壓力變送器制造車間MES的設計與實現

崔 晨

(上海自動化儀表有限公司，上海 200072)

0 引言

壓力變送器制造車間具有品種多、小批量生產等特點。車間排好生產計劃后，往往根據經驗制定物料需求計劃和領料單，這樣就可能導致物料不夠或浪費。在制品跟蹤過程中，采用紙質卡片形式，無法做到流程實時共享；插單現象也容易造成生產管理混亂等。傳統方法缺乏生產執行數據的廣度和深度[1]。

制造執行系統(manufacturing execution system,MES)的突出特點是優化生產過程[2]，協調生產任務。將MES引入企業壓力變送器的制造車間，可實現制造自動化，從而提高生產力和競爭力[3-4]。

1 壓力變送器車間工藝流程

首先進行半杯體加工、零件清洗、玻璃燒結、球面磨削、再清洗、真空鍍膜、膜片處理、膜片張緊等，這些工序統稱為電容傳感組件制作；然后對膜盒進行焊接、在膜盒中心位置進行灌油；最后進行膜盒封裝，并貼上二維碼作為標志。壓力變送器的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 生產工藝流程圖

電路板用于三防處理和溫度測試等。在機械構件加工并且檢測合格前提下，進行整機裝配。整機根據量程范圍進行溫度補償、整機調試，在所有工序完成后包裝出廠。生產過程中，在每一道工序完成后都會進行半成品檢驗，對不合格品進行統一報廢處置。

2 MES功能模塊設計

2.1 系統模塊架構

基于壓力變送器車間生產特點設計的MES主要包括基礎信息管理、生產過程管理、生產調度管理、查詢和報表管理、可擴展接口等五部分。

基礎信息管理主要用于對登錄系統的用戶進行管理、跟蹤車間設備信息、對車間內物料移動進行計劃監視、記錄每天系統數據更新情況等。

MES架構如圖2所示。

圖2 MES架構圖

生產過程管理中，電容膜盒是壓力變送器重要的檢測元件，相應關鍵工藝參數都要分步記錄在MES中。溫度補償是保證變送器數據準確測量的前提。為準確得到各個點的補償值，需要進行裝配、校驗、包裝、統計、質量檢測等工作，實時記錄每一批次產品的最終采集信息，嚴把產品質量關。

按照生產計劃或訂單需求，生產調度管理用于對生產運營的整個過程進行協調和管理，并對每一環節進行更優化的排產，控制生產過程中的物料流和庫存。有偏差時，系統及時響應和報警。

當壓力變送器出現返修時，系統能在盡量不影響當前生產任務的同時，在對應生產環節進行插入式排產，并對返修過程進行記錄。膜盒的制作周期較長，可以作為半成品進行出入庫管理。通過看板實時顯示車間的生產過程，從而提高加工效率。

查詢和報表管理便于管理員進行記錄追蹤和存檔工作。生產過程中的任一環節可作任意級對應的關聯查詢，并且在一些必要的環節設定報表查詢功能，以便產品跟蹤，實現半成品、成品從原材料、生產加工、裝箱全流程的質量信息管控。

2.2 系統模塊流程

MES生產規劃運行流程如圖3所示。通過企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)或管理員調度產生訂單和料號，保證訂單數據的準確性，同時防止產生重復的號碼。采用統一的流程管理，防止生產過程順序錯誤。每個制作環節都有相應的半成品系列號條碼，方便進行相關聯的數據追蹤，防止因產品不合格造成后續成本的浪費。

圖3 MES生產規劃運行流程圖

系統流程精確到每個環節的作業過程。系統流程如圖4所示。

圖4 系統流程圖

通過統一的生產工序管理，在數據采集端，利用無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)和條形碼技術選擇生產任務[5]，降低輸入錯誤率。每個產品零件上都有唯一條碼，以便系統作關聯記錄和統計。

