中小型制造企業“智慧車間”的設計構思

盛敏

摘要：隨著供應鏈的全球化，智能制造引領制造業轉型已愈加明顯。中小型制造企業力圖借助信息技術和新管理策略來達到精益化生產制造管理狀態，從而加深了“智慧車間”的創新設計需求。通過對制造業“智慧車間”的市場概況和國內外系統應用現狀分析，根據中小企業所需的柔性、成本、簡化、集成特點，提出基于可配置化、可離線執行的MES云平臺設計構思。利用柔性協同MES組件平臺技術、可配置化離線執行工位終端技術和SAAS平臺技術，滿足中小型制造企業數據協同、解決離線斷網、多租戶定制數據存儲等實際要求。

關鍵詞：智慧車間;可離線執行;MES云平臺;工位終端技術;SAAS平臺

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0191-03

“智慧車間”是指通過網絡、軟件管理系統將自動化數控設備互聯互通達到感知狀態，通過實時的數據分析實現自動判斷決策和精確執行指令的智能化車間，旨在提升產品整體生產水平，提高企業生產管理能力和滿足客戶需求的及時交付能力。隨著物聯網、5G、人工智能、云計算等技術的爆發，在2019年的國家政府工作報告中首次提出了“智能+”的概念。在中國制造“2025”等一系列國家政策積極推動下，智能制造引領制造業轉型的趨勢越來越明顯。很多中小型制造企業開始想方設法地通過信息技術手段來更好地管理制造生產過程，改善生產質量，提高客戶需求滿足能力，從而催生了符合中小型制造企業“智慧車間”的創新設計需求。

1制造業“智慧車間”的市場概況

1.1制造企業“智慧車間”的需求巨大

隨著供應鏈的全球化和信息技術的廣泛應用，國內生產制造企業都處于產業轉型升級的關鍵時期，對“智慧車間”的需求巨大。對于全國廣大中小型制造企業而言，雖然產值低，生產方式相對落后，但是其轉型升級的愿望和壓力比大型企業更加迫切。由于成本問題，這些企業顧慮重重，大多數都未實現車間級生產智能協同管理，所以“智慧車間”的需求市場前景廣闊。

1.2市場倒逼“智慧車間”成為制造企業的必然選擇

制造企業為了做到按照客戶的需求來進行按時精準交貨，企業的成品發貨、工藝、質量管理、生產執行監控、半成品及原材料庫存甚至是供應商，必須要達到生產管理的協同化、精細化。這意味著廠家需要有效的組織和協調人員、物料、設備以及部門等所有資源，并對其進行整合，統一管理，精準調度。要達這個目標，僅僅通過ERP等傳統的企業管理信息系統是無法做到的。這其中涉及了各個方面以及各個層次的技術、管理以及系統集成問題，包括了生產設備聯網、管理流程規范重組、生產車間現場管控、生產執行制造MES系統、ERP系統等眾多的專業技術和系統集成。

1.3市場缺乏中小型制造企業的“智慧車間”解決方案

對于中小型制造企業來說，企業本身產品系列相對單一、其部門職責相對集中，為了應對市場其生產、計劃過程需要有極大的靈活性。而市場上的眾多ERP和PLM等系統都是基于通用化管理流程開發的，無法滿足其特例化需求。另一方面，市場上相對較大的ERP、PLM、CAPP等解決方案提供商，出于利潤和成本角度考慮，往往不會針對某個中小企業進行特殊的功能開發。因此，符合中小型制造企業實際需求的“智慧車間”解決方案目前在市場上相對缺乏。可以解決中小型制造企業智能制造需求，既滿足其成本、人才和自身管理特點要求又有影響力的“智慧車間”平臺仍未出現。

2“智慧車間”系統國內外研發現狀

在生產制造信息化智能化領域，生產執行制造系統MES作為核心層已經得到了充分的研究和產品化，國外一些專門從事企業信息化軟件開發的公司正逐步將協同思想和工具融入自己的MES方案中，如美國的公司已經發布了一軟件系統，德國西門子公司推出了系列產品，除此之外其他一些公司如Honey-well、ASPEN Tech、EMERSON、Interwave等紛紛在其系列軟件中融入或增強了協同制造功能。更進一步，由于MES系統在生產管理領域的重要作用，美國儀器、系統和自動化協會ISA（In-stmmentation，System，and Automation Society，）在MES的基礎之上，提出了制造運行管理MOM（Manufacturing Operations Man-agement）的概念。其將MES的思想從單純的生產制造部門中提煉出來，站在總體管理和供應鏈管理的角度來架構企業的整體生產運作體系。這個思路其實是從供應商供貨開始管起，一致到成品訂單發貨環節，其本身就是將供應鏈管理的思路融合在生產管理。

