離散制造車間MES系統(tǒng)的架構(gòu)研究

苗潤澤，楊國太

（ 安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0．引言

當前，我國還處在制造業(yè)信息化的初期階段，由于受環(huán)境所限，企業(yè)設(shè)備生產(chǎn)的自動化與管理業(yè)務(wù)的信息化一般被視作兩個相互獨立的領(lǐng)域而分開進行。由不同的部門，基于不同的思想，產(chǎn)生了一系列功能單一的信息系統(tǒng)，造成了信息故障和信息孤島等信息阻斷問題。[1]

MES系統(tǒng)是制造業(yè)生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁，計劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。MES系統(tǒng)采集從接收訂單到產(chǎn)出成品全過程的各項數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，用于優(yōu)化管理活動[2]。MES系統(tǒng)通過提高設(shè)備投資回報率、提高準時交貨率、庫存周轉(zhuǎn)率、毛利和現(xiàn)金流績效等手段，解決了信息中斷的問題。

1．體系結(jié)構(gòu)

MES系統(tǒng)從接受訂單到產(chǎn)品出廠的整個過程中，扮演著全程參與的“信息傳遞者”的角色，它必然要擁有管理調(diào)節(jié)車間生產(chǎn)活動的各項功能，同時也密切聯(lián)系其它的信息系統(tǒng)并為其提供服務(wù)，這就決定了MES體系結(jié)構(gòu)就必須滿足以下幾個條件：

（1）MES系統(tǒng)必須是分布式計算機系統(tǒng)[3]；

（2）MES系統(tǒng)可以同工廠、企業(yè)的其它信息系統(tǒng)互聯(lián)，共同提供高效的信息管理與計劃功能；

（3）MES系統(tǒng)以生產(chǎn)實時信息為核心，為企業(yè)各項決策提供直觀信息。

如圖1所示：MES系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個軟、硬件平臺相統(tǒng)一的實時信息管理系統(tǒng)，以計算機終端作為載體實現(xiàn)各部門所需的系統(tǒng)功能，車間主要生產(chǎn)區(qū)的功能節(jié)點主要采用工業(yè)PC/PLC等相關(guān)設(shè)備[4]。通過收集和反饋每個單元的數(shù)據(jù)，覆蓋所有車間的開放式以太網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足閉環(huán)生產(chǎn)和管理的需要。

在MES各個功能模塊間橫向聯(lián)系中，以WEB和MES服務(wù)器為核心，對數(shù)據(jù)進行分析、比較和存儲，提供圖形、報表和數(shù)據(jù)，在MES平臺下對實時信息進行監(jiān)控。在與其它企業(yè)信息系統(tǒng)的縱向聯(lián)系中，通過LAN、Internet或VPN等媒介進行信息的傳輸和聯(lián)絡(luò)[5]，為上層規(guī)劃管理系統(tǒng)提供實時的車間現(xiàn)場信息，使整個信息系統(tǒng)處于動態(tài)的過程。

因此，一個設(shè)計優(yōu)良的MES系統(tǒng)需要將整個企業(yè)揉合成一個緊密的整體，做到自上而下信息實時共享，使業(yè)務(wù)流程變得高效、有序。

2．軟件功能設(shè)計

成功的車間MES系統(tǒng)，在生產(chǎn)管理上按“料、法、機”的思路去安排功能。[6]所謂“料”，即：生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)流程、物料跟蹤、過程管理、生產(chǎn)統(tǒng)計與分析。“法”是指質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)的收集，過程分析，SPC(統(tǒng)計過程控制）。所謂“機”，即指遠程機器監(jiān)控、機器信息管理、機器故障原因分析、機器任務(wù)管理和機器數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

在系統(tǒng)功能設(shè)計時，始終將實時數(shù)據(jù)作為主線，將整個MES系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)緊密聯(lián)系，同時將其分成若干個功能模塊，如圖2所示。

2．1．自動生產(chǎn)調(diào)度排產(chǎn)

系統(tǒng)可以自動接收訂單、按照加工工序處理待加工零件的相應(yīng)排產(chǎn)計劃，對已經(jīng)延誤或有可能延誤的生產(chǎn)任務(wù)進行提醒；人工制定并鎖定加工流程和計劃，可以根據(jù)計劃模式設(shè)定約束條件，對工單進行生產(chǎn)排序，并允許變更部分訂單，可以管理插單，加急訂單等操作；完成調(diào)度排產(chǎn)后，可自動生成圖表，提供查看所有零件的加工工序步驟在機器上的時間作業(yè)分布，也可查看機器上所有加工工序步驟的時間計劃分布。

