應用于離散型制造業智能車間的制造執行系統MES研究與工程應用

吳宇豪　朱華

摘? 要：閥門工廠屬于離散型制造業的一種典型工廠，生產涉及加工、裝配、檢測等工藝過程，體現多品種小批量的特點，對人員、物料、設備管理的實時性要求較高。為提高效率，降低庫存，方便追溯質量，在車間使用制造執行系統（Manufacturing Execution System，以下簡稱MES）進行優化管理至關重要。文章依據某閥門工廠的生產流程和管理要求，基于微服務架構，針對性的開發出庫存管理、生產排程、電子看板、人力資源管理、設備管理、質量管理等功能模塊。實踐證明，該軟件系統很好地滿足了生產過程所涉及的業務功能的管控需求，提升了生產效率，實現了生產過程的透明化和精益化，為建成數據驅動的智能工廠打下了良好的基礎。

關鍵詞：離散型制造;制造執行系統;微服務架構;軟件系統

中圖分類號：TQ630.7 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）31-0024-05

Abstract： The valve factory is a typical factory in intermittent manufacturing. It involves machining， assembling and testing processes. This process shows the characteristics of mass varieties and small batches. It is very important to use manufacturing execution system （MES） for improving efficiency， minimizing inventory and managing quality. Based on themicro-service architecture， MES software has been pertinently developed for a valve factory， and it has some key functional modules such as inventory management， advanced planning and scheduling， electronic signage， human resource management， equipment managementand quality management etc. Practice has proved that this software system satisfies the management and control needs of the lean producingand lays a good foundation for building a data-driven intelligent plant.

Keywords： intermittent manufacturing; manufacturing execution system; microservice architecture; software

1 概述

當前閥門工廠的運營模式是按訂單訂制生產，外購原輔料、零部件、成品等都體現出離散型制造業多品種、小批量的特點，這對生產過程中的庫存管理、排產、人員以及質量管理的實時性提出了較高的要求[1-3]。目前大部分中小型工廠的管理工作都依賴于人工，這不僅制約了工作效率，也無法實現生產管理流程的數據化和透明化，急需建立基于數據驅動的智能工廠管理模式[4-6]。制造執行系統（以下簡稱：MES）是將現代信息化技術應用于生產車間制造過程管理的一種解決方案，可以有效連接上層生產管理系統（比如ERP系統）與車間的現場控制[7-10]。

本文以閥門工廠為研究對象，首先對工廠業務的流程和管理需求進行梳理，理清內部邏輯關系，然后在微服務架構下開發各功能模塊和軟件系統。在工廠上線后，運行結果表明，該MES軟件系統的庫存、排程、看板、人員、設備和工具、質量分析等功能模塊符合生產過程管理的需求，實時性強，人機交互良好，操作簡便，為實現智能工廠奠定了良好的信息化基礎。

2 MES軟件架構

MES作為連接工廠計劃層和車間層執行系統的中間層，不同的企業對MES的功能要求是不同的，具有訂制性的特點。為了讓系統能提供快速模塊化選配能力，本文采用層次化、模塊化、可插拔的體系架構，通過現有模塊的選配、替換和擴展，可以提供快速滿足用戶訂制需求的能力，同時如果客戶需求調整，軟件功能也可相應靈活調整。本文的軟件基礎平臺提供了非常好的復用性，并為功能擴展提供插槽，可以非常低的價格獲得升級帶來的好處。基于以上提供的個性化定制層，通過基于平臺之上可復用資源庫的組件選配、系統建模、二次開發擴展，提供滿足個性需求的能力。基于微服務架構，將應用程序的不同功能單元（本文稱之為微服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來，使模塊保持良好的內聚性，模塊間松散相關，使得系統具有良好的復用性、集成性、可移植性。本文MES的架構如圖1所示。集群基于通用Linux 操作系統，通過容器化實現了服務的解耦，工藝文件等公司資料存放在分布式文件系統glusterfs中，投屏基于websoket進行數據的更新，由tomcat對外提供web的服務。

3 MES功能模塊開發

根據對閥門工廠的業務流程分析，結合該工廠的特殊需求，比如考勤、工時統計、工具管理等，本文確定MES軟件的功能點主要包括：用戶管理模塊、考勤模塊、基礎數據模塊、設備管理模塊、生產管理模塊、工具管理模塊、投屏模塊等。細節要求如圖2所示。

3.1 用戶模塊

用戶模塊主要分為用戶管理和角色管理，如圖3所示。用戶管理用于維護員工的個人信息，角色管理每個員工的權限，不同角色可以根據權限來訪問MES的不同功能模塊并進行相應的操作。