2.1國外方案不符合中國市場

國外廠商以“蓋普樂車間數字化管理方案”為代表的解決方案建立在企業高度自動化產線設備基礎上，對企業網絡通訊環境要求極高，非常強調數據的集中統一存放和處理，不適合國內中小型離散制造企業現狀。經過對蓋普樂產品的認真研究，發現其車間數字化解決方案對生產數據的集中統一處理要求極高。但是針對國內中小企業來說，生產一線數據不易過于集中，只要能夠保證現場數據單獨離線存儲，集中服務器事后及時能拿到數據即可。另外在一部分場景下離散制造還是需要人工介入，所以需要系統能夠提供一定的半自動化與人工介入相結合的技術解決辦法，一般來說在離散制造領域，這需要“工位終端”承擔這個角色。而國外的絕大多數解決方案沒有針對性的軟硬件技術手段。此外，國外廠商目前沒有一家提出過基于Saas（軟件即服務）模式的云平臺智慧車間解決方案，他們基本都是針對企業進行定制化私有部署的，這樣實施成本非常高。

2.2國內研發滯后手段不足

國內廠商雖然有Saas平臺但是限于專業背景，其生產現場機聯網手段不足對于自動化程度尚不成熟、網絡通訊尚存在不足的中小企業，國內傳統ERP軟件商也紛紛基于原有ERP系統研發自己的SAAS模式的MES服務平臺，但是由于對生產底層機床設備、工控自動化產線不夠熟悉了解，導致其開發的平臺并未得到大規模應用。

從上表中可以看出，國外的解決方案成本較高、同時對企業生產管理和生產自動化要求較高。國內代表性企業出于成本考慮和國內客戶特殊需求也有推出Saas化平臺，并且對客戶的管理規范和自動化水平要求沒有那么高，但是此類平臺大都只考慮了生產協同管理人員和管理后臺的需求，對于生產現場中生產任務及一線操作的離線執行安全沒有更好的低成本解決辦法，只能定制化開發，這無形中削減了Saas模式低成本，短周期優勢。

3中小型制造企業“智慧車間”的系統需求

3.1可根據需求柔性實施，并隨生產流程的改進持續演化

系統應是建立在各種自動化編程、組件化等技術基礎上的，并包含各種車間管理建模工具、流程引擎、規則引擎、表單引擎等技術框架。在整個系統實施時，無須開發程序，只需要根據客戶需求進行靈活配置發布。從而整個系統可以根據客戶管理需求隨時調整演化。

3.2實施成本低

由于中小企業普遍對“智慧車間”系統的研發和應用投入成本有限，因此系統應具備柔性配置、組件化技術特點，在具體實施時可以最大限度地做到快速、低成本。

3.3簡化集成

對于中小企業來說，做到車間級的整個生產過程的精確管理把控，其中涉及眾多環節：工藝、計劃、質量、供應商、生產庫存、生產配送、成品倉庫等。目前各環節均是獨立軟件管理。中小企業普遍無法承受這些軟件集成，所帶來的成本和時間。因此，系統應從最簡化最必要的思路入手，將所有的必要環節簡化，最終集成在一個系統內實現。

4中小型制造企業“智慧車間”系統的設計構思

4.1總體思路

通過深入調研中小型離散制造生產企業生產管理現狀及需求，并結合產線自動化技術背景，現提出基于符合中小型制造企業實際生產管理需求的“智慧車間”一體化系統設計方案。該“智慧車間”設計方案集合了機聯網方案、外協供應商協同管理、生產計劃、生產監控、生產現場管理、生產庫存及生產配送等中小型制造企業生產過程必需的核心需求和功能。

4.2技術原理

基于可配置化、可離線執行需求的MES云平臺涉及的技術有：柔性協同MES組件平臺技術、可配置化離線執行工位終端技術、SAAS平臺技術。三項技術的具體邏輯關系為：柔性協同MES組件平臺負責對工位終端和云平臺進行管理和可視化配置，SAAS云平臺負責進行生產的協同、計劃調度，并將精準的生產任務相關信息下傳給工位終端，工位終端根據生產任務對生產過程中的人機料法環進行監控，并及時將生產狀態上傳給云平臺。一旦斷網，工位終端可以繼續離線執行生產任務，不影響生產進度，等到網絡暢通又可及時上傳生產數據到云端。

4.3功能設計

“智慧車間”一體化系統主要功能模塊包括：生產執行制造MES子模塊、電子看板子模塊、生產倉儲配送子模塊、外協加工協同管理子模塊。模塊可根據企業客戶實際生產管理需求靈活組合及個性化調整。具體子模塊及功能如下：

