鄧停銘，王淑營，王小強(qiáng)，張 劍

（西南交通大學(xué) 先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，成都 610000）

0 引言

在工業(yè)4.0的發(fā)展浪潮中，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是面向車間業(yè)務(wù)過程層的管理信息系統(tǒng)[1]，也是構(gòu)建智能化制造車間的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和應(yīng)用平臺。MES系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)全流程的信息化集中管控，而且通過對生產(chǎn)過程不同階段現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和分析，提供對應(yīng)的決策支持和輔助分析，促進(jìn)制造過程的優(yōu)化，對現(xiàn)代制造企業(yè)構(gòu)建智能化制造車間來說極為重要。而生產(chǎn)異常信息采集、辨識和處理是MES中重要部分，是制造車間智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)。

當(dāng)前，國內(nèi)外有許多專家和學(xué)者在MES中對生產(chǎn)異常的處理進(jìn)行了研究，主要集中在以下三方面：第一方面是對生產(chǎn)現(xiàn)場異常信息采集進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]研究了車間現(xiàn)場信息采集技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了車間現(xiàn)場信息的動態(tài)采集。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了一種可支持異常事件信息動態(tài)采集和實(shí)時傳遞的車間生產(chǎn)異常事件管理系統(tǒng)；第二方面是對MES中生產(chǎn)異常的處理進(jìn)行研究，Rolon[4]等為了有效地應(yīng)對生產(chǎn)過程中不確定性因素的中斷及擾動事件的發(fā)生，提出基于Agent的智能MES及其解決方案；李淑霞[5]提出通過Agent的有效信息搜索與交互來對異常情況作出反應(yīng)，黃毅[6]提出一種RFID實(shí)時事件處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，適用于對生產(chǎn)現(xiàn)場的復(fù)雜事件的監(jiān)控與處理；第三方面是對MES中異常處理模塊的集成應(yīng)用進(jìn)行研究，口本制造科學(xué)與技術(shù)中心結(jié)合離散生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，提出了開放式制造執(zhí)行系統(tǒng)（OpenMES）的集成框架[7]，Eric Shen[8]等使用分布式的面向?qū)ο蠹夹g(shù)提出一個計(jì)算機(jī)集成的MES框架，李哲[9]設(shè)計(jì)出了RFID事件處理框架，通過在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中的應(yīng)用，解決了以前人工現(xiàn)場處理和手工輸入數(shù)據(jù)的繁雜過程。

上述研究成果為車間生產(chǎn)異常的采集處理以及在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有力支持，但鮮有涉及在生產(chǎn)異常實(shí)時采集和辨識基礎(chǔ)上進(jìn)行異常處理的通用方法和集成應(yīng)用，為了滿足不同企業(yè)生產(chǎn)異常辨識和處理流程的需求，本文提出了一套能及時識別車間突發(fā)的生產(chǎn)異常事件方法和一種處理流程個性化定制框架，促進(jìn)MES系統(tǒng)的通用化發(fā)展，提高企業(yè)對異常事件的快速反應(yīng)和處理能力。

1 生產(chǎn)異常的處理機(jī)制

1.1 生產(chǎn)異常類型

在生產(chǎn)過程中根據(jù)造成生產(chǎn)異常的原因不同可以分為設(shè)備異常、工裝異常、刀具異常、工件異常、質(zhì)量異常和其他異常六種異常類型。

1）設(shè)備異常：機(jī)械、電氣、控制系統(tǒng)的故障或設(shè)備及零部件的損壞或停機(jī)。

2）工件異常：在運(yùn)輸過程或加工過程中造成的工件裂紋或變形。

3）刀具異常：由于加工過程或保管過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致刀具不能正常使用。

4）工裝異常：在加工過程中工裝出現(xiàn)損壞導(dǎo)致無法正常使用。

5）質(zhì)量異常：經(jīng)過質(zhì)檢過后質(zhì)量檢驗(yàn)不合格的工件/產(chǎn)品。

6）其他異常：如由溫度或噪音過高導(dǎo)致的環(huán)境異常等等。

1.2 異常實(shí)時采集與判定

為了保證現(xiàn)場實(shí)時異常數(shù)據(jù)源的采集本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的采集方法，如圖1所示。生產(chǎn)車間的實(shí)時數(shù)據(jù)由SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫Redis進(jìn)行采集現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)，SCADA通過消息中間件kafka的消息隊(duì)列形式將實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞給MES，具體的傳遞過程為MES通過Kafka發(fā)送采集具體數(shù)據(jù)的執(zhí)行指令給SCADA，SCADA將執(zhí)行結(jié)果通過Kafka消息中間件同步傳遞給MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)庫Redis存寫速度快和kafka指令同步的特性，確保了異常數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性。

