裝配線MES計(jì)劃排程及系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

趙昊東

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

MES本身就是一個(gè)直接針對(duì)制造企業(yè)車間執(zhí)行層和生產(chǎn)信息化管理的重要系統(tǒng)，能從訂單下達(dá)到最終成品入庫(kù)都實(shí)施全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)訂單的有效調(diào)度，并根據(jù)整個(gè)過(guò)程中的各項(xiàng)情況及時(shí)做出反應(yīng)，以保證產(chǎn)品品質(zhì)，因此為使其作用得到最大程度發(fā)揮，有必要對(duì)其計(jì)劃排程以及具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。

1 裝配線生產(chǎn)任務(wù)簡(jiǎn)述

在智能化工業(yè)的逐步發(fā)展下，市場(chǎng)上對(duì)于生產(chǎn)配件的需求漸漸增大，傳統(tǒng)人工分配訂單和加工的模式已經(jīng)難以滿足需求。而MES將工業(yè)自動(dòng)化作為核心，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)訂單的計(jì)劃排程，并在專項(xiàng)操控系統(tǒng)的作用下，促使設(shè)備和工件之間實(shí)現(xiàn)有效交流。

1.1 裝配線生產(chǎn)任務(wù)

在某一生產(chǎn)任務(wù)當(dāng)中，要對(duì)一款末端組件實(shí)施裝配，其組件包含了螺母、吸盤與彈簧。將MES應(yīng)用進(jìn)去，則主要進(jìn)行計(jì)劃排程、生產(chǎn)監(jiān)督與信息分析，機(jī)器人負(fù)責(zé)搬運(yùn)工件，鉆銑平臺(tái)主要用于加工落幕，組裝平臺(tái)則對(duì)相關(guān)組件進(jìn)行裝配，視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)落幕直徑與最終成品的高度實(shí)施檢測(cè)[1]。實(shí)際的落實(shí)流程（圖1）：（1）MES先掌握所有制造數(shù)據(jù)，再基于訂單需求，利用內(nèi)部計(jì)劃排程算法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行綜合權(quán)衡，編制生產(chǎn)方案；（2）MES依照具體排程結(jié)果發(fā)布生產(chǎn)任務(wù)；（3）MES向倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)出發(fā)料請(qǐng)求，在收到請(qǐng)求之后，由專門的機(jī)器人進(jìn)行物料搬運(yùn)；（4）當(dāng)待加工的工件進(jìn)入自動(dòng)加工程序后，專屬機(jī)器人會(huì)將其搬送到鉆銑平臺(tái)準(zhǔn)備加工，之后再利用視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)直徑，一切無(wú)誤之后則進(jìn)行組裝，倘若檢測(cè)不過(guò)關(guān)，則由機(jī)器人將其歸置在廢品處；（5）組裝工作結(jié)束之后，繼續(xù)通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)施成品檢測(cè)，一旦情況達(dá)到要求，機(jī)器人就將其歸入成品類；否則，需要進(jìn)行廢品處理。

圖1 裝配線生產(chǎn)任務(wù)圖

1.2 裝配線工位工藝流程

（1）立體倉(cāng)庫(kù)工位：主要存儲(chǔ)物料，物料不同存放的位置也會(huì)有所差異，以確保在生產(chǎn)過(guò)程中能進(jìn)行迅速夾取。智能化的立體倉(cāng)庫(kù)包含了立體貨架和堆垛機(jī)。其中前者每層都會(huì)有專門的光電傳感器，以使物料位置能迅速反映到上位機(jī)當(dāng)中；后者則是把物料從貨架轉(zhuǎn)運(yùn)到承座之上。

（2）自動(dòng)上下料工位：在人工成本逐漸增長(zhǎng)之下，企業(yè)必須應(yīng)用智能設(shè)備代替人工重復(fù)作業(yè)，而上下料機(jī)械手正好可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。它主要是在上下料環(huán)節(jié)取代人工的自動(dòng)裝卸裝置，比較適合應(yīng)用在重復(fù)性強(qiáng)、批量大的情況中。

（3）工件加工和尺寸檢測(cè)工位：其中主要包含了機(jī)架、PLC、RFID、鉆銑平臺(tái)、機(jī)器人、相機(jī)、氣動(dòng)元件等。鉆銑平臺(tái)主要是對(duì)工件進(jìn)行加工，而相機(jī)則被安排在該平臺(tái)右方，以對(duì)加工之后的直徑參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；RFID主要是對(duì)具體編號(hào)進(jìn)行讀取，并把測(cè)量出的直徑計(jì)入電子芯片當(dāng)中。在檢測(cè)過(guò)程中，相機(jī)的鏡頭焦距與分辨率十分關(guān)鍵，必須把工件完全包含其中，一般鏡頭視野必須超過(guò)60mm×60mm，檢測(cè)精度需達(dá)到0.1mm[2]。