4.3.1生產執行制造MES子模塊

生產執行制造MES模塊是整個系統的核心，它負責為客戶管理監控以及協調生產過程，負責將工廠企業計劃準確實時下達（并即時監控）到設備、工人、庫存等環節，同時負責將現場生產數據及時反饋給管理計劃層。該模塊的研發為SAAS平臺提供了重要的生產管理需求實踐數據，應涵蓋企業生產人員組織、工藝設定、物料管理、庫存管理、生產計劃下達、生產跟蹤等方面生產管理監控功能。

4.3.2電子看板子模塊

電子看板是“智慧車間”一體化系統中的現場協同重要工具，電子看板應將MES模塊中的生產數據實時、透明、精確展示，從而達到生產各個環節協同的目的。電子看板廣泛應用于各種行業的中小型離散制造生產企業。作為整個“智慧車間”信息協同的重要工具，滿足生產數據、質量數據、異常信息等車間生產信息自動實時顯示在車間LED屏、液晶顯示器或電腦終端，實現車間生產管理數字化、透明化和可視化。電子看板的主要功能可包括：生產數據電子看板，實時展示生產計劃及完成數量;產線工序電子看板，及時展示產線各工位或各工序的生產信息;物料電子看板，及時展示物料狀態信息;設備電子看板，實時顯示設備的狀態信息;質量電子看板，實時顯示產品質量合格率、不良率數據。

4.3.3外協加工協同子模塊

外協加工協同主要用于企業和企業自己的加工供應商協同生產：在生產過程中產品某些工序需要供應商加工，此時需要通過此模塊設定批次號及數量、質量要求，加工供應商企業通過云端登錄該模塊及時獲知加工需求信息，并可直接打印加工零件的批次條碼號（或二維碼）。滿足加工完成送回時，企業倉儲部門直接掃碼收貨，提高了收貨信息的及時性和準確性。

4.3.4生產倉儲配送子模塊

生產倉儲配送子模塊主要功能是協同生產庫存部門與生產制造部門。滿足在當生產計劃下達時，計劃數量會同時下達到生產線和倉儲部門，倉儲部門在系統指引下，根據計劃要求及時按要求將原材料送達生產線，達到配送的主動性和及時性。

5設計構思的特點

5.1實現數據協同

基于本體的可視化工藝表達及建模技術，解決了工藝部門與生產一線的數據協同問題，讓工藝部門的數據可直接在生產監控中使用，無須人工轉換數據，提高效率。構建基于語義本體的可被計算機系統解釋執行的工藝路線及工藝參數配方表達及建模方法/32具：首先用OWL語義表達體系建立制造企業工藝信息描述語義本體體系，再構建可視化工藝建模工具，生成XML文件來存儲基于語義本體的工藝流程及配方參數，然后構建工藝文件解析器將工藝文件解析成可解釋執行的工藝內存對象，生產監控軟件即時調用執行。

5.2解決離線斷網的安全問題

基于linux嵌入式環境的可視化配置引擎——解決Saas模式下一旦斷網離線導致生產停滯的安全問題。實現技術思路：規則配置引擎負責可視化配置業務規則，業務規則被打包成業務規則包，可分布式離線存放在不同嵌入式環境中，供事務對象調用。事務對象建模工具用于將某些業務場景處理事務（包括現場移動終端操作，或一個復雜后臺交互邏輯。比如：PDA掃描物料條碼入庫、根據規則整體調整公司某個部門員工工資等都可看成為一個事務）打包成一個事務對象，此事務對象負責調用規則引擎對象、元數據等，進而驅動元數據對象和規則引擎對象運行。

5.3多租戶定制數據存儲模型

數據作為企業應用的核心，一直以來備受重視。系統模式中的通用數據和個性化數據統稱為可定制數據，其存儲模型的設計在數據架構設計中至關重要。針對單稀疏表大量空間浪費的問題，系統采用多稀疏表的改進方案。多稀疏表方案中將多個稀疏表進行編號，從1開始，到n結束。用來存儲這些稀疏表的元數據信息。Tenantid表示租戶的id，Tableid表示租戶定制的表id，Extl，Ext2...，為租戶定制的擴展列的列名。在多稀疏表的模式下，使用多個不同列數的稀疏表代替原有的固定列數的稀疏表來存儲租戶的定制數據，建立了多個稀疏表的控制表，用于確定租戶的表位于哪個稀疏表中，同時建立了對應的元數據表來保存定制字段的描述信息。多稀疏表的存儲方案在很大程度上緩解了單稀疏表方案中存在的空值問題，使表空間得到更充分的利用。