高 歡，王少華，張亮星，楊 林

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，車(chē)間在企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，是企業(yè)信息流、工作流、物料流和控制流的交匯點(diǎn)，是確保生產(chǎn)計(jì)劃順利完成的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)[1]。車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程是指原材料或半成品最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程通常涉及到諸多部門(mén)，受到時(shí)間、資源等因素的約束，所以生產(chǎn)中一個(gè)環(huán)節(jié)的延遲就會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)度滯后[2]。因此，只有管理者實(shí)時(shí)且全面的掌握車(chē)間的具體生產(chǎn)情況，做到有效控制生產(chǎn)進(jìn)度，才能通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)的計(jì)劃與調(diào)整，從根本上提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和制造水平。

雖然實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在流程型車(chē)間已得到了廣泛的應(yīng)用，但由于離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜和多變，其生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控一直是企業(yè)的難題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于如何利用現(xiàn)代管理理念與信息技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究較少，而且不夠深入。文獻(xiàn)[3]針對(duì)使用者的需求差異，建立了監(jiān)控、事件、指示器、警報(bào)和反應(yīng)等模型，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有個(gè)性化監(jiān)控功能的業(yè)務(wù)活動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)車(chē)間不能實(shí)時(shí)調(diào)度控制的問(wèn)題，提出可以自動(dòng)生成仿真模型的解決方案，該方案能夠適應(yīng)頻繁變化的內(nèi)外環(huán)境，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的變化進(jìn)行快速的模型構(gòu)建。文獻(xiàn)[5]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種新的庫(kù)存管理思路，設(shè)計(jì)了能夠?qū)?kù)存數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析、處理及統(tǒng)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存運(yùn)作資源管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)離散型車(chē)間面臨的在制品監(jiān)控和管理問(wèn)題，結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)和WSN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)間車(chē)制品的實(shí)時(shí)監(jiān)控。文獻(xiàn)[7]綜合考慮了車(chē)間設(shè)備、工藝流程、質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等方面對(duì)監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了以PLC控制模塊為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控并不是簡(jiǎn)單的引入信息技術(shù)，必須做到與企業(yè)管理和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合才能真正產(chǎn)生價(jià)值。因此，結(jié)合精益生產(chǎn)管理理念，采用Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Microsoft SQL Server 2008 R2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)了一個(gè)面向生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、高效的顯示車(chē)間生產(chǎn)進(jìn)度、在制品統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等大量的車(chē)間底層信息，清晰、直觀的描述車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程狀況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可視化，使管理者能全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的掌握車(chē)間具體生產(chǎn)情況，能根據(jù)獲得的生產(chǎn)信息及時(shí)的調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和分配制造資源。

2 離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)過(guò)程模型構(gòu)建

離散型車(chē)間的生產(chǎn)過(guò)程，常常由多個(gè)加工任務(wù)組成，而每一個(gè)加工任務(wù)只需要很少的制造資源就可以完成，但物料從一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)到另一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，需進(jìn)行多種不同類(lèi)型和要求的加工任務(wù)，其過(guò)程中包含很多不確定性因素。任何車(chē)間無(wú)論類(lèi)型、大小，都有其自身的生產(chǎn)流程，不盡相同。離散型車(chē)間的基本生產(chǎn)過(guò)程模型，如圖1所示。離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是信息和物料在各個(gè)工序之間流動(dòng)的過(guò)程。從信息流動(dòng)的角度來(lái)看：（1）生產(chǎn)調(diào)度與控制部門(mén)接收上層下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃，隨后細(xì)化分解為作業(yè)計(jì)劃下發(fā)生產(chǎn)車(chē)間；（2）生產(chǎn)車(chē)間收到作業(yè)計(jì)劃后，開(kāi)始給每個(gè)操作員工安排具體作業(yè)，工人根據(jù)具體作業(yè)內(nèi)容操作設(shè)備開(kāi)始生產(chǎn)產(chǎn)品；（3）生產(chǎn)過(guò)程中，維護(hù)部門(mén)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維修，質(zhì)檢部門(mén)對(duì)在制品、產(chǎn)成品進(jìn)行檢驗(yàn)；（4）產(chǎn)成品經(jīng)檢驗(yàn)合格入庫(kù)；（5）在執(zhí)行生產(chǎn)的同時(shí)，以工序?yàn)閿?shù)據(jù)采集單元，實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，匯總成生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)提交給生產(chǎn)調(diào)度與控制部門(mén)。從物料流動(dòng)的角度來(lái)看：（1）物料管理部門(mén)首先對(duì)物料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并記錄物料信息，然后為每個(gè)物料配置相應(yīng)的RFID電子標(biāo)簽，確保物料的唯一性，其次在RFID電子標(biāo)簽中寫(xiě)入物料編號(hào)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與物料一一關(guān)聯(lián)，最后將完成關(guān)聯(lián)的物料進(jìn)行儲(chǔ)存；（2）物料管理部門(mén)根據(jù)物料需求計(jì)劃，將物料送到生產(chǎn)車(chē)間，隨后車(chē)間管理部門(mén)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的半制品、產(chǎn)成品進(jìn)行控制和管理；（3）產(chǎn)品完成生產(chǎn)過(guò)程后，經(jīng)檢驗(yàn)合格入庫(kù)。

