Design and implementation of manufacturing execution system for discrete manufacturing industry

馬天明，蔣 慶，毛 翎，劉 鵬MA Tian-ming， JIANG Qing， MAO Ling， LIU Peng（中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018）

面向離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

Design and implementation of manufacturing execution system for discrete manufacturing industry

馬天明，蔣 慶，毛 翎，劉 鵬
MA Tian-ming， JIANG Qing， MAO Ling， LIU Peng
（中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018）

針對離散制造業(yè)的生產(chǎn)過程監(jiān)控困難、數(shù)據(jù)采集困難以及生產(chǎn)信息反饋遲緩等問題設(shè)計開發(fā)了一種面向離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），探討了該制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件系統(tǒng)搭建、生產(chǎn)過程監(jiān)控的實現(xiàn)方式等。本系統(tǒng)已應(yīng)用在某企業(yè)熱力膨脹閥生產(chǎn)車間。

離散制造業(yè)；制造執(zhí)行系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計；過程監(jiān)控

0　引言

離散制造業(yè)產(chǎn)品定制程度和非標(biāo)準(zhǔn)程度較高，來自不同訂單、不同批次的產(chǎn)品有著不同的規(guī)格、參數(shù)及測試驗收標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的生產(chǎn)過程多以流程卡進行跟蹤控制，每經(jīng)過一道工序，由相關(guān)作業(yè)人員簽名、標(biāo)注日期，由于流程卡全由人工操作，產(chǎn)品質(zhì)量控制效果受人為因素影響嚴(yán)重，難以滿足零差錯的出廠要求。此外，產(chǎn)品多樣化、生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、零部件標(biāo)準(zhǔn)不同導(dǎo)致離散制造業(yè)生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)龐大，人工記錄生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)需耗費較大的人力物力，產(chǎn)品的質(zhì)量也不便于追溯。生產(chǎn)過程無法實時追蹤造成企業(yè)上層生產(chǎn)計劃無法及時調(diào)整，不利于管理者制定運籌計劃。

制造執(zhí)行系統(tǒng)是位于企業(yè)上層生產(chǎn)計劃和底層工業(yè)控制之間，面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)，它連接著生產(chǎn)計劃與制造過程，能夠及時反饋生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，在計劃管理與底層生產(chǎn)控制之間架起了一座橋梁。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)的實施，能夠有效提高制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量把控能力以及管理水平。

目前，對離散制造業(yè)執(zhí)行系統(tǒng)的研究大部分針對功能模型以及軟件架構(gòu)設(shè)計方面，鮮有對離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)具體的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方案的探討。針對這種狀況，本文設(shè)計了一種面向離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，分析了離散制造業(yè)對制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能需求，探討了制造執(zhí)行系統(tǒng)的具體實施方案。

1　系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計原則

1.1設(shè)計目標(biāo)

目前，離散制造業(yè)對制造執(zhí)行系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在以下四個方面：一是生產(chǎn)過程實時監(jiān)控；二是降低生產(chǎn)成本，這其中包括提高設(shè)備利用率、縮短生產(chǎn)周期、減少庫存量等；三是產(chǎn)品質(zhì)量追溯與分析；四是生產(chǎn)任務(wù)快速下達。因此，如圖1所示，面向離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)功能可以劃分為產(chǎn)品質(zhì)量追溯及防差錯系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析系統(tǒng)、可視化電子看板系統(tǒng)、智能安燈系統(tǒng)、智能物料管理及配送系統(tǒng)、設(shè)備遠程維護云服務(wù)系統(tǒng)六個部分。

圖1　制造執(zhí)行系統(tǒng)功能劃分

1）產(chǎn)品質(zhì)量追溯及方差錯系統(tǒng)以條碼為載體，自動上傳、下傳、記錄產(chǎn)品生命周期的各種相關(guān)信息，通過在生產(chǎn)節(jié)點對生產(chǎn)信息的查詢和比對，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯和生產(chǎn)過程監(jiān)控，其可分為生產(chǎn)任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊和過程控制模塊四個獨立的模塊。

2）產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析系統(tǒng)旨在實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和對機器制程能力的分析，其下可劃分為生產(chǎn)報表模塊、質(zhì)量報表模塊、制程能力模塊三部分。

3）可視化電子看板系統(tǒng)將生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)、設(shè)備異常信息等生產(chǎn)信息實時顯示在車間生產(chǎn)線顯示器和管理人員的電腦上，實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化和可視化。

4）智能安燈系統(tǒng)解決設(shè)備管理問題，負(fù)責(zé)將設(shè)備異常信息（如缺少原材料、設(shè)備故障燈）發(fā)送至相關(guān)技術(shù)人員，并跟蹤設(shè)備故障的處理進度。