（4）工件組裝和缺陷檢測(cè)工位：其中主要包含了機(jī)架、PLC、RFID、機(jī)器人、相機(jī)、氣動(dòng)元件以及高度檢測(cè)平臺(tái)等。其中RFID也是重點(diǎn)對(duì)工件編號(hào)進(jìn)行讀取，并把測(cè)量出的高度寫入芯片。同時(shí)相機(jī)的焦距與分辨率也需要和工位本身所需的具體配置一致。

2 MES計(jì)劃排程

2.1 基本流程

一般情況下，要實(shí)際制作出一個(gè)具有可執(zhí)行性的排程計(jì)劃還要從這幾步著手。

（1）建立模型：對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)出率而言，受到潛在資源瓶頸的影響，應(yīng)在排程時(shí)對(duì)所有生產(chǎn)流程規(guī)律進(jìn)行重點(diǎn)研究，明確具體的流程特性和物流變化規(guī)律，以此進(jìn)行假設(shè)，給各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都建立合理科學(xué)的關(guān)聯(lián)性。

捕捉數(shù)據(jù)信息：在計(jì)劃排程模型建立的過(guò)程中，為使后續(xù)生產(chǎn)資料得到有效分析與管理，還要在生產(chǎn)之前確定相關(guān)的數(shù)據(jù)需求，通常可以從ERP系統(tǒng)、產(chǎn)出計(jì)劃等方面提取。

生產(chǎn)預(yù)設(shè)：基于生產(chǎn)與需求計(jì)劃的實(shí)際參數(shù)信息，對(duì)車間的生產(chǎn)具體流程和狀態(tài)信息進(jìn)行詳細(xì)解讀，并借助相關(guān)信息對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程設(shè)置進(jìn)行預(yù)設(shè)。

確立初步計(jì)劃：基于前幾步的分析成果，根據(jù)生產(chǎn)訂單確定初步的計(jì)劃排程，然后根據(jù)實(shí)況信息進(jìn)行修訂優(yōu)化，使其能獲得最優(yōu)生產(chǎn)效率。

分析和交互完善排產(chǎn)計(jì)劃：具體需基于生產(chǎn)訂單的數(shù)據(jù)分析成果制定排產(chǎn)計(jì)劃，并在下達(dá)執(zhí)行命令前對(duì)計(jì)劃可行性進(jìn)行分析。

核準(zhǔn)與執(zhí)行生產(chǎn)狀況。即排程方案在評(píng)估獲準(zhǔn)之后進(jìn)行指令下達(dá)，并開(kāi)展執(zhí)行。

更新計(jì)劃。如果實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中有新訂單產(chǎn)生，則可以將其融入剩余生產(chǎn)計(jì)劃當(dāng)中，并對(duì)排程方案實(shí)施優(yōu)化更新。

2.2 建立模型

（1）最晚交貨時(shí)間，也就是在保證任務(wù)正常完成的基礎(chǔ)下，訂單交付可以拖延的最晚時(shí)間。在某一類末端組件制作時(shí)，受到數(shù)量過(guò)多的影響，生產(chǎn)方與決策者都想用最短的時(shí)間完工，保證設(shè)備應(yīng)用率，獲得更多生產(chǎn)效益。其模型應(yīng)該為：

其中Xn是訂單最晚的完成時(shí)間，Xi則是訂單i的完成時(shí)間。

（2）訂單剩余生產(chǎn)時(shí)間方差。基本上訂單的交付時(shí)間和完成訂單所預(yù)估的時(shí)間差就是訂單剩余生產(chǎn)時(shí)間，為使該值得到有效控制，往往需要應(yīng)用其方差進(jìn)行衡量。方差越小，兩者的偏離程度就會(huì)越小，時(shí)間差值也會(huì)更為均衡，就可以基于交貨時(shí)間提前生產(chǎn)訂單，防止訂單出現(xiàn)過(guò)度累計(jì)。其模型應(yīng)該為：

（3）瓶頸設(shè)備應(yīng)用率。在整個(gè)裝配線當(dāng)中瓶頸設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間消耗是最多的，其利用率即是指實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的計(jì)劃時(shí)間之間的比值。該數(shù)值越大，整個(gè)線路的運(yùn)轉(zhuǎn)速度就會(huì)越快。倘若為了提升生產(chǎn)效率，同時(shí)應(yīng)用多個(gè)工位與設(shè)備共同投入線路運(yùn)轉(zhuǎn)，還需從中取平均值。其模型應(yīng)該為：