圖1 離散型生產(chǎn)過(guò)程模型Fig.1 Manufacturing Process Model of Discrete Workshop

2.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

基于上述構(gòu)建的離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程模型，對(duì)系統(tǒng)體系架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2所示。具體包括四層結(jié)構(gòu)，即用戶(hù)層、功能層、數(shù)據(jù)層、現(xiàn)場(chǎng)控制層，完成了產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.2 Architecture of System

（1）用戶(hù)層是系統(tǒng)體系架構(gòu)的頂層，企業(yè)和車(chē)間管理者、車(chē)間調(diào)度人員以及車(chē)間操作人員等可以通過(guò)使用系統(tǒng)應(yīng)用終端，實(shí)時(shí)掌握和了解車(chē)間生產(chǎn)狀況。（2）功能層作為核心部分，完成的是整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯功能，通過(guò)ADO.NET數(shù)據(jù)接口技術(shù)連接監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，保證完成生產(chǎn)計(jì)劃所規(guī)定的產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和交貨期限等指標(biāo)。（3）數(shù)據(jù)層是連接現(xiàn)場(chǎng)控制層和功能層之間的橋梁，通過(guò)中間件將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，使得工作人員能夠通過(guò)客戶(hù)端查看到所需數(shù)據(jù)。通過(guò)與ERP系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。（4）現(xiàn)場(chǎng)控制層是整個(gè)系統(tǒng)的硬件支撐，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器對(duì)RFID標(biāo)簽信息的讀取、設(shè)備終端自動(dòng)采集和人工采集等方式采集車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)功能模型

圖3 系統(tǒng)功能模型Fig.3 Function Structure of System

在系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)的功能分別開(kāi)發(fā)出不同的功能模塊，最后通過(guò)集成完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以精益生產(chǎn)的浪費(fèi)觀點(diǎn)審視離散型車(chē)間的生產(chǎn)現(xiàn)狀，總結(jié)得出車(chē)間的生產(chǎn)問(wèn)題主要為：（1）前后工序銜接不好，造成人員的等待、物料的等待以及設(shè)備的等待浪費(fèi)；（2）設(shè)備故障，尤其是關(guān)鍵設(shè)備故障，造成物料加工的延后，導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)度的滯后；（3）供應(yīng)不及時(shí)，造成停工待料；（4）質(zhì)量問(wèn)題，廢品率高于標(biāo)準(zhǔn)，造成不良品浪費(fèi)；（5）員工缺勤，導(dǎo)致生產(chǎn)任務(wù)停滯等。因此，對(duì)車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控與管理重點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程、設(shè)備、物料、質(zhì)量和人員5個(gè)方面。系統(tǒng)劃分為離散型車(chē)間信息管理、生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控管理、物料監(jiān)控管理、質(zhì)量監(jiān)控管理、設(shè)備監(jiān)控管理和人員監(jiān)控管理6大功能模塊，如圖3所示。

