基于MES的車間生產效率監控系統設計

成永泉，夏夢芝，顏一多

（博世汽車部件長沙有限公司，長沙 410010）

0 引言

當今，智能制造車間的核心就是數據，一方面數據會滲透到企業運營，另一方面也會影響到價值鏈乃至產品的整個生命周期。生產執行系統（Manufacturing Execution System，MES）不僅可以追溯各種物料的來源和產品加工的結果狀態，對制造產品的質量進行管理和分析，也可以將實時收集和產生生產運行報告和機器效率報告，最終利用強大的信息平臺來優化制造設備，建立企業不可缺少的競爭優勢[1]。為實現國家智能制造的戰略規劃，智能車間的數據采集監控和分析利用是完成兩化融合，工業技術智能升級的重要手段。

目前傳統的車間，各部門之間關于生產的溝通成本高，誤差大，紙面上的標準流程無法確保嚴格執行，而且落實情和任務進展都不透明，一個具備統一且實時的指標看板，多維度的協同工具平臺顯得十分重要。設備的高效運轉與產品的品質、成本、交期和安全等目標的實現息息相關[2]。設備的故障、非計劃停機、綜合利用率低常常會給企業造成巨大的經濟損失。近年來，隨著我國大型企業新裝置、新設備的不斷增加,設備逐步向大型化、集約化、柔性化方向發展[3]，通過將自動化設備和產品制造的數據監控并分析做出預防性維護，充分發揮智能化車間最關鍵因素-人的作用，調動全體員工的工作積極性。本文提出的基于MES 系統效率分析功能模塊，結合自動化產線中日常生產數據周期循環的特點，系統整個過程貫穿了生產現場管理工作的起點和終點，形成數據的完整閉環，全面提高智能車間精益化生產效率和管理水平[4]，進一步實現真正的智能工廠。

1 企業MES系統

MES 系統[5]，是常見于現代工廠的信息化平臺，數據層級一般處于制造設備和企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統的中間平臺。在生產效率監控方面，MES 的數據報告具有生產透明度，設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）分析，是衡量企業生產效率的重要標準[6]。機器針對性故障數據分析，針對措施的優化和操作動作的有效監控等主要特點，通過這些特性，可以反饋整個工廠自動化設備的運轉狀態，可視化管理生產效率數據[7]。從解決車間生產的痛點和企業的運營角度，一個完整的生產效率監控平臺可以持續改善車間的價值流，節約人工溝通成本，優化工廠資源利用，具有很高的現實價值和經濟價值。

2 設備硬件與工業服務器

西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）廣泛應用在智能制造工廠，對其進行合理應用不僅能夠縮短花費在系統響應上的時間，也就是可以達到極高的數據通信速度要求，還可以起到加強控制能力的效果[8]。針對數據采集的性能響應需求，本系統采用了主流性能的S7-1516F 3PN/DP，PLC 軟件程序編制平臺為Siemens TIA V15，根據MES 服務器的通訊報文格式要求，上位機端采用了主流的TCP/IP 協議，PLC 端設定服務器的IP 地址和對應端口號與MES 系統進行握手，文件內容格式定義了，報文頭，事件類型和主數據，觸發式給MES上位系統進行數據傳送，如圖2所示。

人機界面（Human Machine Interface，HMI）采用西門子TP1500 Comfort panel，操作系統版本采用HMI Lite V8.1，用于配置終端節點的產品型號，機器故障定義，以及效率損失的分類等信息。HMI 與PLC 數據塊變量采用工業以太網通信協議進行數據交互[9]，實現數字全集成化系統，十分普遍使用在現代的企業車間。在本系統設計方案中，不僅可以配置不同產品的加工配方，比如產品類型，工藝的程序號及參數設定等，還可以實時呈現設備故障報警的歷史記錄。此外，互聯網環境中，數據發送端與接受端需要保持時間同步，這對保證數據互聯系統的穩定運行是極其重要的[10]。本系統采用了網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）的基準服務器，保證機器的時間始終和MES服務器的時間同步。

MES 數據處理系統服務器的CPU 端采用了戴爾DL388G9，CPU2.4G 至 強4210R20 核，HP 32 GB 4 塊600G 10KSAS硬盤。OS操作系統為Window Server2019標準版，采取socket 傳輸協議進行數據的傳輸，一般翻譯成套接字，是采用TCP/IP 的一種網絡通信技術[11]，這種同步通訊的方式相當于在網絡兩端提供了客戶端和服務端，分別請求和接收數據信息，通訊十分及時且可靠。數據庫選擇Microsoft SQL Server2019 企業版具有安全性高，伸縮性強，處理海量數據能力等特點，選用這種關系型數據庫系統，結合NET 平臺應用具有較強的靈活性[12]。本系統采用了常用的B/S 架構，這是基于Web 方式的一種架構模式，可以很方便地進行數據的錄入和讀取，在應用服務器上安裝標準的瀏覽器即可訪問服務器，特別適用于本次離散車間的應用環境。

