底層控制也不能向上擴展到計劃層，在計劃層和控制層出現了“信息孤島”現象，導致企業制定的計劃得不到準確的執行。從中可以看出計劃管理系統在制定計劃的時候不能夠實時地獲取現場的數據，導致在制定計劃的時候缺少對現場狀況的分析。當企業的內外環境變化時，生產現場也無法得到及時的指令來進行調整。針對這個問題，可以發現計劃層和控制層缺乏有效的溝通和集成是導致計劃和生產脫節的真正原因。這種脫節不利于提高企業的市場競爭力。信息化的發展使企業發現制造執行系統（MES）可以解決兩者之間的脫節現象，實現上下層的雙向溝通與通訊，從而實現企業的連續信息流[1,2]。

MES系統作為計劃層和控制層之間的執行層，負責管理車間生產和執行計劃調度。制造執行系統在一個統一的集成平臺上提供了車間管理和控制功能，有效提升企業的車間管理能力。制造執行系統通過控制物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有車間資源來提高制造競爭力，在統一的平臺上集成了物料管理、質量管理、文檔管理和生產調度等相關功能。制造執行系統的功能充分的解決了計劃層和控制層之間的矛盾，充分利用上下層之間的數據來提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善生產線的運行效率[3,4]。

本文研究旨在為智慧工廠實驗平臺研究和開發其相應的MES系統，以便有效實現對智慧工廠實驗平臺的控制和監測等的運行控制功能。

1 智慧工廠實驗平臺

智慧工廠實驗平臺包含諸多的實驗設備，其三維模型如圖1所示，其中配備有一臺測量儀、兩臺數控銑床、機器人手臂、AGV、立體倉庫和輔助分揀等設備。智慧工廠實驗平臺主要是模擬刀刻印章的生產流程進行全智能無人參與的生產制造。

圖1 智慧工廠實驗平臺三維模型

2 MES總體框架設計

該MES系統可整合上層的ERP系統和底層的FMS系統，并且可以實現對底層設備的實時監控，其總體框架如圖2所示。

圖2 MES總體框架圖

1）計劃層主要是進行生產計劃，其包含ERP/MRPII等上層管理系統，提供各種生產信息，如物料、產品和人力資源等信息。

2）執行層由MES系統實現，MES系統的主要功能是對訂單進行管理、物料管理、設備管理、質量管理、途程管理、資料管理和備份管理等。

3）控制層主要通過生產調度實現對設備狀態的反饋和對生產產生的數據進行采集和存儲。

4）從圖2可以看出，針對智慧工廠實驗平臺的MES系統整合了計劃層的訂單管理，MES更加方便快捷的了解訂單的具體詳情，實現對訂單執行的實時監控。MES系統還通過和FMS系統之間的交互作用，實現對底層設備的監管和對生產過程的控制。充分發揮MES系統作為執行層的作用。

3 MES功能模塊設計

MES系統作為上層計劃層和底層控制層橋梁，其對制造過程的控制具有舉足輕重的作用。基于智慧工廠實驗平臺的特點對MES功能模塊進行設計和實現。

3.1 MES功能模塊組成

智慧工廠實驗平臺的特點是全工作流程無人參與，實時的反饋生產狀態和設備狀態，只需要下發具體的生產指令，智慧工廠實驗平臺就可以進行生產制造。根據其特點，確定MES系統設計目標是分析客戶訂單、分配物料設備等資源和設計工藝流程，因此，將MES系統功能設計成八個模塊，如圖3所示。

1）基礎資料模塊。主要是人員管理、角色管理、權限管理和密碼管理四個子模塊。人員管理子模塊實現對人員的信息進行管理，包括添加、刪除和修改人員信息；角色管理子模塊實現對角色信息的管理，也提供對角色的添加、刪除和修改功能；權限管理子模塊實現對權限信息的管理，也提供對權限的添加、刪除和修改功能；密碼管理子模塊實現對人員密碼的修改功能等。

2）訂單管理模塊。訂單管理的訂單來源于客戶訂單，主要將訂單信息附帶的產品信息進行分析，查找產品所需要的物料和設備信息。

3）設備管理模塊。主要是設備編碼管理、機床管理和AGV管理三個子模塊。設備編碼管理子模塊主要是實現與底層FMS調度軟件進行設備編碼統一，方便設備的調度和管理，以及對具體的設備信息反饋；機床管理子模塊主要是實現對數控銑床信息的狀態監控；AGV管理子模塊目的是實現RFID（射頻識別技術）信息的反饋來追蹤產品生產過程等。

圖3 MES系統功能模塊

4）物料管理模塊。主要是物料信息、倉位信息、產品信息和BOM表四個子模塊組成。物料信息子模塊存放物料的詳細信息，包括物料編號、物料名稱、物料數量和供應商等信息；倉位信息子模塊是對立體倉庫產品的位置和輔助揀選的物料位置信息的確定；產品信息子模塊是對產品具體信息的描述；BOM表是產品物料清單的生成等。

5）途程管理模塊。主要是工藝流程、工藝卡和SOP三個子模塊組成。三個子模塊主要實現對產品生成流程的設計和將流程信息的細化，以便下發給調度軟件FMS能夠有條不紊的進行生產。途程管理是智慧工廠實驗平臺最核心的功能模塊。