圖1 現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)采集過程

現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)采集后需要判定是否異常，異常數(shù)據(jù)依據(jù)以下幾種規(guī)則進(jìn)行判定：

1）閾值規(guī)則：指將異常規(guī)則類型描述為一種閾值，即上限和下限，當(dāng)待判定值超過閾值的上下限時，將其判定為異常，即異常判定方式為系統(tǒng)自動比較實(shí)際值與上下限的大小關(guān)系，如設(shè)備溫度過高、轉(zhuǎn)速過高等和環(huán)境溫度過高、濕度過低等，這種規(guī)則主要用于判定設(shè)備異常和環(huán)境異常。

2）邏輯值規(guī)則：是將異常描述為邏輯值，即“是”和“否”兩種，“是”是表示發(fā)生異常，“否”表示未發(fā)生異常，即系統(tǒng)根據(jù)返回的邏輯值進(jìn)行自動比對判定，這種規(guī)則主要用于判定工裝異常、刀具異常、工件異常等。

3）枚舉規(guī)則：是將異常規(guī)則類型描述為多個枚舉值，對采集數(shù)據(jù)與枚舉值進(jìn)行自動地逐一比對判定，例如質(zhì)量中優(yōu)、良、中、差四個枚舉值，“差”為異常數(shù)據(jù)，其他值為正常數(shù)據(jù)。這種規(guī)則主要用于判定質(zhì)量異常。

1.3 生產(chǎn)異常及時處理的一般流程

MES系統(tǒng)從SCADA中采集到現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)后，通過異常判定規(guī)則對現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判定，并將SCADA和工控端上報的異常數(shù)據(jù)在生產(chǎn)管控中心進(jìn)行顯示，由生產(chǎn)管控中心對所有異常進(jìn)行管控，針對不同類型的生產(chǎn)異常采用不同的處理流程。通常對于設(shè)備異常信息分三步流程：第一步先下派鑒定員對設(shè)備的異常原因和影響進(jìn)行鑒定，第二步根據(jù)鑒定結(jié)果上報維修和進(jìn)行重調(diào)度處理，第三步由維修人員前去維修，修好后通過填寫維修單改變設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行消除異常。而對于工件、刀具、工裝和質(zhì)量異常信息則分為以下四步流程：1）下派工人及時在操作員面板上申請換新，增加一條緊急的物流配送任務(wù)，將所需物料送至現(xiàn)場，可在第一時間維持車間的運(yùn)行秩序；2）下派鑒定員對異常原因和影響進(jìn)行鑒定，決定在制品繼續(xù)維修還是報廢處理；3）維修完成并進(jìn)行檢驗(yàn)后填寫維修單改變異常件為正常狀態(tài)，或者進(jìn)行報廢單填寫；4）將報廢入庫或維修好的在制品進(jìn)行后續(xù)加工或者入庫處理，以減小生產(chǎn)異常對整個生產(chǎn)過程造成的影響。生產(chǎn)異常一般處理流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)異常處理的一般流程

2 異常處理流程可定制框架

2.1 可定制框架原理

針對不同的生產(chǎn)異常處理流程，本文設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行個性化定制、具有通用性的異常處理流程定制框架。不同企業(yè)對同一業(yè)務(wù)的處理，往往有不同的處理流程，即使同一用戶的同一業(yè)務(wù)，當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)值不同時，其處理流程往往也不同。異常處理流程的個性化及應(yīng)用過程中多變性是影響MES系統(tǒng)實(shí)施成功與否和實(shí)施周期的重要瓶頸。為此本文提出了一套工作流節(jié)點(diǎn)定制、工作流節(jié)點(diǎn)與功能菜單/表單服務(wù)項(xiàng)綁定、工作流流轉(zhuǎn)規(guī)則與數(shù)據(jù)庫字段綁定、定制元數(shù)據(jù)存儲與解析、業(yè)務(wù)流程動態(tài)執(zhí)行引擎工具包和方法，滿足MES中各種異常處理流程需求。

圖3中的工作流定義器為用戶提供圖形化的業(yè)務(wù)流程定制器，用戶可通過拖動開始結(jié)束事件、中間事件、活動節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)，連接流轉(zhuǎn)線等設(shè)計(jì)工作流。個性化的表單設(shè)計(jì)器，為流程活動節(jié)點(diǎn)所需的各種表單提供方便快捷的定制工具。工作流實(shí)例被啟動后，調(diào)用活業(yè)務(wù)工作流引擎，讀取業(yè)務(wù)流程和表單綁定的元數(shù)據(jù)，驅(qū)動并監(jiān)控工作流按節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行流轉(zhuǎn)。