MES能對車間在制品、庫存等全程進行動態管理和監控；能將正在加工的產品名稱、工序號、批次號、編號等信息直接顯示于工位看板。這樣大大減少了工人的工作量。工人完成自己相應工序后，相關數據隨即被輸入數據庫中并加以保存。當車間現場發生意外情況時，相關部門迅速得到信息，及時作出調整，排除事故，使后續生產順利進行。

3 MES實現方法

3.1 整體思路

MES采用客戶機/服務器(client/server,C/S)模式。C/S模式具有界面清晰、數據實時處理能力強、傳輸速度穩定、安全性好等特點，能滿足車間各制造環節頻繁地與系統相關功能模塊通信的要求。系統分為客戶端、服務器、數據庫三層。數據庫不再與客戶端直接相連，而是通過若干業務邏輯構建共享數據庫，從而減少雙方的連接次數，提高數據庫服務器的運行效率和安全性能，也方便系統的維護。

服務器采用Servlet技術開發[6-7]。數據庫管理系統采用MySQL軟件定義、存儲數據。

3.2 客戶端

客戶端使用微軟推出的用戶界面框架(windows presentation foundation，WPF)。它以DirectX為核心繪圖函數，視覺效果更佳。其外觀使用可擴展應用程序標記語言(XAML)設計，操作行為則使用C#語言實現，界面清晰美觀[8]。

根據系統模塊架構和車間工區劃分情況，將客戶端界面主菜單分為半杯體制作、膜盒制作、傳感頭裝配、溫度補償、總裝、質量檢測、生產調度管理、查詢和報表管理、基本信息管理。菜單需要根據工區進行權限設置，不同工區的工人只能對自己的作業頁面進行操作；管理頁面只對參與相關管理工作的人員開放權限。客戶端既支持工人掃描自身工號二維碼登錄，又支持掃描工單自動彈出相關作業。

客戶端使用HTTP協議發送Request請求給服務器，待服務器處理完成準備進行Response響應時，會將響應封裝成Json格式回傳給客戶端。客戶端收到后對Json包進行解析，并進行相應的用戶界面處理。客戶端采用POST方法推送數據至服務器。

服務器利用StreamReader類獲取GetRespons-eStream的內容，并以StreamReader類的Read方法依次讀取每一行的內容直至行尾，實現數據格式轉換。核心代碼大致如下。

Stream respStream = response.GetResponseStream();

//響應信息為Stream

StreamReaderrespStreamReader = new StreamReader(respStream,Encoding.UTF8);

//UTF8解析

byteRead = respStreamReader.Read(cbuffer,0,256);

//解析放入byteRead

respStream.Close();

客戶端會事先和服務器定義每組Json包的數據類型和結構形式，然后通過JsonConvert.DeserializeObject(strBuff)反序列化，將收到的Json包進行數據解析。解析后的相應字段可顯示在客戶端。

3.3 服務器

服務器主要用于處理客戶端請求。Servlet工作原理如圖5所示。當服務器響應后，把請求轉交給Servlet引擎進行處理。如果Servlet中含有訪問數據庫的操作，則還要通過Java數據庫連接(Java database connectivity，JDBC)驅動對數據庫進行操作訪問，最后Servlet將動態生成的信息發送至客戶端[9]。

圖5 Servlet工作原理圖

在一個Servlet周期，要調用init()方法和destroy()方法。init()方法在javax.Servlet接口中定義，完成初始化工作。初始化后Servlet接受客戶端請求。當處理請求完成時，destroy()方法被調用，釋放init()方法中申請的資源。而Servlet處理請求的流程大致為：Servlet根據請求創建對象HttpServletRequest和HttpServletResponse，然后調用doPost()方法響應客戶端請求。

HttpServletRequest接口主要包含getCookie()方法和getSession()方法，分別用于存放客戶端的Cookie數組和獲取當前HTTP會話對象。HttpServletResponse接口是對客戶端的HTTP響應，其中包含的addCookie()方法和setStatus()方法，分別用于向響應結果中加入Cookie和將響應狀態碼設定為指定值。此外，Servlet分配1個Session用于存放客戶端的狀態信息，getId()作為Cookie保存在客戶端中，用于讓Servlet讀取并找到相應的狀態信息。invalidate()可以定期釋放Session占用的資源；setAttribute(name,value)和get Attribute(name)用于讀/寫Session中的屬性值；isNew()用來判斷Session是否為新創建。