3 系統軟件功能設計

3.1 系統架構

在車間復雜的運行環境里，MES 應用會產生巨大的數據，來源于工藝參數、訂單、物流和自動化機器等。為了提高系統平臺運算和處理數據的能力，本系統將生產效能分析功能采用模塊化搭建式設計，從產線/設備的數據采集進入獨立的數據庫結構表，解析之后基于web網頁來進行報告呈現，如圖3所示。

圖3 系統架構

報表報告服務對設定的時間自動生成報告文件，支持的格式有PDF、EXCEL、條形圖和列表式等，根據不同的工作角色定義相應的訪問和操作權限，如操作工只能讀取報告，車間班長或管理者等可以根據需求，在Windows 共享報表文件，自定義報表的類型和報告背景，設定周期自動電子郵件發送等。

3.2 KPI數據

針對產品和生產的復雜性，工廠車間需要一個高效的信息管理系統，不僅體現在日常生產的計劃和控制，也體現在產品的分析和召回。本系統結合實際的生產理念，梳理出制造加工中關鍵效益指標（Key Performance Indicator，KPI），來解決如何發揮成產設備的最大效率，每天出現的機器故障頻率分析，產品的一次性通過率統計，以及大幅提高生產透明度和安全性等問題，達到提高效益，節約成本的目標。

終端節點根據實際情況配置了線號，站號以及加工材料類型，每個工站將采集上電狀態，手自動運行模式，上下料工藝位置采集主原料和輔料缺料和產出堵料的信息，在機器故障采集層面，通過HMI 界面里定義設備故障的編號和注釋，每次設備報警的變量觸發會統計對應匹配的報警數據信息，通過PLC 與MES 服務器的數據交互以及MES 系統的參數配置，對效率監控系統中的數據庫表進行解析和匹配，確保每個數據交互信息的正確性。

從生產性能分析的角度，定義了產品類型并編號，PLC 在工位進行完成工件數量統計。生產者和設備維護者為了更有效地規劃機器設備的工作分配，需要分析設備的故障產生率和產品加工時間，根據生產效率的柏拉圖進行優化和分析。監控設備的總體運轉狀態，如圖4所示。

圖4 關鍵性能指標設定界面

3.3 生產綜合效率

日常排班計劃也是實際的生產過程最基本的環節，本系統根據智能車間效率分析的輸入要素，結合實際制造環境設計了數字化排版功能模塊，主要實現的功能有計劃和管理班次，配置班次的模式以及操作員工的數量，維護計劃/非計劃停機時間和原因統計，手工修正完成工件的計數等。排班系統計劃了周期性的早、中、晚3 個班次，每個班次設定8 h，由技術損失、換型損失和組織性損失客觀地采集效率損失的數據信息，用于計算準確的OEE數據，如圖5所示。

圖5 排班計劃界面

在正常的生產環境中，計劃性停產是不可避免的，比如操作工吃飯，設備維修檢查，定時更換備損件等，這些時間可以通過提前維護排班系統，在最終的OEE 計算時可以針對性進行修正。

本系統將實際產線定義為5 號線，每制造一個產品計劃為20 s，在最后工站完成的產品統計合格的產品數量。根據精益生產理念，將計劃的產出和實際的產出進行綜合比較，分析出車間的生產效率，針對產線的常見設備故障，組織效益損失，產品換型時間周期不順暢等痛點，結合車間的實際情況，給與人員和效率的優化改善。同時，系統還將產品的制造加工結果狀態進行質量把控，統計不合格件的數量并將報表已郵件或短信的方式傳遞給車間工作人員。

綜合以上KPI 數據采集，排班數據的計劃配置，預防性停機等參數的維護，通過PLC 設備進行數據的實時交互，MES端將車間效率數據進行綜合統計和分析。

計劃運行時間（Planned Operating Time，POT）計算公式如下：

OEE計算如公式如下：

按日期班次呈現的可視化OEE 分析報表，如圖6 所示。通過對生產效率分析模型可以直觀地看出OEE 的實際值的統計圖，車間的生產員工和技術人員可以根據報表得到產品質量、效率損失等相關參數，結合實際加工環境為提高生產效率提供決策，進一步完善生產任務的調度，減少設備效率損失，實現高質量的智能生產。

圖6 生產綜合效率界面

4 結束語

伴隨中國智能制造的快速發展，車間的設備會越來越多，生產環境也越來越復雜。不同的設備數據互聯，不同區域的數據共享和利用將成為高效率的工業信息化企業的新方向。通過對車間精益化生產的理解，關鍵數據的定義和采集，對比傳統的制造車間出現多種效率損失以及無法得到相關數據分析作為改善點做支撐的痛點，本文的基于MES 的生產效率系統設計從工業互聯的協議設計，設備的產品產量和生產質量數據采集，設備綜合效率的計算以及預防性維護和提高生產效率的改善，映射了車間的實際生產狀態，使車間管理和計劃人員快速發現問題并及時解決。工廠通過MES 實現了車間管理的信息化和無紙化，也大大提高了生產過程中的透明度，增強了企業的核心競爭力，對促進信息化和工業化的融合有明顯的指導意義。