面向選礦生產流程的MES工廠模型映射方法研究

王建國 朱江

1. 中國銅業有限公司 云南 昆明 650051；

2. 中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016；

3. 中國科學院機器人與智能制造創新研究院 遼寧 沈陽 110016

引言

選礦流程生產模式包括流程行業的連續型生產和離散行業的分散式區域生產。制造執行系統（MES，Manufacturing Execution System）作為制造業常用的一種生產管控系統，其中工廠建模功能是制造執行系統重要基礎功能，對工廠的生產設備、生產工序進行建模，通過模型來為其他業務模塊如生產計劃、質量管理等提供基礎數據支撐[1]。在現有工廠建模技術中，一般對串行的連續工序可以清晰地描述[2]。但在實際制造業生產中，串行結合離散式的生產線比比皆是，現有建模技術對這種混合式生產流程支撐不足，無法定義工序與工序、設備與設備之間一對多、多對一、多對多的關系，無法定義剛性生產線、并行生產工序。綜上所述，如何對混合流程生產模式進行工廠建模，通過模型描述復雜工序關系，是目前技術人員急需解決的問題。

1 方法總述

針對面向選礦流程生產模式的工廠模型映射方法，通過定義選礦流程生產模式下復雜工序之間的綁定關系，為其他業務模塊提供基礎模型數據。主要方法為通過拖拽方式建立物理模型和邏輯模型，根據工序對物理模型和邏輯模型進行綁定，實現二者之間的映射。主要分為物理模型、邏輯模型、模型映射三個模塊[3]。

2 物理模型

存在依次所屬關系的物理節點構成物理模型，多個物理節點分別表示集團、公司、部門、區域/生產線組、子區域/生產線、生產單元和設備。所述生產單元具有類型屬性和人員屬性，所述類型屬性用于表示為生產類、倉儲類、質檢類；所述人員屬性用于表示在生產單元工作的人員。統一節拍的多個生產單元構建為剛性生產單元組，剛性生產線組中的生產單元生產節拍一致，同時開工、同時結束，對于剛性生產單元組，獲取包含多個節點的剛性生產單元組邊框左上角坐標、右下角坐標，得到覆蓋區域，生成囊括所選節點的外層區域框，將該區域框中的所有生產單元節點綁定為同一生產節拍。

物理模型是對工廠的區域、設備等實物的實際位置與連接建模，將物理模型劃分為7個層次，從上至下分別為集團、公司、部門、區域/生產線組、子區域/生產線、生產單元和設備。其中一至三層集團、公司、部門表示一個工廠的組織結構。其中四至七層表示一個工廠的物理布局。通過制造執行系統（MES，Manufacturing Execution System）的圖形化操作界面拖拽方框和連線。方框表示物理模型中的節點，連線表示節點與節點之間的方向。制造執行系統（MES，Manufacturing Execution System）提供七種方框，每種方框代表物料模型中的一層節點。其中第一層節點表示集團，第二層節點表示集團下面的公司，第三層節點表示公司下面的部門，第四層節點表示部門下面的區域組或者生產線組。只有生產部門具有區域組或者生產線組，管理部門沒有，所以僅有生產部門節點可以配置第四層節點，第五層節點表示區域組或者生產線組下面的一塊區域或者一條生產線，第六層節點表示一塊區域或者一條生產線下面的生產單元，第七層節點表示生產單元下面的設備。

圖1 物理模型結構圖

圖2 物理模型實施實例圖

3 邏輯模型

首先定義產品工藝路線，產品工藝路線屬性包括ID、編碼、名稱、版本、創建日期、創建人。根據工藝建立工序節點，每一個節點表示一個工序，工序節點屬性包括工序ID 、工序編碼、工序名稱；工序節點與工序節點設置連接線，并使連接線具備方向，以表示工序進行的方向。選擇兩個或以上的工序節點構成并行工序組，所述并行工序組的決策類型包括操作員決策、任一完成和同時完成；所述操作員決策，用于表示人為決定選擇某一工序執行；所述任一完成，用于表示由任一工序執行；所述同時完成，用于表示并行工序組內全部工序完成。統一節拍的一組工序構成剛性工序組，所述剛性工序組中的工序生產節拍一致，同時開工、同時結束；對于剛性工序組，獲取包含多個節點的剛性工序組邊框左上角坐標、右下角坐標，得到覆蓋區域，生成囊括所選節點的外層區域框；將該區域框中的所有工序節點綁定為同一生產節拍。對于某工序出現不合格品的異常情況時，在該工序建立一條不合格品處理工藝路線：以該工序為起始工序和終止工序，拖拽建立多個附加工序節點并連線，以表示工序執行方向，該工序與多個附加工序節點構成不合格品處理工藝路線；存儲該工序ID、不合格品處理工藝路線ID作為工序與不合格品處理工藝路線的對應關系。