圖3 異常處理流程定制執(zhí)行框架

2.2 異常處理流程定制過程

個性化定制處理流程定制過程如圖4所示，首先根據(jù)企業(yè)的車間異常流程需求進(jìn)行事件流程定制，利用框架的事件構(gòu)件組合功能可方便地通過拖拽出事件活動構(gòu)件畫出事件流程模型，再對活動節(jié)點(diǎn)需要的表單通過表單構(gòu)建功能組合構(gòu)件進(jìn)行定制，然后將活動節(jié)點(diǎn)與定制好的表單進(jìn)行綁定，對需要條件判斷的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行條件設(shè)定，最后通過流程部署功能將定制流程部署在MES系統(tǒng)中即完成整個異常處理流程的定制。

圖4 異常處理流程定制過程圖

2.3 定制不同企業(yè)的異常處理流程

企業(yè)有各自的生產(chǎn)異常處理流程，下面以質(zhì)量異常處理流程為例對不同企業(yè)的處理流程進(jìn)行定制，具體的定制過程為先通過拖拽左側(cè)開始事件、活動和網(wǎng)關(guān)等流程構(gòu)件定制事件處理流程，流程常用構(gòu)件符合如表1所示，然后再綁定事件處理所用的表單，最后對流程進(jìn)行部署，事件處理流程定制如圖5所示。

圖5 事件處理流程定制

表1 流程常用構(gòu)件表

在某研究所智能制造示范線平臺的質(zhì)量異常處理流程：在車間出現(xiàn)質(zhì)量異常后，先對異常進(jìn)行審核，根據(jù)工件質(zhì)量的嚴(yán)重程度選擇進(jìn)行處理的方式，對于無法修正的工件進(jìn)行報廢處理并將未達(dá)到要求的工件作為一個新任務(wù)進(jìn)行插單處理，對于可以修正的工件重新制定返修工工藝進(jìn)行返修，對于生產(chǎn)急需、滿足用戶要求的工件可選擇讓步接收進(jìn)行正常生產(chǎn)。對示范線平臺的質(zhì)量異常處理流程定制效果如圖6所示。

圖6 示范線平臺質(zhì)量異常處理流程定制

據(jù)調(diào)研，另一企業(yè)A的質(zhì)量異常處理流程為：在車間出現(xiàn)質(zhì)量異常后，需先進(jìn)行異常鑒定，對工件不合格的原因進(jìn)行鑒定，以便公司追責(zé)，然后對質(zhì)量異常進(jìn)行審核，判定工件能否進(jìn)行修正，對無法修正的工件進(jìn)行報廢處理并由工人申請?jiān)牧线M(jìn)行重加工交付任務(wù)，對能進(jìn)行修正的工件進(jìn)行返修，最后進(jìn)行質(zhì)檢處理送入產(chǎn)品區(qū)。對企業(yè)A的質(zhì)量異常處理流程定制效果如圖7所示。

圖7 A公司質(zhì)量異常處理流程定制

企業(yè)B的質(zhì)量異常處理流程：先對于質(zhì)量異常進(jìn)行異常鑒定，鑒定出異常的發(fā)生原因，再對進(jìn)行質(zhì)量異常審核，根據(jù)工件的質(zhì)量的嚴(yán)重程度確定是進(jìn)行返修還是報廢插單處理，并對返修工件進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)入庫。對企業(yè)B的質(zhì)量異常處理流程定制效果如圖8所示。

圖8 B公司質(zhì)量異常處理流程定制

3 系統(tǒng)功能及系統(tǒng)集成

3.1 系統(tǒng)功能框架

本文采用了基于自主開發(fā)的MES系統(tǒng)，主要包括了車間資源管理、虛擬車間生產(chǎn)組織、生產(chǎn)計(jì)劃與排程、生產(chǎn)過程管控中心、物流管控中心、質(zhì)量管理、庫存管理、操作員面板和操作員面板，如圖9所示。

圖9 MES系統(tǒng)功能框架圖

1）車間資源管理是對車間里的生產(chǎn)資源進(jìn)行管理，如生產(chǎn)設(shè)備、采集設(shè)備、物流設(shè)備、刀具、工裝等進(jìn)行管理；

2）虛擬車間生產(chǎn)組織是對車間進(jìn)行二維虛擬構(gòu)造，對車間進(jìn)行可視化展示；

3）生產(chǎn)計(jì)劃與排程是對生產(chǎn)計(jì)劃和排程方案進(jìn)行管理,對各種動態(tài)干擾因素進(jìn)行實(shí)時響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的再調(diào)度；

