基于工業現場數據的制造執行系統應用研究

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(1.湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105； 2.大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著高新技術迅速發展及制造業全球化競爭日益加劇，傳統工廠的生產加工模式已不再適用現代化工業建設的浪潮，以德國工業4.0、中國制造2025為目標，企業普遍開展了智能化車間建設，制造執行系統(MES)作為CIMS中重要環節，在車間生產過程中占據了重要作用，現代化工業過程正朝著大規模、復雜化的方向發展，以傳感器技術、計算機技術、通信技術、數據存儲技術的發展[1-3]，離散制造業存儲了大容量數據，且隨時間呈指數增長，如何對PCS層數據進行采集及數據的篩選、評估、分析、傳遞，有效利用在線及歷史數據[6]進行異常信息檢測[4-5]及故障智能化處理[7]顯得尤為重要，對于工廠制造業整體水平提升具有重要意義。

本文以院士工作站開展的某國有企業應用智能工廠管控技術研究與MES系統開發為背景，應用OPC技術[8-11]進行數據采集，形成基于數據的工業過程異常檢測及故障智能化處理，最終實現基于Web的數據采集與監控系統。

1 MES系統總體設計

為適應智能化工廠的管理需求，研究與開發MES系統，MES以制造數據為核心，數據采集為基礎，輔之以監控和看板展示，研究一款具有設備、物料、質量、排產及報工等功能模塊的面向汽車零部件裝配行業的系統，而且還要具有數據的篩選、評估、分析、傳遞功能，從而實現工廠信息的縱向和橫向的集成。

MES研發重點集中在數據采集、數據可視化及數據分析相關算法的應用上。數據采集部分主要研究傳統MES不采的數據，解決現有生產數據采集不上來的問題。在數據采集支撐的基礎上，將算法應用在排產、調度、設備管理、質量管理等模塊上，指導生產。

開發有特色、與傳統MES不一樣的系統體現在：

1)生產狀態可視化：

(1)及時、準確采集生產現場過程數據，包括物料消耗、批次、設備狀態、質量數據、班組人員；

(2)從生產、設備、質量、人員多個角度建立反映工廠生產狀況的可視化綜合評價體系，通過對數據的統計、分析，及時發現生產中存在的問題。

2)生產過程可追溯

(1)從生產計劃的下達到生產任務的完成，從零部件使用到成品入庫，在業務流和物料流兩個維度建立全面可追溯的生產管控體系；

(2)包括對生產事件和操作過程的追溯、追溯體系的建立將極大的推動現場操作和生產管控水平的提升。

3)生產管理持續改善

(1)規范生產作業流程，使現場操作人員能夠準確的執行生產指令，管理人員能夠及時地了解現場生產狀況，最終實現生產管理的持續改善；

(2)為生產決策提供數據支撐，提高生產效率，推動管理目標持續改善以及精益化生產的實現。

1.1 系統架構

MES系統劃分為基礎支撐層、數據庫層、業務層和展示層。總體架構遵循相關法規與標準規范和安全保障體系的要求。MES系統架構如圖1所示。

圖1 MES系統架構

基礎支撐層：本層為MES系統提供基礎的支撐，包括硬件設備和網絡環境，如自動化設備(機床、機器人等)、服務器、人，也包括MES系統所需數采設備(掃描槍、RFID、PLC等)。

