機械加工行業數字化車間管理研究

（陜西長嶺電子科技有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

一、引言

以寶雞市近幾年的經濟發展來看，機械加工企業數量增長較快，逐步形成了一定的規模化。同時也就促使了傳統機械加工企業不斷地向高效率、高精度的數控技術和管理方式改進，企業技術部門針對數控加工需求編制了大量的數控加工程序。但同時涉及這些加工程序與數控設備間的傳輸通信和科學管理等問題也逐漸暴露了出來，嚴重影響數控設備優勢的發揮。為此，各公司也制訂了多個管理細則進行規范，但從管理技術角度來看，這些管理方法還是明顯落伍，不能適應現代化生產模式。所以倒逼企業需要用新的管理技術來解決這一棘手問題，特別是希望依靠數字化技術，來達到事半功倍的效果，實現國家倡導的以數字化、智能化帶動工業化的戰略目標。特別是隨著信息化技術、物聯網技術和數控技術等技術的不斷發展以及與制造業的不斷融合，造就了能充分體現并實踐“兩化融合”概念的企業數字化車間建設成為當前機械制造類企業的建設方向。而當前數字化車間的研究與實施都處在快速發展的階段，受到了社會各界的高度重視。數字化車間是數字化技術在管理者與生產車間之間集成數字化應用而形成的一種新型車間的管理模式。既從數字化的產品設計，產品檢驗，生產組織管理等方面入手，使生產車間的數控設備單元與生產管理間的信息進行集成共享。從整體上改善生產的組織與管理，提高生產車間數控設備的生產效率和設備利用率。

二、系統總體設計

數字化車間的最終目標是基于物聯網技術建立一個以太網的設備集成管理網絡系統，該系統能協助管理人員便捷的以圖形化的方式科學規劃車間生產布局、生產流程等，數字化車間的模型建立后可以進行生產調度仿真、模擬仿真各種生產調度方案、驗證各種生產布局與生產調度方案的優劣，使數字化車間在項目投產前得到充分地實驗論證。投產后，數字化車間系統可以和企業既有 ERP 系統緊密結合，輔助管理人員高效率管理生產過程各個環節。

本文提出了如下數字化車間管理系統的建設方案，使用觸控輸入設備對車間的各類生產信息進行采集，通過設置不同工位的 RF 卡讀取設備以及條碼識別設備實現對零件和人員的快速識別，并通過對 MES 等數字化系統的集成，構建能夠處理全局數據的數據庫管理系統，實現各系統的同步更新，從而完成對車間人員、零件、設備、工具工裝等的控制功能，并通過數據庫的邏輯運算功能實現對不同類型的數據的分類收集與存儲，從而保證這種全局的數據庫存儲信息可以用于車間不同部門的管理與控制。如車間生產計劃的維護、生產調度管理等。數字化車間的應用要處理好企業計劃層和車間控制層之間的斷層問題。斷層問題的核心是數字化車間的生產調度問題，本課題參考國內各類研究成果引入了車間制造執行系統 （Manufacturing Execution Systems,MES），MES 系統的研究核心就是車間生產調度問題,生產調度主要負責對企業下發的生產任務進行詳細計劃排產,再通過分配可用生產要素資源對生產任務進行合理調度，為了保證生產執行時間和生產成本的達到最優,依據原材料加工順序和加工時間對生產任務進行調度,通過對生產任務的合理調度，很好地控制數字化車間的生產節奏。本課題結合數字化生產車間實際需要，按照車間現有的生產模式研究和實現了基于 APS 高級計劃排程的車間生產調度系統,用APS 自動計劃排程技術來實時指導車間生產，通過APS 高級計劃排程很大程度提高了數字化車間的生產效率，具有很高的實用價值。

三、關鍵技術

（一）APS 高級計劃排程

APS 高級計劃排程被認為是通過如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法和神經網絡等啟發式算法來解決生產制造商生產計劃排程問題的技術，目前國內最新的 ERP 系統已經集成了 APS 計劃排程系統。APS 計劃排程工作時需要跟企業 ERP 系統進行交互并獲得一個協同的工作流。APS 計劃排程工作過程是采用自動計劃排程與人工計劃排程相結合的方式，管理人員通過APS 計劃排程系統能夠更方便制定生產排程計劃，能夠更輕松應對數字化車間的復雜生產與執行狀態情況，管理人員可以憑借生產管理經驗接受、修改或拒絕接受 APS 自動計劃排程系統自動生成的排程結果。

