基于智慧工廠實驗平臺的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)軟件系統(tǒng)設(shè)計
近年來,隨著智能制造在國內(nèi)外的迅速發(fā)展,智能設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)越來越受到企業(yè)和學(xué)術(shù) 界的追崇。為了更加靈活、準(zhǔn)確和及時的提高對生產(chǎn)線的合理配置,提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和質(zhì)量,因此,設(shè)計了針對智慧工廠實驗平臺的MES軟件系統(tǒng),來改善生產(chǎn)管理水平,提高質(zhì)量控制能力和現(xiàn)場監(jiān)控能力。
隨著工業(yè)4.0和智能制造在國內(nèi)的研究和應(yīng)用越來 越廣泛,國內(nèi)中小型制造企業(yè)越來越重視信息化工作。 先進(jìn)的管理思想和管理系統(tǒng)相繼被中小型企業(yè)引入,包括以MRP、MRPII和ERP為代表的計劃管理系統(tǒng)和以 DNC、PLC和SCADA為代表的工業(yè)控制系統(tǒng),這些系 統(tǒng)對企業(yè)具有良好作用。然而,計劃管理系統(tǒng)不能夠拓 展到底層控制系統(tǒng),而底層控制也不能向上擴(kuò)展到計劃層,在計劃層和控制層出現(xiàn)了“信息孤島”現(xiàn)象,導(dǎo)致 企業(yè)制定的計劃得不到準(zhǔn)確的執(zhí)行。從中可以看出計劃 管理系統(tǒng)在制定計劃的時候不能夠?qū)崟r地獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù),導(dǎo)致在制定計劃的時候缺少對現(xiàn)場狀況的分析。當(dāng) 企業(yè)的內(nèi)外環(huán)境變化時,生產(chǎn)現(xiàn)場也無法得到及時的指 令來進(jìn)行調(diào)整。針對這個問題,可以發(fā)現(xiàn)計劃層和控制 層缺乏有效的溝通和集成是導(dǎo)致計劃和生產(chǎn)脫節(jié)的真正 原因。這種脫節(jié)不利于提高企業(yè)的市場競爭力。信息化 的發(fā)展使企業(yè)發(fā)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)可以解決兩者 之間的脫節(jié)現(xiàn)象,實現(xiàn)上下層的雙向溝通與通訊,從而實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。
MES系統(tǒng)作為計劃層和控制層之間的執(zhí)行層,負(fù)責(zé) 管理車間生產(chǎn)和執(zhí)行計劃調(diào)度。制造執(zhí)行系統(tǒng)在一個統(tǒng) 一的集成平臺上提供了車間管理和控制功能,有效提升企業(yè)的車間管理能力。制造執(zhí)行系統(tǒng)通過控制物料、設(shè) 備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有車間資源來提高制造競爭力,在統(tǒng)一的平臺上集成了物料管理、質(zhì)量管 理、文檔管理和生產(chǎn)調(diào)度等相關(guān)功能。制造執(zhí)行系統(tǒng)的 功能充分的解決了計劃層和控制層之間的矛盾,充分利用上下層之間的數(shù)據(jù)來提高計劃的實時性和靈活性,同 時又能改善生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。
1、智慧工廠實驗平臺
智慧工廠實驗平臺包含諸多的實驗設(shè)備,其三維 模型如圖1所示,其中配備有一臺測量儀、兩臺數(shù)控銑 床、機(jī)器人手臂、AGV、立體倉庫和輔助分揀等設(shè)備。智慧工廠實驗平臺主要是模擬刀刻印章的生產(chǎn)流程進(jìn)行 全智能無人參與的生產(chǎn)制造。
圖1 智慧工廠實驗平臺三維模型
2、MES總體框架設(shè)計
該MES系統(tǒng)可整合上層的ERP系統(tǒng)和底層的FMS系統(tǒng),并且可以實現(xiàn)對底層設(shè)備的實時監(jiān)控,其總體框架 如圖2所示。
圖2 MES總體框架圖
1)計劃層主要是進(jìn)行生產(chǎn)計劃,其包含ERP/ MRPII等上層管理系統(tǒng),提供各種生產(chǎn)信息,如物料、 產(chǎn)品和人力資源等信息。
2)執(zhí)行層由MES系統(tǒng)實現(xiàn),MES系統(tǒng)的主要功能 是對訂單進(jìn)行管理、物料管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、 途程管理、資料管理和備份管理等。
3)控制層主要通過生產(chǎn)調(diào)度實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的反 饋和對生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲。
4)從圖2可以看出,針對智慧工廠實驗平臺的MES 系統(tǒng)整合了計劃層的訂單管理,MES更加方便快捷的了 解訂單的具體詳情,實現(xiàn)對訂單執(zhí)行的實時監(jiān)控。MES系統(tǒng)還通過和FMS系統(tǒng)之間的交互作用,實現(xiàn)對底層設(shè)備的監(jiān)管和對生產(chǎn)過程的控制。充分發(fā)揮MES系統(tǒng)作為執(zhí)行層的作用。
3、MES功能模塊設(shè)計
3.1 MES功能模塊組成
