，，

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

目前國內(nèi)大型造船企業(yè)正在加快實施企業(yè)信息化建設，在計算機集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing systems,CIMS)開發(fā)利用上取得了較大進展，但基礎數(shù)據(jù)不扎實、信息流通慢，造成船舶企業(yè)普遍存在信息孤島和信息斷層的問題。為此，提出基于MES(manufacturing execution system)的船舶建造數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為整個MES的一個子系統(tǒng)，完成船舶建造現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集任務，從而很好地解決以上問題。

1 MES關鍵問題描述

美國的咨詢調(diào)查公司(advanced manufacturing research，AMR)對MES給出的定義：MES是一個常駐工廠層的信息系統(tǒng)，介于企業(yè)領導層的計劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。

它以當前視角向操作人員/管理人員提供生產(chǎn)過程的全部資源(人員、設備、材料、工具和客戶要求)的數(shù)據(jù)和信息。[1]

MES處于計劃層和現(xiàn)場之間的執(zhí)行層，一方面將企業(yè)資源計劃層的命令進一步細化后，向生產(chǎn)過程發(fā)出制造指令；另一方面，將過程控制層收集到的實時信息反饋回業(yè)務管理層，作為以后編制生產(chǎn)計劃的依據(jù)，并對車間作業(yè)進行實時動態(tài)調(diào)度，將企業(yè)資源計劃和過程控制整合在一起，形成以ERP(enterprise resource planning)/MES/BCS(bottom control system)三層為核心的企業(yè)信息集成系統(tǒng)。

2 基于MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊功能描述

使用IDEFO(integration definition for function modeling)建立船舶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能模型，描述系統(tǒng)構成及系統(tǒng)各模塊間的相互關系[2]。數(shù)據(jù)采集模塊的功能就是在計劃、工單、物料單等信息的支持下，收集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進行存儲和處理，形成生產(chǎn)實時信息和生產(chǎn)過程信息，這個過程是由計算機系統(tǒng)和人工完成。

按照數(shù)據(jù)采集的對象，可以把數(shù)據(jù)采集功能模塊劃分為6個子模塊，見圖1。

1) 計劃數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與計劃相關的數(shù)據(jù)，包括廠級車間作業(yè)計劃信息、班組作業(yè)計劃信息以及各種計劃調(diào)整調(diào)度信息。

2) 工單數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與工單相關的數(shù)據(jù)，包括工單基本信息、派發(fā)信息、執(zhí)行信息和調(diào)整信息。

3) 設備及工裝數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與設備及工裝相關的數(shù)據(jù)，包括設備基本信息、工裝基本信息、設備的使用信息、維修信息以及其他狀態(tài)信息。

4) 物料數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與物料相關的數(shù)據(jù)，包括物料基本信息、物料的狀態(tài)信息、位置信息、數(shù)量信息以及質(zhì)量信息。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊功能模型圖

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

5) 人員數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與人員相關的數(shù)據(jù)，包括人員基本信息、人員的出勤情況、人員的工作狀況。

6) 輔助數(shù)據(jù)采集模塊。負責采集與系統(tǒng)相關的其它數(shù)據(jù)，包括使用的制造信息、相關的工藝信息、工作日歷信息。

2.2 數(shù)據(jù)采集信息分析

在車間實際生產(chǎn)過程中，關心的信息包括：前工單的執(zhí)行情況、設備的使用狀況、人員的狀態(tài)，以及物料的在制品存儲量信息。對需要采集的信息進行分類。

1) 指令類信息。各種生產(chǎn)指令，包括工單、領料單、入庫單。

2) 時間類信息。事件發(fā)生和結束的時間。

3) 位置類信息。各種要素所在的位置，包括物料的位置、人員的位置、設備的位置。

4) 人員類信息。事件發(fā)生過程中的人，包括導致各種狀態(tài)變更的人員、操作設備的人員、執(zhí)行工單的人員、運輸物料的人員。

5) 事件類信息。主要描述事件的過程，包括使用的設備、使用的物料、最后的結果。

2.3 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法

目前造船企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)大都是手工填寫，這些數(shù)據(jù)有的是經(jīng)手算匯總，稍微先進點的則是各種生產(chǎn)報表、單據(jù)、窗體數(shù)據(jù)輸入計算機中進行匯總，這些數(shù)據(jù)信息嚴重缺乏實時性、準確性和全面性，而且人為操作使得數(shù)據(jù)誤差增多，檢查數(shù)據(jù)源時困難重重。這就出現(xiàn)了所謂的“生產(chǎn)現(xiàn)場黑箱作業(yè)”現(xiàn)象。利用條碼建立的具有敏捷化響應能力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為上述問題的解決，提供了可行的實現(xiàn)方案。