數據采集層：本層包括數據采集方式(自動采集、手工錄入)、數采的內容(生產動態數據、靜態數據)和數采管理(數據修改、數據格式轉換)。

數據層：本層存放數據采集層所采集上來的數據和MES系統運行所需的數據。

業務層：此層是MES系統的核心，MES所能提供的業務處理包含在其中，其對應了系統的業務需求及功能需求。

展示層：此層為人機交互界面，展示了MES系統所監控的生產運行情況和統計分析結果，為用戶對生產管理做決策提供判斷依據。

監控管理體系：此層對生產所涉及的人、機、物、料進行監控和警告，可實時觀測生產狀態，并以資源+KPI的指標方式進行管理。

生產管理體系：此層是MES系統的業務處理層，其包含訂單管理、設備管理、質量管理、物料管理及資源管理。

綜合分析體系：此層包含MES系統所需出具的各類報表、統計分析圖。

具體表現為以下三點：

1)向上與工廠級管理系統(如ERP)可靠對接，兼容主流管理系統軟件，如ERP、PDM、CAPP等系統；

2)向下適應絕大多數主流PLC、機器人、AGV、執行器、傳感器的通訊協議；

3)同時橫向對工廠的排產、人員調度、設備狀況、物料、質量控制等進行綜合管理。

1.2 系統業務架構

由于業務線存在多條，故只將總體業務流畫出，暫未整理具體的產線業務流程，大致整理了計劃層訂單下達及底層數據上傳過程，通過ERP系統將訂單下載或人工導入任務、相應的工序信息及生產BOM信息，首先人工對訂單進行適度調整，然后利用MES系統中智能計算，生成較優的排產方案，生成訂單排產信息下發至底層車間設備、物料、人員，底層數據采集信息也及時傳至MES系統。根據生產車間實時情況分析，形成動態調度過程，期間通過對底層數據的利用形成生產監控體系，質量監控體系，以生產進度圖形、報告等形式進行展示，在生產過程中，每一個產品都建立了詳實的檔案庫，實現產品生產環節信息可查詢、可追溯，連接供應商、企業、客戶之間的跟蹤通道，完善整個信息跟蹤過程，同時車間異常故障信息也能及時在監控層進行查看展示，管理層能通過統計分析模塊查看相應報表，如：計劃報表、生產報表、質量報表、設備報表、人員報表及物料報表等。

MES系統業務架構如圖2所示。

圖2 MES系統業務架構

2 系統軟件架構

軟件技術路線：

1)整個MES系統采用B/S結構：建立在瀏覽器、廣域網上，具有更加豐富的表現方式和用戶進行交流及系統的無縫升級問題；

2)基于J2EE架構進行設計和開發，支持跨平臺部署：J2EE是專門針對企業級應用進行開發，將復雜的企業應用的創建、管理、發布簡單化，它是一個典型的三層結構，在實際應用中可以在不同的層上面進行擴展開發，java語言適用不同的軟硬件環境，支持在不同的平臺運行；

3)使用Web Service技術，利用XML/JSON作為系統接口的數據交換標準：Web Services是建立可互操作的分布式應用程序的新平臺，定義了應用程序如何在Web上實現互操作性，系統前端采用javascript、JSP,后端采用Spring+SpringMVC+Mybatis(SSM)框架進行邏輯處理，SSM是一個輕量級的框架，是標準的MVC設計模式，整個系統被分為顯示層、Controller層、Service層、Dao層，Spring負責實現業務對象管理，SpringMVC實現請求轉發和視圖管理，Mybatis作為數據對象的持久化引擎，是基于java的持久層框架,數據存儲在服務器中采用XML文件，它具有良好的自定義性和可交互性，其存儲結構簡單靈活；

4)通過OPC DA 2.0進行硬件數據的讀取，數據庫采用Oracle存儲數據：采用OPC技術進行數據采集，遵循OPC數據存取規范，數據庫Oracle是關系型數據庫，使用方便、可移植性好、功能強；

5)應用服務器選用Tomcat：Tomcat是開源輕量級應用服務器，適合中小型系統及并發訪問用戶不多的場景下廣泛使用；

6)整個過程遵循ISA-95標準進行MES功能端開發，MES應用架構在設計和模塊功能實現均參照了S95標準，為信息交換提供了標準，技術實現如圖3所示。

圖3 MES系統軟件方案

3 OPC技術及其應用

OPC是一種基于微軟OLE、COM/DCOM技術的自動控制協定，它是工業控制軟件接口標準，在設備及其控制軟件之間建立了數據通信標準，解決了不同設備和應用軟件、不同協議下的底層通訊問題，系統能夠以服務器/客戶端標準形式從服務器中獲取數據并將數據傳遞給任何客戶應用程序，使自動化控制應用程序與現場系統、設備之間具有更強大的互操作性和兼容性。

OPC技術規范有5個部分：包括OPC數據存取規范、OPC報警和事件規范、OPC歷史數據存取規范、OPC批量過程規范、OPC安全規范。OPC規范建立的核心是數據存取規范(OPC DA)，它提供了給用戶訪問實時過程數據的方法，對于開發者來說，OPC DA是實現的數據采集的重點。