5）智能物料管理及配送系統(tǒng)實現(xiàn)車間、倉庫物料管理及配送，可分為庫存物料管理模塊，生產(chǎn)物料監(jiān)控模塊以及物料配送管理模塊三個部分。

6）設(shè)備遠程維護云服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)使用廠家與制造執(zhí)行系統(tǒng)解決方案提供商相連，實現(xiàn)設(shè)備維護管理的遠程化、智能化。

各個系統(tǒng)既可以獨立運行，也可以交互運行。系統(tǒng)間的交互關(guān)系如圖2所示，智能物料管理及配送系統(tǒng)何設(shè)備遠程維護云服務(wù)系統(tǒng)可與智能安燈系統(tǒng)交互，可記錄各設(shè)備狀態(tài)信息及物料狀態(tài)，配合可視化電子看板系統(tǒng)可將信息實時顯示，產(chǎn)品質(zhì)量追溯及防差錯系統(tǒng)與產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析系統(tǒng)交互形成產(chǎn)品從生產(chǎn)裝配測試至出廠售后完整的質(zhì)量追溯管理?？梢暬娮涌窗逑到y(tǒng)與產(chǎn)品質(zhì)量追溯及防差錯系統(tǒng)交互，可實時顯示各工序生產(chǎn)狀況；與產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析系統(tǒng)交互，可實時顯示各生產(chǎn)線產(chǎn)量、不合格率等信息。

圖2　系統(tǒng)交互關(guān)系

1.2設(shè)計原則

基于目前國內(nèi)離散制造企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，此制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計基于以下原則：

1）可靠性：制造執(zhí)行系統(tǒng)龐大復(fù)雜，工作于制造業(yè)生產(chǎn)一線，連續(xù)長時間工作于工業(yè)環(huán)境中，要求軟硬件系統(tǒng)具有較高的可靠性。

2）可擴展性：隨著制造企業(yè)的不斷發(fā)展，其生產(chǎn)規(guī)模也將不斷擴大，不斷有新設(shè)備添加進生產(chǎn)線中，生產(chǎn)線數(shù)量也會不斷增多。同時，制造業(yè)的管理需求也會不斷變化。這要求制造執(zhí)行系統(tǒng)無論在硬件平臺搭建還是軟件架構(gòu)設(shè)計上都應(yīng)具有良好的可擴展性。

3）經(jīng)濟性：實現(xiàn)生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)的實時上傳下傳功能需要較多的采集控制節(jié)點，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控反饋需要服務(wù)器、顯示屏等硬件設(shè)施，為此，系統(tǒng)的設(shè)計在保證功能正常的前提下，盡量降低實施成本。

2　系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1硬件系統(tǒng)搭建

如圖3所示，硬件系統(tǒng)從功能上劃分為計劃層、執(zhí)行層、控制層三個部分。計劃層主要用于任務(wù)的制訂和下達，并與企業(yè)ERP系統(tǒng)相連接；控制層針對生產(chǎn)線，主要用于數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)過程的監(jiān)控；執(zhí)行層起到承上啟下的作用，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲以及傳遞。執(zhí)行層與控制層經(jīng)由無線局域網(wǎng)相連，執(zhí)行層與計劃層間通過路由器相連。

控制層是制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心，制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能依賴于控制層的數(shù)據(jù)采集與生產(chǎn)監(jiān)控，因此制造執(zhí)行系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)搭建主要集中在控制層。制造企業(yè)生產(chǎn)線有多個生產(chǎn)區(qū)，每個生產(chǎn)區(qū)有多條生產(chǎn)線，客戶端（生產(chǎn)線上的各種設(shè)備）多呈線性或環(huán)狀排布，為此系統(tǒng)硬件平臺搭建設(shè)計采用無線方式組建局域網(wǎng)，克服了有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程量大、不易擴展、不便搬移、端口數(shù)量有限等缺點，具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整方便，故障定位容易等優(yōu)點。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集通過無線網(wǎng)絡(luò)進行，由于生產(chǎn)區(qū)域分布可能較為分散，每個生產(chǎn)區(qū)域架設(shè)一臺無線AP作為無線接入點（注：單臺無線AP覆蓋范圍為方圓50米）。所有客戶端均留有串行通信接口，通過串口服務(wù)器與無線網(wǎng)絡(luò)通訊，無線接入點以infrastructure模式工作，與客戶端交換數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)配置一臺無線調(diào)度主機，通過以太網(wǎng)交換機與所有無線接入點以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連，作為控制層無線局域網(wǎng)的中心控制點，用于監(jiān)視客戶端運行狀態(tài)、記錄數(shù)據(jù)誤碼信息等。每個生產(chǎn)廠區(qū)配置一臺查詢主機，查詢主機通過無線局域網(wǎng)可以訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，查詢產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)。每條生產(chǎn)線的最后配有產(chǎn)品確認(rèn)主機，用于產(chǎn)品出廠前的最后質(zhì)量確認(rèn)，確保產(chǎn)品的每一道工序均合格，滿足出廠要求，防止不合格品流出。電子看板采用一體機，通過無線接入點訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，靈活地定制顯示各客戶端的生產(chǎn)狀況，克服了傳統(tǒng)LED看板內(nèi)容單一、不便更改、不夠美觀大氣等缺點。