智慧工廠實驗平臺的特點是全工作流程無人參與, 實時的反饋生產(chǎn)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài),只需要下發(fā)具體的生 產(chǎn)指令,智慧工廠實驗平臺就可以進(jìn)行生產(chǎn)制造。根據(jù)其特點,確定MES系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是分析客戶訂單、分配 物料設(shè)備等資源和設(shè)計工藝流程,因此,將MES系統(tǒng)功 能設(shè)計成八個模塊,如圖3所示。
圖3 MES系統(tǒng)功能模塊
1)基礎(chǔ)資料模塊。主要是人員管理、角色管理、 權(quán)限管理和密碼管理四個子模塊。人員管理子模塊實現(xiàn) 對人員的信息進(jìn)行管理,包括添加、刪除和修改人員信息;角色管理子模塊實現(xiàn)對角色信息的管理,也提供對
角色的添加、刪除和修改功能;權(quán)限管理子模塊實現(xiàn)對 權(quán)限信息的管理,也提供對權(quán)限的添加、刪除和修改功 能;密碼管理子模塊實現(xiàn)對人員密碼的修改功能等。
2)訂單管理模塊。訂單管理的訂單來源于客戶訂 單,主要將訂單信息附帶的產(chǎn)品信息進(jìn)行分析,查找產(chǎn) 品所需要的物料和設(shè)備信息。
3)設(shè)備管理模塊。主要是設(shè)備編碼管理、機(jī)床管 理和AGV管理三個子模塊。設(shè)備編碼管理子模塊主要是 實現(xiàn)與底層FMS調(diào)度軟件進(jìn)行設(shè)備編碼統(tǒng)一,方便設(shè)備 的調(diào)度和管理,以及對具體的設(shè)備信息反饋;機(jī)床管理 子模塊主要是實現(xiàn)對數(shù)控銑床信息的狀態(tài)監(jiān)控;AGV管理子模塊目的是實現(xiàn)RFID(射頻識別技術(shù))信息的反 饋來追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過程等。
4)物料管理模塊。主要是物料信息、倉位信息、 產(chǎn)品信息和BOM表四個子模塊組成。物料信息子模塊 存放物料的詳細(xì)信息,包括物料編號、物料名稱、物料數(shù)量和供應(yīng)商等信息;倉位信息子模塊是對立體倉庫產(chǎn) 品的位置和輔助揀選的物料位置信息的確定;產(chǎn)品信息 子模塊是對產(chǎn)品具體信息的描述;BOM表是產(chǎn)品物料 清單的生成等。
5)途程管理模塊。主要是工藝流程、工藝卡和 SOP三個子模塊組成。三個子模塊主要實現(xiàn)對產(chǎn)品生成 流程的設(shè)計和將流程信息的細(xì)化,以便下發(fā)給調(diào)度軟件 FMS能夠有條不紊的進(jìn)行生產(chǎn)。途程管理是智慧工廠實 驗平臺最核心的功能模塊。
6)質(zhì)量管理模塊。主要是包括生產(chǎn)過程中的質(zhì)量 監(jiān)控模塊和生產(chǎn)結(jié)束后的報表分析,實現(xiàn)對生產(chǎn)中的故 障監(jiān)控和分析。
7)資料管理和備份管理模塊。主要實現(xiàn)對生產(chǎn)中 使用的資料進(jìn)行統(tǒng)一管理,并且可以實現(xiàn)對一些重要數(shù) 據(jù)的備份功能。
3.2 MES功能設(shè)計特點 上述智慧工廠實驗平臺MES系統(tǒng)具有如下特點:
1)系統(tǒng)采用人機(jī)料法環(huán)的特點將MES設(shè)計成基礎(chǔ)資料、設(shè)備管理、物料管理、途程管理和其他管理,充 分體現(xiàn)對整個流程的全面質(zhì)量管理。
2)訂單的細(xì)化處理,通過對訂單的細(xì)化可以更加 快速高效的獲取訂單中產(chǎn)品的詳細(xì)信息,方便后期的物 料設(shè)備選取和管理。
3)MES系統(tǒng)處于上層計劃層和底層控制系統(tǒng)之 間,其囊括了上層的部分功能和底層的部分功能,更加 靈活的實現(xiàn)與上下層之間的銜接。
4)MES系統(tǒng)與底層FMS調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行銜接,充分 的利用FMS系統(tǒng)的實時監(jiān)控和調(diào)度特點解決了MES在B/ S架構(gòu)下的效率問題。
4、MES設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 軟件框架技術(shù)
智慧工廠實驗平臺的MES系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式, 可實現(xiàn)多用戶異地訪問和控制。
MES系統(tǒng)軟件框架采用SSH框架(Spring框架+Structs框架+Hibernate框架)技術(shù),該框架將用戶界 面、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的處理三個部分分離,降低各個層 次間冗余度和耦合度,并且能夠提高M(jìn)ES系統(tǒng)的擴(kuò)展 性。該MES系統(tǒng)根據(jù)SSH框架特點將其分為Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層三個層次。
Web層是用戶界面層,提供供用戶操作的可視化界 面。Web層采用Structs框架管理各個頁面之間的邏輯, 并提供控制類(Action類)來處理頁面之間的數(shù)據(jù)傳遞 和頁面與業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞。Web層的頁面采用JSP 語言編寫的jsp頁面,頁面自身內(nèi)部邏輯采用JavaScript(Jqurey類和Ajax技術(shù)等)腳本語言和HTML語言等來 實現(xiàn)。