圖3 邏輯模型實施實例圖

通過制造執行系統（MES）的圖形化操作界面對邏輯模型中的節點和連線進行定義與存儲。建立產品工藝路線，產品工藝路線屬性包括ID、編碼、名稱、版本、創建日期、創建人等。拖拽工序節點的方框，定義工序節點的具體節點名稱，如XXX工序。存儲工序節點的ID，編碼，名稱，節點長度、節點寬度、節點位置X軸坐標、節點位置Y軸坐標，節點圖標地址，z軸坐標。通過節點長度、節點寬度、節點位置X軸坐標、節點位置Y軸坐標，定義方框。計算機屏幕橫向為x軸，縱向為y軸，z軸就是垂直計算機屏幕的軸，z越大，越靠近人這個方向，越小就越遠離人。計算機屏幕的z軸坐標為0，越往屏幕里越小。拖拽連接線，連接工序節點與工序節點，系統存儲開始節點ID，結束節點ID，折點橫坐標、折點縱坐標。在邏輯模型中，對工序節點進行說明如下。工序節點具有類型屬性，分別為生產類、倉儲類、質檢類。系統存儲工序節點ID，類型ID作為工序與其類型的關系。質檢類的工序節點具有質檢項目屬性。質檢項目配置質檢標準。質檢標準分為普通型、數值型和選項性。普通型表示以文本作為質檢結果。數值型表示以數值作為質檢結果，需要配置上限值、標準值、下限值。選項性表示以選項值作為質檢結果，需要配置選項數量和內容。對并行工序組進行說明如下。一組并行生產工序可以被定義為并行工序組。并行工序組具有決策類型屬性，包括操作員決策、任一完成和同時完成。當生產任務按照工藝路線走到并行工序組時，根據并行工序組類型進行任務執行。如果并行工序組類型是操作員決策，生產任務具體由哪個工序執行，由操作員決定。如果并行工序組類型是任一完成，生產任務在任一工序完成就算完成。如果并行工序組類型是同時完成，生產任務在全部工序完成才算完成。對并行工序組的實施方法進行說明如下。顯而易見地，通過制造執行系統（MES）的圖形化操作界面對節點與連線進行創建。對于并行工序組，拖動一個方框將并行工序組中的工序節點包圍。實現方法為，對于并行工序組，獲取組內左上角節點左上角橫坐標、縱坐標，右下角節點右下角橫坐標、縱坐標，計算出覆蓋區域，添加邊框寬度，生成囊括所選節點的外層區域框大小。這個框位于工序節點底層，所以該節點Z軸坐標為生產單元節點Z軸坐標減1。并行工序組內的工序節點具有組編碼屬性，組編碼為相同編碼，即表示同一組編碼的工序節點為一個并行工序組。對剛性工序組的實施方法進行說明如下。顯而易見地，通過制造執行系統（MES）的圖形化操作界面對節點與連線進行創建。對于剛性工序組，拖動一個方框將剛性工序組中的工序包圍。實現方法為，對于剛性工序組，獲取組內左上角節點左上角橫坐標、縱坐標，右下角節點右下角橫坐標、縱坐標，計算出覆蓋區域，添加邊框寬度，生成囊括所選節點的外層區域框大小。這個框位于生產單元節點底層，所以該節點Z軸坐標為工序節點Z軸坐標減1。剛性工序組內的工序節點具有組編碼屬性，組編碼為相同編碼，即表示同一組編碼的工序節點為一個剛性工序組。

4 模型映射

建立產品工藝路線后，在工序中選擇物理模型中的生產單元，完成邏輯與物理的綁定，選擇邏輯模型中的一個工序節點，觸發物理模型生產單元列表，在列表中選擇一個或者多個生產單元；存儲邏輯模型的工序節點與物理模型的生產節點之間的對應關系，包括工序ID，工序編碼、工序名稱、生產單元ID、生產單元編碼、生產單元名稱。通過制造執行系統（MES）的圖形化操作界面對生產單元與工序進行綁定。選擇產品工藝路線中的某一工序，選擇若干生產單元，工序與生產單元為一對多的關系。表示該工序可以在若干生產單元上進行生產。系統存儲工序ID、生產單元ID作為工序與生產單元的綁定關系。對剛性工序組綁定剛性生產單元組進行如下說明。選擇產品工藝路線中的某一剛性工序組，選擇剛性生產單元組的某一剛性生產單元組。系統校驗剛性工序組中的工序數量和剛性生產單元組的生產單元數量，工序數量必須小于等于生產單元數量。如果工序數量與生產單元數量相等，系統將工序與生產單元一對一自動綁定，存儲工序ID與生產單元ID。如果工序數量小于生產單元數量，人工對工序與生產單元進行綁定。剛性工序組中的工序只能與選擇的剛性生產單元組中的生產單元進行綁定，不能與選擇的剛性生產單元組中生產單元以外的生產單元進行綁定。即如果某一剛性工序組中的工序綁定了某一剛性生產單元組的生產單元，那么這個剛性工序組中的其他工序只能和這個剛性生產單元組的生產單元進行綁定。

圖4 選礦生產模型圖

通過制造執行系統（MES）的圖形化操作界面建立邏輯模型。為邏輯模型中的每一工序選擇物理模型中的生產單元。如圖所示，說明選礦廠典型生產流程。D1球磨機下游設備為D2一次旋流器給礦箱。D2一次旋流器給礦箱下游設備D3一次旋流器。D3一次旋流器下游設備D4和D5，同時D3一次旋流器可以返回給D1球磨機。D4和D5為并行設備，都可以承接D3。D3和D4、D5為1對多的關系。D4和D5下游設備為D6二次旋流給礦箱。D4、D5和D6位多與1的關系。D6下游設備為D7二次旋流器1#和D8二次旋流器2#。D7、D8的下游設備為D9、D10、D11、D12.D9、D10、D11、D12位并行關系。D7、D8與D9、D10、D11、D12為多對多關系。這樣就實現了工序之間的關系，實現了工序上下游的一對多，多對一，多對多。

5 結束語

通過本文論述的建模方法，能夠描述工序之間、設備之間的多對多關系，能夠描述剛性生產線及并行產線，簡化了制造執行系統中組織機構與物理模型的常用配置方法。