2.2軟件模塊設(shè)計

考慮到制造執(zhí)行系統(tǒng)架設(shè)在企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)通信建立在專用的局域網(wǎng)上，且制造執(zhí)行系統(tǒng)控制實時性、交互性、定制型強，故本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)模式開發(fā)，充分利用兩端的硬件優(yōu)勢，盡量為操作人員提供簡便、快捷的操作方式。

圖3　系統(tǒng)硬件架構(gòu)

軟件的功能模塊劃分對應(yīng)于設(shè)計目標(biāo)的6個系統(tǒng)功能模塊，本文將介紹部分功能模塊的軟件實現(xiàn)方式。

1）產(chǎn)品質(zhì)量追溯及防差錯系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集功能采用UDP通信方式實現(xiàn)，服務(wù)器不斷偵聽端口是否有接收到數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)則進行解析，并向發(fā)送生產(chǎn)數(shù)據(jù)的設(shè)備進行回碼告知數(shù)據(jù)處理結(jié)果并準(zhǔn)備下一次接收過程，其運行流程如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集服務(wù)器運行流程

為確保數(shù)據(jù)可靠傳輸，在UDP通信的基礎(chǔ)上，客戶端增加了延時重傳機制，即客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)后，延時一段時間，若在此期間未收到回碼，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若數(shù)次發(fā)送失敗，做報警處理。

客戶端與服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)包最大為800字節(jié)，其中包括工作模式、生產(chǎn)線號、工序號、設(shè)備號、工位號、生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)、校驗碼、連鎖標(biāo)識等信息，生產(chǎn)數(shù)據(jù)可根據(jù)需要自定義數(shù)據(jù)格式，連鎖標(biāo)識用于防差錯功能。

產(chǎn)品的防差錯功能在軟件中通過兩部分實現(xiàn)，第一部分在連鎖標(biāo)識中實現(xiàn)，連鎖標(biāo)識表示產(chǎn)品的上一道工序，若需要進行防差錯檢驗，則數(shù)據(jù)包中的連鎖標(biāo)識字節(jié)寫入需要進行連鎖的工序編號，每個產(chǎn)品在完成一道工序后，上傳生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)，服務(wù)器根據(jù)連鎖標(biāo)識查詢該產(chǎn)品上一道工序的測試數(shù)據(jù)，并在回碼中標(biāo)識上一道工序合格與否，這樣每個產(chǎn)品在經(jīng)過每一道工序時都會檢驗上一道工序的完成情況，大大減少了不合格品產(chǎn)生的概率。另一部分防差錯的功能在裝箱前的確認(rèn)主機實現(xiàn)，產(chǎn)品在裝箱前需要在確認(rèn)主機上掃描條碼核對生產(chǎn)信息，確認(rèn)主機根據(jù)產(chǎn)品條碼向服務(wù)器發(fā)送查詢請求，服務(wù)器根據(jù)產(chǎn)品條碼返回此產(chǎn)品所有工序生產(chǎn)信息，確保不合格品無法出廠。

（2）生產(chǎn)任務(wù)模塊：生產(chǎn)任務(wù)模塊以生產(chǎn)批號為載體，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)運行管理，其中最重要的功能是任務(wù)下傳，即將生產(chǎn)任務(wù)以及質(zhì)量控制參數(shù)下載至對應(yīng)的客戶端上。任務(wù)下傳功能的實現(xiàn)依賴于數(shù)據(jù)庫，下達任務(wù)時，無線調(diào)度主機向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送請求查詢對應(yīng)客戶端的IP地址和質(zhì)量控制參數(shù)，若質(zhì)量控制參數(shù)無誤，便向該客戶端下達任務(wù)。

2）產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析系統(tǒng)

產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表為核心實現(xiàn)，以CPK的計算為例，其流程圖如圖5所示。