圖1 MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系Fig.1 MES system architecture

2．2．工藝管理

提供插入典型工藝模板和復(fù)制類似零件的工藝，快速擬定工件的加工工藝功能；擁有預(yù)測零件加工工時的分析功能；它具有強大的虛擬加工部件(拆裝)功能，即CAPP功能，具有過程條碼和零件條形碼標準格式的打印處理卡和工藝數(shù)據(jù)庫管理功能。

2．3．外協(xié)管理

可查詢自動調(diào)度排產(chǎn)后可能延誤的任務(wù)清單，擬定外協(xié)訂單、詢價單，及時對外協(xié)送出、送回的信息進行跟蹤、監(jiān)控。能實時統(tǒng)計外協(xié)單位的延誤率、合格率及延誤成本損失等，以便對業(yè)績進行全程及時管理。

圖2 MES的組成以及與其他系統(tǒng)的關(guān)系Fig.2 MES composition and the relationship with other systems

2．4．生產(chǎn)監(jiān)控

車間生產(chǎn)管理監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S+B/S體系結(jié)構(gòu)，采用手持PAD、手持 RF設(shè)備等進行數(shù)據(jù)的采集，使用系統(tǒng)服務(wù)器完成本系統(tǒng)應(yīng)用程序的管理、維護和運行，從而極大增強系統(tǒng)的集成性和可維護性。車間內(nèi)設(shè)立兩塊電子顯示板，用于顯示整個車間的生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)計劃。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.3 Production monitoring system

2．5．車間庫存管理

制造業(yè)車間的庫存管理一般包括原材料、半成品、成品、刀具、夾具和工裝等[7]。MES可通過條碼化管理完成業(yè)務(wù)流程的操作，既方便又準確。車間各部門接到生產(chǎn)任務(wù)的同時，刀具/夾具/工裝庫房可通過生產(chǎn)計劃自動處理生成刀具/夾具/工裝等各項生產(chǎn)準備計劃，用于指引生產(chǎn)準備及任務(wù)執(zhí)行，可極大縮短等待時間。具備強大的庫存檢索能力，支持隨時查詢歷史出入庫的記錄及當前的庫存情況。條碼化管理主要是在料箱、料架上粘貼條碼，料箱放到料架上時進行料箱與料架的對應(yīng)。領(lǐng)用時直接掃描料箱條碼。這樣可以實時掌握車間庫存與存放位置情況。

2．6．車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要是通過物聯(lián)網(wǎng)智能終端與車間關(guān)鍵資源（物料、設(shè)備、人員）進行高度集成，以多種通迅方式（無線傳輸ZIGBEE、WIF或有線TCP）構(gòu)建公司內(nèi)部的聯(lián)網(wǎng)共享平臺：

（1）直接從加工設(shè)備上采集實際工藝參數(shù)、生產(chǎn)節(jié)拍，防止數(shù)據(jù)的失真，減少由人工統(tǒng)計的誤差和延遲導(dǎo)致的決策延誤；

（2）細的現(xiàn)場數(shù)字化信息（時間、設(shè)備、人員、批次等）為生產(chǎn)的實時監(jiān)控提供了最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源；

（3）對于設(shè)備停機狀態(tài)和管理應(yīng)答等有不確定性的數(shù)據(jù)，使用采集器上的鍵盤進行輸入，彌補了自動數(shù)據(jù)采集的不足；

（4）實現(xiàn)所有加工設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)全流程控制；

（5）不改變現(xiàn)有生產(chǎn)布局、裝備水平和管理能力的情況下，實現(xiàn)精益和敏捷生產(chǎn)；

（6）減少人工派工、人工輸入、減少紙張的使用；

（7）在智能終端上直接上報機器的運轉(zhuǎn)情況是設(shè)備負載，設(shè)備空載或設(shè)備故障，并可通過后臺軟件把設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，用短信方式發(fā)送至相關(guān)責任人手機，引導(dǎo)生產(chǎn)管理者和生產(chǎn)支持職能部門了解設(shè)備,對生產(chǎn)異常做出快速處理。

（8）準確的和實時的采集到車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù),使管理人員能快速了解車間的實時情況，現(xiàn)場的操作人員也能通過智能終端發(fā)出實時請求讓管理人員進行技術(shù)支持；