2.4 基于條碼的數(shù)據(jù)采集方法

針對船舶制造企業(yè)面向訂單式的特點所設計的條碼數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程見圖2。

在車間級管理層接收到來自企業(yè)級ERP系統(tǒng)的零件月份需求計劃之后，MES需要根據(jù)上級計劃制定MES車間月份生產(chǎn)計劃，然后根據(jù)車間月份生產(chǎn)計劃生成零件加工批次和產(chǎn)生流水作業(yè)卡。之后，生成能夠表示零件在制品的條碼，和零件批次信息一起作為零件生產(chǎn)的過程檔案。同時，還根據(jù)MES車間月份生產(chǎn)計劃生成每天的工序作業(yè)計劃，作為生產(chǎn)調(diào)度指令向生產(chǎn)現(xiàn)場下達班產(chǎn)派工指令。生產(chǎn)現(xiàn)場根據(jù)派工指令和零件批次進行加工。在完成加工任務之后，反饋零件加工情況和狀態(tài)、班產(chǎn)計劃完成情況以及生產(chǎn)工時綜合統(tǒng)計。MES根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過過濾、統(tǒng)計等處理形成可用的信息供第二天的工序日計劃編制和上層ERP系統(tǒng)編制計劃使用。

3 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

3.1.1 條碼制作

根據(jù)對數(shù)據(jù)采集信息的分析和現(xiàn)場加工實際情況，得出選擇條碼標識對象的原則：對象數(shù)量要盡量少，便于精簡條碼掃描流程；能表示盡量多的信息；條碼標簽容易粘貼。根據(jù)上述原則，對條碼標識對象的選擇如下：①選擇工廠分配給每個員工作為人員惟一標識的代碼作為編碼代碼，制成條碼標簽粘貼在每個工人每日必須佩戴的工卡上；②在生產(chǎn)中，在制品零件是以批次為基本單位進行加工和移動的，而每個零件批次的流水作業(yè)卡包含了該批次零件的基本信息、加工工序信息和加工數(shù)量且流水作業(yè)卡跟隨本批零件的整個加工過程。所以選擇流水作業(yè)卡作為標識零件的條碼標識對象。針對每個批次印制能夠惟一標識該批次的條碼標簽粘貼在流水作業(yè)卡上；③根據(jù)標識每臺設備的設備編碼印制設備條碼標簽供采集設備信息使用。

3.1.2 條碼編碼規(guī)則

1) 惟一性。每一個編碼對象只能有一個代碼，一個代碼也僅表示惟一的一個編碼對象。

2) 規(guī)范合理性。在一個代碼標準中，代碼的類型、結構以及編寫格式要統(tǒng)一和規(guī)范化。

3) 穩(wěn)定性。即代碼不宜頻繁變動，編碼時要考慮其變化的可能性，保持代碼系統(tǒng)的相對穩(wěn)定。

4) 可擴充性。必須留有適當?shù)暮髠淙萘?，適應編碼對象特征或?qū)傩砸约捌湎嗷リP系可能出現(xiàn)的變化，從而滿足系統(tǒng)不斷擴充的需要。

5) 簡化性。計算機在運行過程中需要處理的數(shù)據(jù)量很大，為了縮短處理的時間、減少存儲空間，同時也為便于條碼閱讀器的識別，編碼不能過于冗長，應當盡量簡化。