（二） RFID 射頻識別技術

RFID 射頻識別是一種無線自動識別技術，它通過無線射頻自動識別目標物體并獲取目標物體數據，自動識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣的工業生產環境。RFID 射頻識別還可以識別運動的物體并且可以同時識別多個目標物體，操作方便快捷。RFID 短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的工業生產環境，可在這樣的環境中替代條碼與二維碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤目標物體。遠距離射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如高速公路 ETC 不停車收費系統和園區車輛管理系統等。

（三）基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網技術

Zig Bee 和藍牙技術一樣是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術。其特點是低成本、低功耗、成本低、時延短、網絡容量大、可靠性高。主要適合用于自動控制和無線控制領域，可以嵌入各種硬件設備。主要應用在工業4.0、智慧農業、智慧醫學、智能汽車、智能家居、智能樓宇、消費和家用自動化市場以及智慧城市方面等。KW21Z 是一款超低功耗、高集成度的單芯片器件，KW21Z 無線 MCU 集成了一個 2.4GHz 收發器，支持 O-QPSK 調制，一個 Arm Cortex -M0+處理器，高達 512KB 閃存和 128KB SRAM，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設備，優化后滿足目標應用的需求。KW21Z 是單芯片Zigbee 器件的理想解決方案，主要用于工業無線控制、家庭與樓宇控制、消費電子、電力與能源、智能計量設備無線連接等領域。

（四）條碼識別技術

早期的數字化車間存在生產效率低下，企業 ERP 系統無法及時得到數字化車間數據、車間倉庫運行效率低，數據不精確、無法追溯產品的各類信息等。通過借助條碼識別系統，有效的管理人員、工單、部件、半成品、產品、工序及生產過程等信息。通過條碼掃描技術，對機械加工產品的生產過程進行識別、跟蹤與記錄，減少人工輸入產品信息導致的錯誤，提高企業生產過程信息的完整性、安全性與可追溯性。

四、系統實現

建立基于瀏覽器/服務器架構的數字化車間集成平臺，以及設備和管理者網絡通訊、數據庫管理、數據采集和大數據分析等方式，采用APS 高級計劃排程、RFID 射頻識別技術、基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網技術及條碼識別技術，真正實現數字化車間的辦公管理、綜合管理、生產管理、訂單管理、庫存管理、材料管理、檢驗管理、設備管理等方面的集成一體化智能控制系統。通過使用 MES 的排產報工功能對現場生產數據進行收集，反饋到數據庫中，對 ERP 進行同步更新，最終實現數字化管理系統的協同運作。為了保證系統的正常使用與維護，需要對系統用戶進行不同權限的設置與分配，主要設置了系統管理員、技術員、計劃員、生產線長、工具物料管理人員、操作工、車間管理人員等角色，不同的角色都擁有不同級別的使用權限和對應的工作職能，系統通過數據庫的邏輯運算可將接收到的信息進行分類，并將任務指派到不同的角色，從而實現生產管理工作的穩定進行。

五、結束語

綜上所述，本研究打通了企業管理與生產整個過程中的信息孤島，利用MES 使生產車間執行系統與 ERP 企業資源規劃系統等企業應用系統進行無縫銜接與集成，做到及時反映企業計劃排產情況與實時反映車間生產執行進度；利用 APS 高級自動排產系統，實現有計劃的自動排產與人工排產相結合的快速排產，通過圖形化的技術手段，為數字化車間生產提供高效、實用與集約的生產排產計劃；通過 ERP 企業資源規劃系統的能力平衡流程，完成對生產設備與資源的合理調配，提高生產計劃的準確性和可執行性。同時，由于時間、資源等客觀資源的限制，目前所做的工作還不夠全面。本項目的研究對象僅限為機械加工行業數字化車間，而對于不同的制造型企業而言，其車間的生產流程與自動化水平均是不同的，因此如何提高數字化車間的通用性與適用性，以實現機械加工行業信息化管理水平，需要進一步研究。