（9）可以顯示車間工藝操作指南說明書，工藝圖紙，也可配合音頻，視頻播放，通過電子化管理、讓操作員工可以實時了解工藝，對按照工藝說明，準確快速的完成生產(chǎn)；

（10）對設(shè)備故障維修做處快速反應(yīng)，實時的反饋到后臺，詳細記錄，清楚了解車間生產(chǎn)設(shè)備的情況，還可以通過加工程序管理將加工程序、車間設(shè)備、生產(chǎn)工單進行綁定，使車間加工程序管理透明化。

3．關(guān)鍵技術(shù)

3．1．物料工藝狀態(tài)跟蹤技術(shù)

現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)過程中，企業(yè)需要實時監(jiān)控產(chǎn)品在什么時間段內(nèi)處于什么位置及處于什么樣的生產(chǎn)狀態(tài)，這要求企業(yè)對于物料進行有效的監(jiān)控，對于物料的活動情況和活動范圍進行及時精確的跟蹤。生產(chǎn)跟蹤流程如圖4所示。

對物料采取實時有效的跟蹤，可以使企業(yè)的質(zhì)量管理更加高效細致，作業(yè)流程更加規(guī)范，成本核算和庫存管理更加準確，生產(chǎn)計劃更加詳細，更能滿足實際需要[8]。圖4中RFID技術(shù)，又稱射頻識別技術(shù)，是一種通信技術(shù)。它可以通過無線電信號識別出特定的目標，讀取和記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且不需要識別系統(tǒng)來建立與特定目標的機械或光接觸[9]。通過產(chǎn)品跟蹤功能的使用，系統(tǒng)可以隨時監(jiān)測工件的位置和狀態(tài)，收集和記錄產(chǎn)品或部件的處理，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，每一個部件或產(chǎn)品的可追溯性記錄。必要時，將問題的根源及處理結(jié)果告知客戶。鑒于物料的工藝狀態(tài)在MES系統(tǒng)中的重要作用，本文將物料工藝狀態(tài)的跟蹤技術(shù)作為MES系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 生產(chǎn)跟蹤流程圖Fig 4 Productiontrackingflowchart

3．2．車間生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)

離散制造企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，協(xié)同作業(yè)復(fù)雜，生產(chǎn)過程控制困難，變化快。局部故障或某種措施不及時實施，往往影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行。因此，必須緊抓生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)，及時了解和更正生產(chǎn)計劃，分析和提取影響生產(chǎn)作業(yè)的各種因素，并根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)的對策，縮小差距，恢復(fù)作業(yè)正常[10]。生產(chǎn)調(diào)度是組織、實施生產(chǎn)計劃的工作，是以生產(chǎn)計劃為根本，通過控制作業(yè)調(diào)度實現(xiàn)生產(chǎn)計劃，其必要性是由離散制造業(yè)生產(chǎn)活動的基本性質(zhì)決定的。

實際中車間的業(yè)務(wù)流程比較復(fù)雜，加工環(huán)境相關(guān)的各類因素時常發(fā)生變化，不確定事件經(jīng)常發(fā)生等等，也讓車間的生產(chǎn)調(diào)度等問題更加復(fù)雜化。因此，本文認為對于車間生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)的研究也是MES系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。車間的業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

3．3．基于BOM的信息集成技術(shù)

物料清單(BOM)是工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)描述性文件，它不僅是產(chǎn)品產(chǎn)出的所有項目元素的列表，而且還表明這些項目元素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從原材料到零部件，直到產(chǎn)品的最終形態(tài)，以及它們之間的關(guān)系。BOM是制造企業(yè)的核心文件，應(yīng)用于各個部門和系統(tǒng)。從BOM中獲取特定的數(shù)據(jù)，通過研究數(shù)據(jù)中的一致性轉(zhuǎn)換實現(xiàn)MES系統(tǒng)與其它企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成是MES系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 車間MES系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖Fig.5 Workshop MES system business flow chart

4．結(jié)論

MES系統(tǒng)是面向于生產(chǎn)車間這一制造業(yè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的信息管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)信息化的重要構(gòu)成部分，是制造業(yè)改善車間管理結(jié)構(gòu)、增強市場競爭力的必然選擇[11]。本文對MES系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，分析了車間管理的體系結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)據(jù)交互模式。隨著工業(yè)4.0及中國制造2025規(guī)劃的深入推進，MES系統(tǒng)也將得到更好的發(fā)展與完善。

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