OPC服務器由3個對象組成：服務器(Server)、組(Group)、項(Item),如圖4，OPC服務器對象用來提供關于服務器對象自身的相關信息并且作為OPC組對象的容器，組對象用來提供關于自身相關信息并提供組織和管理項的機制。

圖4 Server/Group/Item關系

數據流程如圖5所示。

工業現場數據采集與處理流程如下：

1)采集階段：采用OPC技術對底層數據根據特征選擇，如：物料、設備、人員、質量及關鍵運行參數進行采集；

2)應用階段：關鍵運行參數指標監控及異常值篩選；

3)分析階段：對相應的異常值，根據相應的數據層搜尋到相應的業務層，結合系統總體結構庫，如：專家系統，對生產異常的(告警)，系統對其數據及解決方法進行存儲，再通過專家庫中累積的知識，自主的做出判斷，找到故障出錯點，提示給系統管理員、生產管理員，找到故障出錯點，幫助其解決實際發生的問題，形成閉環控制。

圖5 工業現場數據采集與處理流程

4 MES系統實現

基于工業現場數據的制造執行系統應用J2EE體系進行開發，從而滿足系統應用的通用性(JAVA跨平臺的特性)，如圖6所示。

圖6 MES系統

MES系統布局實現頁面，左邊導航欄顯示相應四大體系，整體由四大部分組成，分別是監控管理體系、生產管理體系、綜合分析體系及通用支撐體系，其對應系統設計的總體框架圖。整個流程可以清晰在系統中顯示，通過分析企業實際業務需求，形成了生產計劃管理、質量管理、設備管理、物料管理、資源管理等五個功能模塊的面向汽車零部件裝配企業的通用型MES。

整個系統功能技術方案實現穩定可靠，便于后期進行維護，頁面實現簡潔，便于員工進行操作，以生產資源配置庫管理為例，里面包含線邊庫位管理、設備信息、設備狀態、設備班次、設備類型、工藝主數據、數據交互配置等功能欄，在相應功能欄中，通過相關關鍵字可以進行增刪改查基本操作，將系統與數據進行對接，根據生產車間實際情況，切實解決了工廠生產車間信息縱向和橫向的集成。

生產跟蹤主要對企業整個生產過程進行監控和管理，從生產計劃下達開始，對企業生產過程產生的主要參數進行監控，使得企業管理人員能夠實時、準確地了解一線生產信息。通過對現場生產事件和物料消耗事件的跟蹤和記錄，不僅可以實現從產成品到原材料的追溯和從原材料到產成品的追溯，同時也可以對設備、人員、工序、工藝參數、質量檢驗等多個要素進行追溯，實現對產品質量的全方位管控，真正做到根據成品的生產批次追蹤到該批次生產過程中的使用的設備，經手的人員，檢驗的標準以及所使用的原料批次和供貨商等信息。

通過對底層設備采用OPC技術進行數據采集，將采集回來的數據進行分析處理，找到數據中的異常值，然后智能化處理形成閉環控制，整個過程將顯示在導航欄監控管理中，通過對監控可以及時發現存在的問題并及時做出相應決策，實現以實時數據作為支撐的智能化MES系統。

在工廠生產車間復雜約束條件下，對其進行調研，抽象化復雜生產環境，根據目標對象找到決策因子，建立車間生產線仿真模型，通過對機器和工序分別進行矩陣編碼，利用改進的遺傳算法進行優化求解，最終實現工序、加工機器的相互匹配過程安排，節省了整個制造過程的最終完工時間。

系統以實現精益生產為目標，研發重點聚焦在數據采集、數據可視化及數據分析的應用上，使系統在數據采集支撐的基礎上，對生產狀況、設備使用、產品質量進行統計分析，通過相應算法進行排產與調度，從而指導生產，以最少的資源，實現最大效率的產出。

5 結論

設計并開發了一款基于工業現場數據的制造執行系統(MES)，本文敘述了整個MES系統架構、業務架構、軟件實現方案及OPC技術在系統中的應用，整體設計方案遵循標準性、擴展性、先進性和成熟性、安全性和保密性、穩定和可靠性，重點集中在數據采集與處理分析，使底層(PCS)與ERP層信息縱向集成，基于B/S架構通過WEB直接可以遠程實時監控和指導生產，提高了調度和管理效率，通過在車間的投產應用證明此系統的可行性，對其它類似車間建設MES系統具有一定的指導意義。