6) 適用性。代碼要盡可能翻譯編碼對象的特點，以助于記憶并便于人們了解、識別和使用。

系統(tǒng)根據(jù)上述編碼規(guī)則[3-6]，初步設計有關人員、設備、物料的編碼格式。

I—三位流水號，由 001 開始。

I—公司代號；

II—設備所屬部門編號；

III—同部門設備序號。

I—總代號，用P表示；

II—產(chǎn)品編碼；

III—車間編號(或預留)；

IV—工序號。

I—總代號，用R表示；

II—分代號；

III—分類號；

IV—原料編號；

V—計量單位代碼；

VI—序號。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊框架體系的設計

目前常用的關系數(shù)據(jù)庫應用模式有B/S 結構和 C/S 結構。針對造船企業(yè)數(shù)據(jù)采集量大的特點，選擇 B/S 模式，見圖3。

圖3 B/S架構應用模型

B/S架構的軟件開發(fā)模式在結構上分為三部分:客戶端、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器。相應的數(shù)據(jù)庫訪問邏輯也分為三個層次:界面表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。該結構中，數(shù)據(jù)訪問層放在數(shù)據(jù)庫服務器上，主要負責數(shù)據(jù)的存取、訪問及優(yōu)化。主要的業(yè)務處理功能即業(yè)務邏輯層則在應用服務器上實現(xiàn)，而提供系統(tǒng)與用戶交互的界面表示層和簡單的業(yè)務處理功能則放在客戶端。

3.3 數(shù)據(jù)采集過程示例

采用SQL Server數(shù)據(jù)庫， 演示過程如下，Visual C#.net實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。需要工人錄入的信息可分為：工人每天工作狀態(tài)信息、加工任務信息和完成任務信息三個部分。設計出基于班產(chǎn)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)采集界面。實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的快速采集和數(shù)據(jù)的一次錄入多次使用。工人每天填寫的班產(chǎn)信息，其中大部分數(shù)據(jù)都可以通過掃描人員條碼、批次流水作業(yè)卡條碼、設備條碼來匹配相應信息，需要錄入的只有時間和數(shù)量等數(shù)字信息。這樣不僅減少了工人手工錄入生產(chǎn)信息的出錯幾率，同時也減少了工人使用鍵盤錄入字符的范圍，節(jié)省了錄入數(shù)據(jù)信息所花費的時間。

通過顯示終端,操作員將獲得條碼的實際信息,同時可輸入少量的加工質(zhì)檢信息,并將這些信息傳到車間計算機上,由此完成零件的一次加工,并跟蹤到車間主機上。同時,對復雜工序加工時,通過掃描工序條碼,從車間計算機上獲得該批零件對應工序的生產(chǎn)工藝信息,并顯示在終端上,指導操作員加工。通過訪問SQL數(shù)據(jù)庫獲得零件加工的所有進程信息。利用條碼實現(xiàn)對操作員、零件狀態(tài)、加工進展、設備的監(jiān)視,這樣，管理者就能及時查看零件加工進度、質(zhì)量分析、設備負荷、零件轉(zhuǎn)移情況等。系統(tǒng)基本滿足MES上層各功能模塊對生產(chǎn)現(xiàn)場信息的需求。

4 結束語

針對目前船舶制造企業(yè)普遍存在的數(shù)據(jù)采集難題，提出的基于條碼技術的數(shù)據(jù)采集方法使數(shù)據(jù)采集手段更簡單，速度更快，采集所得數(shù)據(jù)更為完備。減少了車間信息獲取難度，加快了獲取車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的能力，為車間生產(chǎn)構建了一個敏捷化處理環(huán)境，很大程度上改變了當前車間生產(chǎn)作業(yè)方式。提高了車間生產(chǎn)效率，有助于有效地縮短造船周期。

[1] BILL SWANTON. Do we need a new model for plant systems[R].USA:AMR Report,1998.

[2] 陳禹六.IDEF建模分析和設計方法[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3] 陳丹暉,劉 紅.條碼技術與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[4] 徐曉霞,貝雨馨. B/S模式與C/S模式之比較[J].延邊大學學報：自然科學版,2002(2):126-129.

[5] 迪尤遜.SQL Server 2005 基礎教程[M].董 明，譯.北京:人民郵電出版社,2006.

[6] 羅福建,白忠建,楊 劍.Visual C#.NET程序設計教程[M].北京: 人民郵電出版社,2009.