圖5　CPK計算流程圖

UI界面中，包括生產(chǎn)批次、部件批次、日、周、月、工序、工位等查詢條件，系統(tǒng)將根據(jù)查詢條件以字符串鏈接的方式自動生成SQL查詢語句，并發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器請求數(shù)據(jù)。為便于不合格品的搜索，系統(tǒng)專門設(shè)置不合格品查詢，只需要輸入日期、工序、工位等搜索條件，系統(tǒng)便列出所有不合格產(chǎn)品的產(chǎn)品條碼，點擊列出的條碼系統(tǒng)自動調(diào)出該產(chǎn)品的生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，也可將數(shù)據(jù)庫返回的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計為生產(chǎn)報表輸出。

3）智能安燈系統(tǒng)

智能安燈系統(tǒng)的功能由客戶端與無線調(diào)度主機的通訊來實現(xiàn)。如圖6所示，當(dāng)客戶端出現(xiàn)設(shè)備故障、缺料、質(zhì)量變差等問題時，可以通過客戶端上觸摸屏的呼叫按鈕選擇問題類型并向無線調(diào)度主機發(fā)送呼叫，無線調(diào)度主機自動將問題類型、發(fā)生時間等相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并在生產(chǎn)監(jiān)控界面上進行提示。

待問題解決，工人只需按下客戶端觸摸屏上的確認(rèn)按鈕，客戶端便向無線調(diào)度主機發(fā)送完成信息，無線調(diào)度主機將數(shù)據(jù)包解析后更新數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中相關(guān)數(shù)據(jù)表的信息。

圖6　安燈事件表

智能安燈系統(tǒng)還具有聯(lián)系人管理功能，異常問題發(fā)生時，無線調(diào)度主機可以從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中取得相關(guān)人員資料，并將呼叫信息發(fā)送至相關(guān)人員的電腦上。如圖7所示，負(fù)責(zé)處理不同異常問題的聯(lián)系人可以隨時進行修改。

圖7　安燈聯(lián)系人表

4）可視化電子看板系統(tǒng)

圖8　電子看板界面

如圖8所示，電子看板顯示內(nèi)容包括工序生產(chǎn)完成情況、生產(chǎn)線生產(chǎn)合格率、各工位異常呼叫及處理狀態(tài)。電子看板顯示內(nèi)容通過實時刷新的方式實現(xiàn)，電子看板通過無線接入點訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，取出與顯示內(nèi)容有關(guān)的信息，刷新顯示界面，刷新頻率可根據(jù)實際生產(chǎn)節(jié)拍自定。軟件中可視化電子看板系統(tǒng)的編程主要集中在定時生成需要的查詢語句，并向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送查詢請求?？紤]到客戶端數(shù)量較多、數(shù)據(jù)刷新頻率較高，電子看板訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器利用連接池技術(shù)通過短連接的方式進行。

圖9　制造執(zhí)行系統(tǒng)

電子看板每次查詢請求后，將其與數(shù)據(jù)庫的連接釋放回數(shù)據(jù)庫連接池中，供其他線程使用，這樣避免了頻繁數(shù)據(jù)庫連接頻繁建立、關(guān)閉的開銷。

3　結(jié)束語

目前，該制造執(zhí)行系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某企業(yè)熱力膨脹閥車間，如圖9所示，該車間有三個生產(chǎn)區(qū)域，分別為氬焊充注區(qū)、裝配測試區(qū)和復(fù)測裝箱區(qū)。氬焊充注區(qū)進行氬焊、充注等工序，共有30個客戶端；裝配測試區(qū)含有三條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線有15個客戶端，依次進行分選、擰緊、作動、氣密性測試等工序；復(fù)測裝箱區(qū)進行作動復(fù)測、氣密性復(fù)測等工序，共有三條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線有6臺客戶端。

各生產(chǎn)區(qū)域最多可以配置50個客戶端，每個生產(chǎn)區(qū)域配置一個無線接入點，客戶端通過無線接入點與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通訊。該制造執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的通用性和可擴展性。當(dāng)新增客戶端時，只需將客戶端上的通訊模塊接入無線接入點即可。當(dāng)產(chǎn)品或者客戶端更換后，系統(tǒng)框架與數(shù)據(jù)庫配置只需根據(jù)產(chǎn)品做適當(dāng)修改即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。該制造執(zhí)行系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，使得該企業(yè)熱力膨脹閥車間的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量有了顯著提高。

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TP278；TP311

A

1009-0134（2016）08-0077-05

2016-07-02

馬天明（1992 -），男，吉林人，碩士研究生，研究方向為工業(yè)自動化和制造執(zhí)行系統(tǒng)。