4）生產(chǎn)過程管控中心是對生產(chǎn)過程進(jìn)行總體控制與管理，對生產(chǎn)過程中的異常進(jìn)行及時處理和跟蹤；

5）物流管控中心是對生產(chǎn)任務(wù)需要的物料、刀具、工裝等進(jìn)行配送和實(shí)時監(jiān)控；

6）質(zhì)量管理是通過對車間生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量管控，實(shí)現(xiàn)從原材料進(jìn)入車間到成品運(yùn)離車間的全過程質(zhì)量管理，并使用質(zhì)檢數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行確認(rèn)與控制；

7）庫存管理是對生產(chǎn)任務(wù)所需要的物料、刀具、工裝等庫存進(jìn)行管理；

8）操作員面板是實(shí)現(xiàn)人員登入、人員登出、工序卡片查看、異常報告等功能；

9）看板管理包括對生產(chǎn)任務(wù)完成情況統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品合格情況統(tǒng)計(jì)，設(shè)備的基本情況顯示等內(nèi)容。

3.2 流程定制框架的集成

通過流程定制框架可定制出不同的異常處理流程，為確保流程定制框架在制造執(zhí)行系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，需要實(shí)現(xiàn)處理流程與MES其它模塊的集成交互，基本的集成模式及信息交互關(guān)系如圖10所示，異常信息為從SCADA中采集經(jīng)判定后的異常數(shù)據(jù)或由操作員面板模塊進(jìn)行上報的異常數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)匯集在生產(chǎn)過程管控中心模塊進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并進(jìn)入已定制好的異常處理流程進(jìn)行異常處理，對異常的設(shè)備、工裝、刀具等進(jìn)行維修或報廢處理，將維修好的設(shè)備、工裝、刀具等資源處理信息推送至車間資源管理模塊進(jìn)行資源臺賬維護(hù)，更新資源狀態(tài)并消除異常，對于設(shè)備損壞嚴(yán)重的情況需進(jìn)行重調(diào)度處理并將調(diào)度結(jié)果推送生產(chǎn)計(jì)劃管理與排程模塊的排程結(jié)果表管理中，更新排程結(jié)果信息，消除設(shè)備異常信息，對于工裝、工件、刀具損壞嚴(yán)重的情況在異常發(fā)生時直接在操作員面板模塊進(jìn)行申請換新，由物流管控中心模塊生成轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)進(jìn)行緊急配送，所有異常處理的進(jìn)度由流程定制框架進(jìn)行流程執(zhí)行監(jiān)控，并將質(zhì)量異常處理進(jìn)度信息推送到質(zhì)量管理模塊進(jìn)行監(jiān)控。

4 應(yīng)用案例

結(jié)合某大學(xué)智能制造示范線平臺的需求，開發(fā)的MES系統(tǒng)已經(jīng)在某所智能制造示范線得到實(shí)際應(yīng)用，生產(chǎn)管控模塊對SCADA采集的數(shù)據(jù)自動判別設(shè)備異常、工裝異常，工人上報質(zhì)量異常，分別對工裝、設(shè)備和質(zhì)量等常見的異常處理流程進(jìn)行定制，如圖11所示，并對定制好的異常處理流程進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明異常得到實(shí)時判定，而定制的所有流程能在規(guī)定時長內(nèi)進(jìn)行及時處理，該系統(tǒng)還可對異常處理流程進(jìn)行正常監(jiān)控（圖中紅色框表示已處理流程事件），應(yīng)用效果見圖中定制案例應(yīng)用效果所示。

圖11 案例應(yīng)用

經(jīng)某大學(xué)智能制造示范線平臺應(yīng)用后達(dá)到了如下效果：1）基于異常判定和處理流程定制框架的MES系統(tǒng)能夠?qū)崟r識別異常，并進(jìn)行個性化定制處理流程，可滿足不同企業(yè)管理需求，在企業(yè)實(shí)施中有較強(qiáng)的通用性。2）這種基于MES的異常處理機(jī)制能及時有效地解決車間生產(chǎn)異常事件，減小異常事件對生產(chǎn)秩序的影響。

5 結(jié)語

由于不同企業(yè)對車間發(fā)生的生產(chǎn)異常處理方式不同，為MES的通用化發(fā)展和實(shí)施帶來了較大困難。本文針對生產(chǎn)異常問題提出了解決方案，給出一套能及時處理車間突發(fā)的常見異常事件的機(jī)制和通用的異常處理流程定制框架，并詳細(xì)闡述了定制框架在MES中的集成關(guān)系和應(yīng)用，采用不同異常事件處理流程在框架下的定制案例，有效說明了系統(tǒng)異常處理機(jī)制的可配置性和通用性。