（4）訂單最小剩余加工時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)超出約定的交付日期之后，最后一個(gè)訂單結(jié)束的日期和最后一個(gè)工序完成日期之間的差值。該數(shù)值越大，訂單的完成時(shí)間就會(huì)越小，整體生產(chǎn)效率也會(huì)越高，也就可以有效確保生產(chǎn)進(jìn)度。其模型應(yīng)該為：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該裝配線當(dāng)中，MES能直接對(duì)所有訂單實(shí)施歸類排程，并根據(jù)實(shí)況信息編制出適合的裝配方案；相關(guān)傳感器可以對(duì)工件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)反饋；視覺(jué)系統(tǒng)可以對(duì)工件加工直徑以及組裝高度進(jìn)行檢測(cè)；其他的一些執(zhí)行元件則可以搬運(yùn)、加工與組裝工件[3]。

3.1 計(jì)劃排程落實(shí)

在裝配線當(dāng)中，MES和數(shù)據(jù)庫(kù)需要不斷實(shí)施信息交互，為促進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，還必須對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

（1）落實(shí)用戶需求分析。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置的主要目的就是開(kāi)展用戶需求分析。在裝配線當(dāng)中，用戶可以基于自身的利益狀況把某一類需要的末端組件需求計(jì)劃發(fā)送給營(yíng)銷部門，該部門在接收到其信息之后會(huì)再基于訂單種類、作用、范圍、性能等實(shí)施匯總劃分類型，制定出初步的生產(chǎn)計(jì)劃；之后再全方位評(píng)審分析全部的生產(chǎn)訂單，基于最終結(jié)果編制營(yíng)銷計(jì)劃，并將其發(fā)送給生產(chǎn)部門實(shí)施計(jì)劃編制。當(dāng)生產(chǎn)部把確定好的計(jì)劃導(dǎo)入MES后，它就會(huì)根據(jù)內(nèi)部排程算法開(kāi)展計(jì)劃排程，最終生成具有可執(zhí)行性的生產(chǎn)規(guī)劃，從而獲得材料清單，由采購(gòu)部開(kāi)展下一步工作。

（2）開(kāi)展概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即構(gòu)建E-R模型，以體現(xiàn)出企業(yè)的實(shí)際需求信息。其中將計(jì)劃導(dǎo)入、生產(chǎn)排程、計(jì)劃查詢和執(zhí)行等包含在內(nèi)，同時(shí)給其添加相關(guān)屬性。

（3）應(yīng)用Java訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)立之后，需用Java開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息共享與交流。具體流程為：先與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，然后使JDBC程序?qū)ySQL驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行加載，再獲取Connection對(duì)象，建立Statement對(duì)象，執(zhí)行SQL語(yǔ)句，對(duì)ResultSet對(duì)象，最后關(guān)閉JDBC對(duì)象釋放資源。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

建立MES系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)基于實(shí)際工作流程，把產(chǎn)品功能需求作為核心進(jìn)行功能模塊開(kāi)發(fā)，以保證系統(tǒng)效率。為使所有工位之間實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息共享與資源轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)配合協(xié)作，就需要精準(zhǔn)下達(dá)具體的生產(chǎn)指令，控制生產(chǎn)進(jìn)度，落實(shí)產(chǎn)品分析，將功能模塊的作用發(fā)揮出來(lái)。

（1）計(jì)劃調(diào)度管理。即根據(jù)生產(chǎn)訂單實(shí)施計(jì)劃排程，選取具體的生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品信息制定出操作指南，審核無(wú)誤后再下達(dá)給控制系統(tǒng)以便實(shí)施生產(chǎn)操作。這一模塊能實(shí)現(xiàn)多訂單下單，可以進(jìn)行訂單撤銷、暫停等，具體功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 計(jì)劃調(diào)度管理模塊

（2）物料管理。即對(duì)物料的出入庫(kù)進(jìn)行管理監(jiān)督，其中主要包含了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)度、物料調(diào)度與防錯(cuò)等多個(gè)子模塊。

（3）質(zhì)量管理。即重點(diǎn)對(duì)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督，并生成具體的質(zhì)量檔案。

（4）統(tǒng)計(jì)分析。也就是將成品作為對(duì)象實(shí)施質(zhì)量分析，以便完善整個(gè)操作流程，強(qiáng)化生產(chǎn)品質(zhì)，同時(shí)使管理者也能完全掌握設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)能力。