3.2 考勤模塊

應用人臉識別技術，在MES中設置考勤功能。根據廠家的特別需求，配置相應字段信息，每小時考勤一次，記錄考勤結果，并在大屏上進行展示。對規定時間內未完成人臉識別考勤認證的員工，做考勤異常報警提示。通過服務器串口外接一個短信貓池設備，給管理員或者設定的用戶發送考勤異常報警短信。其功能如圖4所示。

工人從“入口考勤機”考勤進行入車間登記，從“出口考勤機”進行出車間登記。中途整點考勤可以在任一整點考勤機上進行考勤，信息在系統內共享。整點考勤人員范圍包括，在系統配置的時間段內，在入考勤機上考勤過的但沒有在出考勤機上考勤過的人員。整點考勤的時間范圍包括，系統配置的時間段內的整點時間。對在考勤時間范圍內，對需要考勤的人員進行整點考勤，對缺勤人員進行告警處理。對于考勤機中的無效的離職人員，應及時進行數據的刪除和維護。

3.3 基礎數據模塊

基礎數據模塊是定義不同型號的產品BOM表及內部零部件的裝配關系的關鍵環節。首先對產品的型號相關數據進行錄入，成品可配置多個子零件的半成品，半成品配置多個毛坯或者原材料。對產品型號進行生產工序配置，將工藝文件綁定在產品的具體工序上，并在每道工序上關聯車間屬性、設備、人員、工時等基本信息。此外，此模塊中還包括了物料庫存管理功能，可以實時反映物料流水情況。功能如圖5所示。

3.4 設備管理模塊

該模塊功能主要包括：機臺設備添加，機臺設備可生產產品工序配置，機臺設備可操作員工配置以及機臺設備標準工時維護。設備標準工時維護是按每生產一件產品多少小時來統計的。界面如圖6所示。

3.5 生產管理模塊

生產管理第一步是生產訂單的管理，主要通過手動的方式錄入生產訂單，其中包括生產車間、產品型號、產品特殊性說明等[11]。也可以通過中間表的方式，從ERP系統中自動對接。第二步是訂單結果確認，主要通過掃碼方式對訂單結果確認，在條件允許的情況下對不合格訂單信息進行錄入，并對訂單生產進行跟蹤，結果顯示在大屏上。界面如圖7所示。

生產訂單到工單的拆分是系統自動完成的，操作人員只需要在對應的生產計劃條目上點擊拆工單，即可自動生成該計劃的工單。主要過程為，取得生產計劃中產品信息，包括產品編碼、產品代號、計劃數量，根據產品編碼與工序管理中的產品編碼關聯，生成工單信息。整理成代碼邏輯如下：

for each product in productplan

for each product in procedure

{

if（product.valid==ture）

generate worksheet;

}

for each end

for each end;

工單拆分之后，就可以根據需要進行派工，其過程為：取得工單中產品信息、計劃數量、已生成數量，根據產品編碼與機臺設備工時管理中的工時定額和操作工信息，生成派工單信息。其中零件的派工數量以當前機臺的工時定額，以及前一道工序的已完成數量和當前的派工數量之和作為參考進行派工。對于產品的工單，完成后，需要扣除拆工單中對應零件的已使用數量。另外根據機臺工時配置和完成數據，生成員工工時數據。派單如圖8所示。

3.6 工具管理模塊

工具管理包括勞動工具和工裝夾具的出借和回收流程，通過對工具進行賦碼，在使用過程中讀碼對工具進行實時管理，管理人員可以在系統中實時查詢工具使用情況。利用基礎數據模塊中的工時工具管理菜單定義工序中的各種工具。

3.7 智能投屏模塊

車間管理員投屏與機臺進行綁定，對產線的實際排產信息和機臺完成量進行顯示，同時展示產品的工序和工藝文件[12]。工藝文件投屏和車間大屏的畫面構成如圖10和圖11所示。

通過查看當前時間段的派工單，找到對應機臺信息，顯示到對應的投屏，存在多個機臺顯示在一個投屏的情況，此時通過遙控器左右鍵切換到不同機臺。智能投屏操作系統如圖12所示。

4 結束語

十九大報告100項任務中指出：推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合。工業互聯網已經上升為國家戰略。MES作為生產管控類的工業軟件，是工業互聯網平臺重要的組成部分。滿足離散型制造業用戶大規模個性化定制和柔性生產的要求，是MES的發展趨勢。本文針對閥門工廠的實際業務需求和流程，基于微服務架構，針對性的開發出庫存管理、生產排程、電子看板、人力資源管理、設備管理、質量管理等功能模塊。系統運行狀態表明，該系統很好地滿足了生產過程所涉及的業務功能的管控需求，特別是排產、工時統計、工具管理、考勤等，提升了生產效率，實現了生產過程管理的透明化和精益化，為建成數據驅動的智能