2.4 與ERP系統(tǒng)的集成

車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)是連接企業(yè)層和車(chē)間層應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁。在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)作為企業(yè)快速響應(yīng)制造能力平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)，它要完成與ERP系統(tǒng)的集成，以此實(shí)現(xiàn)信息在不同系統(tǒng)中的交互，如圖4所示。由于ERP系統(tǒng)和車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)各有不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和表現(xiàn)形式，其軟件架構(gòu)也有很大的不同，因此通過(guò)采用Web Services技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的集成。

圖4 系統(tǒng)信息交互關(guān)系圖Fig.4 Relationship Diagram of System Information Interaction

3 系統(tǒng)監(jiān)控流程分析

3.1 生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控

生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控是指以企業(yè)目標(biāo)、生產(chǎn)計(jì)劃和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為前提，相關(guān)人員通過(guò)監(jiān)督和檢查生產(chǎn)進(jìn)度和任務(wù)完成質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出原因，采取措施，保證生產(chǎn)計(jì)劃的順利實(shí)施。在車(chē)間監(jiān)控管理系統(tǒng)中，生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控主要負(fù)責(zé)開(kāi)工條件檢查、生產(chǎn)進(jìn)度控制、生產(chǎn)狀態(tài)跟蹤和產(chǎn)線(xiàn)平衡分析，具體流程圖，如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控流程圖Fig5 Flow Chart of Production Execution Process Monitoring

3.2 物料監(jiān)控

物料監(jiān)控是從整個(gè)車(chē)間的角度來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控物料的流動(dòng)，及時(shí)解決物料問(wèn)題，保證物料供應(yīng)適時(shí)、適質(zhì)、適量，工人收發(fā)物料高效，避免廢料的產(chǎn)生。物料一般包括原材料、在制品和產(chǎn)成品，原材料狀態(tài)表現(xiàn)在儲(chǔ)存、供應(yīng)、初步加工方面，在制品狀態(tài)表現(xiàn)在加工、暫存和消耗方面，產(chǎn)成品狀態(tài)表現(xiàn)在儲(chǔ)存方面。對(duì)物料的監(jiān)控主要針對(duì)物料狀態(tài)、在制品信息統(tǒng)計(jì)、物料供應(yīng)和物料消耗情況，其中物料狀態(tài)信息指物料的位置狀態(tài)，加工、等待、儲(chǔ)存狀態(tài)；在制品信息統(tǒng)計(jì)分析主要對(duì)制品良品率和狀態(tài)時(shí)間比例進(jìn)行分析。通過(guò)物料信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，車(chē)間生產(chǎn)管理部門(mén)可以及時(shí)、有效的組織現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)物料流動(dòng)中存在的浪費(fèi)現(xiàn)象，保證物料流動(dòng)通暢，實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)全過(guò)程中物料的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和物料信息的可追溯，從而保證高效生產(chǎn)。

3.3 質(zhì)量監(jiān)控

生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控管理[8]是實(shí)現(xiàn)企業(yè)質(zhì)量目標(biāo)的重要保證，是指從原材料入庫(kù)到形成最終產(chǎn)品全過(guò)程的質(zhì)量的監(jiān)控，主要內(nèi)容包括材料、物資供應(yīng)質(zhì)量管理和工序質(zhì)量監(jiān)控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯，具體流程，如圖6所示。

3.4 設(shè)備監(jiān)控

生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)完成產(chǎn)品的研發(fā)制造的重要保證。車(chē)間的主要生產(chǎn)活動(dòng)是車(chē)間工人通過(guò)設(shè)備作用于物料，完成產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)設(shè)備的監(jiān)控是對(duì)設(shè)備運(yùn)行、空閑、故障和維修的全過(guò)程控制，達(dá)到車(chē)間均衡生產(chǎn)，從而保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行、空閑、故障和維修時(shí)間的統(tǒng)計(jì)與分析，并向生產(chǎn)管理部門(mén)提出改善意見(jiàn)，保證了生產(chǎn)任務(wù)的順利執(zhí)行。