3.3 工位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在MES中，當(dāng)其下達(dá)具體的生產(chǎn)任務(wù)之后，則由PLC控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者氣缸等抓取、運(yùn)送、加工和組裝工件，同時(shí)再應(yīng)用MES和PLC之間的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。

（1）立體倉(cāng)庫(kù)工位系統(tǒng)。①促進(jìn)MES和PLC之間實(shí)現(xiàn)通信。當(dāng)前主要是應(yīng)用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，它能利用Microsoft系統(tǒng)在用戶機(jī)端進(jìn)行生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，并進(jìn)行加工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享[4]。在裝配線當(dāng)中，OPC客戶端通過(guò)OPC服務(wù)器與PLC之間實(shí)現(xiàn)信息傳遞，并將PLC在落實(shí)程序操作過(guò)程中的相關(guān)硬件裝置的運(yùn)作信息抓取出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的有效整理和分析反饋。②實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)氣動(dòng)元件的控制。在立體倉(cāng)庫(kù)工位中，當(dāng)總控制系統(tǒng)發(fā)出物料運(yùn)轉(zhuǎn)的指令之后，堆垛機(jī)就會(huì)移動(dòng)到預(yù)先設(shè)定的位置，這時(shí)候旋轉(zhuǎn)氣缸的電磁閥就會(huì)對(duì)氣缸進(jìn)行控制，使其在正確位置彈出夾爪，并進(jìn)行抓取。之后再將伸縮氣缸收回，使堆垛機(jī)移動(dòng)到承座之上。

（2）自動(dòng)上下料工位系統(tǒng)。即要在總控制系統(tǒng)發(fā)出上下料的指令之后，升降氣缸向下移動(dòng)到和抓取點(diǎn)彼此平行的位置，并在往前移動(dòng)的過(guò)程中彈出伸縮氣缸，通過(guò)控制夾爪氣缸對(duì)工件實(shí)施抓取，然后原路返回，升起頂升氣缸，使被夾取的工件到達(dá)流水線載具上部并下放工件[5]。

（3）工件加工與尺寸檢測(cè)工位系統(tǒng)。在工件達(dá)到加工和尺寸檢測(cè)工位的時(shí)候，由專屬機(jī)器人將其搬運(yùn)到鉆銑平臺(tái)，啟動(dòng)定位裝置對(duì)其實(shí)施自動(dòng)定位，并對(duì)工件實(shí)施加工。結(jié)束后，視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)成品直徑實(shí)施測(cè)量，并且RFID會(huì)對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和寫入，當(dāng)直徑符合要求，工件則會(huì)被送到下一步進(jìn)行組裝，否則需要實(shí)施廢品處理。在這之中，PLC和視覺(jué)系統(tǒng)之間的通信實(shí)現(xiàn)主要是利用I/O信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源開(kāi)啟和關(guān)閉、工件直徑與高度判定結(jié)果的信號(hào)進(jìn)行控制。

（4）工件組裝和問(wèn)題檢測(cè)工位系統(tǒng)。在該環(huán)節(jié)，機(jī)器人先將工件拿下，在暫存區(qū)進(jìn)行組裝，之后視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)成品進(jìn)行照片拍攝并與模板信息進(jìn)行對(duì)照分析，同時(shí)RFID會(huì)對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取和寫入，如果檢測(cè)合格則由機(jī)器人搬運(yùn)到成品處進(jìn)行存儲(chǔ)，一旦與模板存在誤差，還需進(jìn)行廢品處理。其中，PLC和視覺(jué)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，主要由PLC利用I/O卡給視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，促使光源和相機(jī)被觸發(fā)，然后對(duì)工件進(jìn)行拍照。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域的改革推進(jìn)下，當(dāng)前各類制造企業(yè)開(kāi)始將發(fā)展重點(diǎn)放在了智能化探索上，其中MES的應(yīng)用最為火熱，未來(lái)在產(chǎn)品生產(chǎn)中勢(shì)必會(huì)發(fā)揮出巨大作用。為促使某款末端組件實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，將整個(gè)生產(chǎn)線都進(jìn)行信息化管控，還需對(duì)MES的裝配線系統(tǒng)展開(kāi)探究。具體需對(duì)裝配線的生產(chǎn)任務(wù)加以明確，然后從具體的工作任務(wù)著手，對(duì)整個(gè)MES架構(gòu)進(jìn)行探究，明確工位工藝流程；同時(shí)基于計(jì)劃排程架設(shè)，建立相關(guān)模型，為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化奠定基礎(chǔ)；最后再針對(duì)裝配線四大工位進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)訂單的計(jì)劃排程，并在裝配線上對(duì)工件進(jìn)行高效的搬運(yùn)、加工、組裝和檢測(cè)。