服務器根據客戶端的請求類型，對系統中的應用邏輯進行判斷和處理，并將處理結果返回給客戶端。

3.4 數據庫

MySQL數據庫可以運行在不同的操作系統，實現多用戶、多線程、多語言的程序接口[10]。根據壓力變送器的工藝流程，數據庫主要表單名稱及內容如表1所示。

表1 數據庫主要表單名稱及內容

表1中：質量檢測關聯了五大工藝中所有的檢測數據；賬號管理則覆蓋了整個MES系統。

五大工藝流程中，各環節的批號和編號具有相關性。膜盒制作由兩個批次相同的半杯體組成；變送器在完成膜盒、電路板等元件組裝后，會根據出廠編號進行溫度補償和總裝。

MySQL提供了一套JDBC。它由一些類和接口組成，用于實現通信，并訪問、操作數據庫，使得開發和操作數據庫可以直接調用，無需考慮資源內部的問題。操作數據庫的步驟大致如下。

①加載MySQL的驅動。

String driver = "com.mysql.jdbc.Driver";

②定義要連接數據庫的url地址。

String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/mes_db";

③加載數據庫驅動。

Class.forName(driver);

④調用DriverManager的getConnection()方法，獲得對象。

conn =(Connection) DriverManager.getConnection(url,用戶名,密碼);

⑤連接完成后，針對數據庫操作中不帶參數的SQL語句，使用Connection接口的createStatement()方法傳遞。

Statement stmt = conn.createStatement();

而對數據庫中的表進行插入、更新、查詢、刪除等帶有參數的操作，使用Connection接口的prepareStatement()方法傳遞。

PreparedStatementpstmt =(PreparedStatement) conn.prepareStatement(“insert、update、select、delete的SQL語句”);

pstmt.setString(1,user.getName());

//對數據庫進行操作

inti = pstmt.executeUpdate();

//執行insert/update/delete等語句時使用

inti = pstmt.executeQuery();

//執行select/update等語句時使用

⑥操作完成后關閉JDBC對象，釋放所有資源。

4 結束語

MES實現了壓力變送器制造車間的信息共享，將制造計劃與實際生產相結合，提高了生產設備的利用率和企業的管理效率，實現了車間管理流程的信息化。系統既具有簡單實用、可配置性強、界面簡潔等特點，還具有一定的擴展性。該系統為企業實現信息化制造、信息化管理和提高自身競爭力提供了一定的參考。

[1] 叢力群,畢英杰.打造數字化協同制造企業——MES未來發展的新方向[J].自動化儀表,2010,31(10):1-4.

[2] 黃河清,俞金壽.面向流程工業的MES及其關鍵技術[J].自動化儀表,2004,25(1):10-15.

[3] PAN F C,SHI H B,DUAN B.Manufacturing execution system present situation and development trend analysis[C]//2015 IEEE International Conference on Information and Automation,2015:535-540.

[4] LEE S W,NAM S J,LEE J K.Real-time data acquisition system and HMI for MES[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26(8):2381-2388.

[5] 張明虎,張暐,殷欣,等.RFID手持設備追溯管理系統設計與實現[J].自動化儀表,2017,38(1):57-60.

[6] 林立.微軟解決方案架構與MES項目實施[J].自動化儀表,2008,29(2):134-137.

[7] MACHIDON O,SANDU F,CHITIC M,et al.Design and deployment of reconfigurable hardware using web services[C]//Networking in Education and Research Joint Event RENAM 8th Conference,2014:1-6.

[8] WILLIAMS M.Visual C#.NET技術內幕[M].北京:清華大學出版社,2007.

[9] 劉曉崢.淺析基于JSP技術的JavaBean和Servlet[J].科技視界,2015(34):241-241.

[10]胡敏.Web系統下提高MySQL數據庫安全性的研究與實現[D].北京:北京郵電大學,2015.