3.5 人員監(jiān)控

車(chē)間生產(chǎn)效率要獲得較快的提高，內(nèi)部必須具有相當(dāng)?shù)哪哿?，有效的人員管理是保證企業(yè)內(nèi)部凝聚力的重要手段，建立一個(gè)合理、有效的人員管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。在本系統(tǒng)中，人員監(jiān)控重點(diǎn)針對(duì)人員狀態(tài)監(jiān)控和人員工時(shí)統(tǒng)計(jì)與分析兩方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員信息的實(shí)時(shí)追蹤，幫助車(chē)間管理人員更好的利用人力資源。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上文所提系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能模型和系統(tǒng)集成架構(gòu)，基于.NET平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言、ADO.NET數(shù)據(jù)接口技術(shù)和GDI+圖形設(shè)備接口技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了離散型車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行部分截圖，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控模塊運(yùn)行界面Fig.7 Operation Interface of System

5 結(jié)論

提出的面向車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，從生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程、物料、設(shè)備、質(zhì)量和人員5個(gè)方面對(duì)車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了全面的監(jiān)控和管理，具體表現(xiàn)為：（1）生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了企業(yè)和車(chē)間管理者對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的總體控制。（2）物料監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)全過(guò)程中物料的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和物料信息的可追溯。（3）質(zhì)量監(jiān)控模塊通過(guò)對(duì)采集的質(zhì)量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，幫助車(chē)間管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量存在的問(wèn)題。（4）設(shè)備監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得車(chē)間設(shè)備能夠處于良好狀態(tài)，保證生產(chǎn)任務(wù)的順利執(zhí)行。（5）人員監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)人員信息的實(shí)時(shí)追蹤，幫助車(chē)間管理人員更好的利用人力資源。系統(tǒng)為離散型車(chē)間監(jiān)控手段落后導(dǎo)致車(chē)間管理人員難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程情況的難題，提供了一個(gè)很好的解決途徑。通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控水平，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全過(guò)程可視化，有助于管理層有效控制生產(chǎn)進(jìn)度和調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

［1］孫會(huì)海，郝永平，孫會(huì)花.基于Web的離散型車(chē)間管理系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（10）：238-240.（Sun Hui-hai，Hao Yong-ping，Sun Hui-hua.Research on web based discrete workshop management system［J］.Machinery Design&Manufacture，2011（10）：238-240.）

［2］王德權(quán)，張西鵬.面向任務(wù)的制造企業(yè)車(chē)間生產(chǎn)能力管理系統(tǒng)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（2）：106-108.（Wang De-quan，Zhang Xi-peng.Task orientation’s manufacturing workshop production capacity management system［J］.Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique，2011（2）：106-108.）

［3］Hoontae Kim，Yong-Han Lee，Hongsoon Yim，Nam Wook Cho.Design and implementation of a personalized business activity monitoring system［J］.Human-Computer Interaction，2007（4553）：581-590.

［4］Young Jun Son，Richard A Wysk.Automatic simulation model generation for simulation-based，real-time shop floor control［J］.Computers in Industry，2001，45（3）：291-308.

［5］Harry K.H.Chow，King Lun Choy，W.B.Lee，K.C.Lau.Design of a RFID case-based resource management system for warehouse operations［J］.Expert Systems with Applications，2006，30（4）：561-576.

［6］George Q.Huang，YF Zhang，PY Jiang.RFID-based wireless manufacturing for real-time management of job shop WIP inventories［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，36（7）：752-764.

［7］胡友民，李錫文，杜潤(rùn)生.基于PLC高可靠性工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（4）：13-15.（Hu You-min，Li Xi-wen，Du Run-sheng.PLC-based remote monitoring and control systems with high reliability for industrial process［J］.Huang Univ.of Sci.&Tech：Nature Science Edition，2002，30（4）：13-15.）

［8］龔益鳴.現(xiàn)代質(zhì)量管理學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.（Gong Yi-ming.Modern Quality Management［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2009.）