6）質量管理模塊。主要是包括生產過程中的質量監控模塊和生產結束后的報表分析，實現對生產中的故障監控和分析。

7）資料管理和備份管理模塊。主要實現對生產中使用的資料進行統一管理，并且可以實現對一些重要數據的備份功能。

3.2 MES功能設計特點

上述智慧工廠實驗平臺MES系統具有如下特點：

1）系統采用人機料法環的特點將MES設計成基礎資料、設備管理、物料管理、途程管理和其他管理，充分體現對整個流程的全面質量管理。

2）訂單的細化處理，通過對訂單的細化可以更加快速高效的獲取訂單中產品的詳細信息，方便后期的物料設備選取和管理。

3）MES系統處于上層計劃層和底層控制系統之間，其囊括了上層的部分功能和底層的部分功能，更加靈活的實現與上下層之間的銜接。

4）MES系統與底層FMS調度系統進行銜接，充分的利用FMS系統的實時監控和調度特點解決了MES在B/S架構下的效率問題。

4 MES設計的關鍵技術

4.1 軟件框架技術

智慧工廠實驗平臺的MES系統采用B/S架構模式，可實現多用戶異地訪問和控制。該系統采用的軟件應用框架技術模塊如圖4所示。

MES系統軟件框架采用SSH框架（Spring框架+Structs框架+Hibernate框架）技術，該框架將用戶界面、業務邏輯和數據的處理三個部分分離，降低各個層次間冗余度和耦合度，并且能夠提高MES系統的擴展性。該MES系統根據SSH框架特點將其分為Web層、業務邏輯層和數據層三個層次。

圖4 MES應用框架模塊

Web層是用戶界面層，提供供用戶操作的可視化界面。Web層采用Structs框架管理各個頁面之間的邏輯，并提供控制類（Action類）來處理頁面之間的數據傳遞和頁面與業務之間的數據傳遞。Web層的頁面采用JSP語言編寫的jsp頁面，頁面自身內部邏輯采用JavaScript（Jqurey類和Ajax技術等）腳本語言和HTML語言等來實現。

業務邏輯層是后臺對頁面數據處理層，其包括服務類（Service）、數據訪問對象（DAO）和簡單Java對象（POJO）。服務類為Structs框架的控制類（Action類）提供業務邏輯的操作方法，是Web層傳遞數據到數據庫的接口。數據訪問對象（DAO）為Service類提供數據的增、刪、改和查等操作方法。簡單Java對象（POJO）是DAO和Service類操作的對象，它將數據庫中表一一映射成一個個POJO對象，這樣DAO和Service類對數據庫的操作就轉換成對POJO對象的操作。

數據層是使用Hibernate框架，該框架實現與數據庫服務器進行連接，并封裝對數據庫操作的方法，這些方法可以供DAO進行調用。

Spring框架是全方位的整合框架，主要是將以上三個層次進行整體配置和融合，可實現各個子框架的組合，也可實現子框架之間相互獨立。使MES系統軟件的三個層次更好的協同工作。

4.2 MES和FMS集成

MES軟件和FMS軟件的集成的業務流程如圖4.2所示。基本流程是MES系統通過下發訂單，將工藝詳情和訂單綁定在一起交給FMS軟件，然后FMS根據工藝詳情與底層設備進行交互，實現對底層設備的監管與控制，并將生產狀態反饋給MES進行分析處理。

MES系統和FMS系統的集成主要是通過數據庫服務器作為中間橋梁，將兩者之間的數據信息進行處理和交互。MES系統和FMS系統之間傳遞的數據主要包括訂單管理數據、材料管理數據、工藝管理數據和過程實時數據四部分的數據。

圖5 MES和FMS集成的業務流程

訂單管理數據是在客戶訂單生成時產生的數據，主要包含客戶數據和產品數據，客戶登錄系統后填寫客戶信息并保存到數據庫端，客戶填寫其訂單信息也會保存到數據庫，方便下發訂單時對訂單信息的查詢和對訂單狀態的追蹤。

材料管理數據是MES系統獨立的物料管理模塊，其包含原材料信息、成品信息、倉位信息和BOM信息，這些信息都將存儲在數據庫端。在進行工藝流程設計時查詢材料管理數據獲得物料的倉位等信息，從而可以讓設備去具體的位置取或者放具體的材料。

工藝管理數據是在下發訂單時，將客戶訂單信息和工藝流程信息綁定在一起后生成的工單信息，主要包含工藝類數據和排產類信息，這些數據會被存入數據庫端供FMS系統進行調用。

過程實時數據是FMS系統對底層設備監控產生的數據，主要包括任務處理數據、設備管理數據和傳感器數據等。FMS系統不僅對底層部分設備進行實時監控，還會將底層狀態信息存入數據庫端，經過數據庫觸發器來反饋給MES系統進行設備監控和管理[5,6]。

4.3 數據庫設計

根據智慧工廠實驗平臺的特點，MES系統的數據庫設計主要包括MES系統特有的信息數據庫表和FMS系統共用的設備控制數據庫表。MES系統的自身特有的數據庫表主要包括用戶信息相關數據庫表、訂單信息相關的數據庫表以及物料信息相關的數據表；MES系統與FMS系統共用的數據庫表主要包括各個設備的控制表，MES系統可以通過設備控制表獲取設備的狀態信息，從而實現對設備的監控和管理。

由于MES系統和FMS系統之間部分數據庫表的共享和交互可能存在并發問題，在進行數據庫設計時對必要的數據表進行了觸發器設計，通過觸發器設計可以實現設備控制表的狀態信息發生改變時對應MES系統監控狀態表可以直接獲取改變后狀態，從而實現對設備的實時監控功能。如下代碼是物料表內實現庫存改變時對應的可分配物料數據發生改變得觸發器代碼。