業(yè)務(wù)邏輯層是后臺對頁面數(shù)據(jù)處理層,其包括服務(wù) 類(Service)、數(shù)據(jù)訪問對象(DAO)和簡單Java對象(POJO)。服務(wù)類為Structs框架的控制類(Action類) 提供業(yè)務(wù)邏輯的操作方法,是Web層傳遞數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫 的接口。數(shù)據(jù)訪問對象(DAO)為Service類提供數(shù)據(jù)的 增、刪、改和查等操作方法。簡單Java對象(POJO)是 DAO和Service類操作的對象,它將數(shù)據(jù)庫中表一一映射成一個個POJO對象,這樣DAO和Service類對數(shù)據(jù)庫的 操作就轉(zhuǎn)換成對POJO對象的操作。
數(shù)據(jù)層是使用Hibernate框架,該框架實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫 服務(wù)器進(jìn)行連接,并封裝對數(shù)據(jù)庫操作的方法,這些方 法可以供DAO進(jìn)行調(diào)用。
Spring框架是全方位的整合框架,主要是將以上三 個層次進(jìn)行整體配置和融合,可實現(xiàn)各個子框架的組 合,也可實現(xiàn)子框架之間相互獨立。使MES系統(tǒng)軟件的 三個層次更好的協(xié)同工作。
4.2 MES和FMS集成
MES軟件和FMS軟件的集成的業(yè)務(wù)流程如圖4.2所 示。基本流程是MES系統(tǒng)通過下發(fā)訂單,將工藝詳情和 訂單綁定在一起交給FMS軟件,然后FMS根據(jù)工藝詳情 與底層設(shè)備進(jìn)行交互,實現(xiàn)對底層設(shè)備的監(jiān)管與控制, 并將生產(chǎn)狀態(tài)反饋給MES進(jìn)行分析處理。
MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)的集成主要是通過數(shù)據(jù)庫服務(wù) 器作為中間橋梁,將兩者之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和交 互。MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括訂單 管理數(shù)據(jù)、材料管理數(shù)據(jù)、工藝管理數(shù)據(jù)和過程實時數(shù)據(jù)四部分的數(shù)據(jù)。
訂單管理數(shù)據(jù)是在客戶訂單生成時產(chǎn)生的數(shù)據(jù),主要包含客戶數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù),客戶登錄系統(tǒng)后填寫客戶 信息并保存到數(shù)據(jù)庫端,客戶填寫其訂單信息也會保存 到數(shù)據(jù)庫,方便下發(fā)訂單時對訂單信息的查詢和對訂單狀態(tài)的追蹤。
材料管理數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)獨立的物料管理模塊,其 包含原材料信息、成品信息、倉位信息和BOM信息, 這些信息都將存儲在數(shù)據(jù)庫端。在進(jìn)行工藝流程設(shè)計時 查詢材料管理數(shù)據(jù)獲得物料的倉位等信息,從而可以讓設(shè)備去具體的位置取或者放具體的材料。
工藝管理數(shù)據(jù)是在下發(fā)訂單時,將客戶訂單信息和 工藝流程信息綁定在一起后生成的工單信息,主要包含 工藝類數(shù)據(jù)和排產(chǎn)類信息,這些數(shù)據(jù)會被存入數(shù)據(jù)庫端供FMS系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。
過程實時數(shù)據(jù)是FMS系統(tǒng)對底層設(shè)備監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù) 據(jù),主要包括任務(wù)處理數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)等。FMS系統(tǒng)不僅對底層部分設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控,還 會將底層狀態(tài)信息存入數(shù)據(jù)庫端,經(jīng)過數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器來 反饋給MES系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控和管理。
4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
根據(jù)智慧工廠實驗平臺的特點,MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 設(shè)計主要包括MES系統(tǒng)特有的信息數(shù)據(jù)庫表和FMS系統(tǒng) 共用的設(shè)備控制數(shù)據(jù)庫表。MES系統(tǒng)的自身特有的數(shù)據(jù) 庫表主要包括用戶信息相關(guān)數(shù)據(jù)庫表、訂單信息相關(guān)的 數(shù)據(jù)庫表以及物料信息相關(guān)的數(shù)據(jù)表;MES系統(tǒng)與FMS 系統(tǒng)共用的數(shù)據(jù)庫表主要包括各個設(shè)備的控制表,MES系統(tǒng)可以通過設(shè)備控制表獲取設(shè)備的狀態(tài)信息,從而實 現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控和管理。
由于MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)之間部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表的共享 和交互可能存在并發(fā)問題,在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計時對必要 的數(shù)據(jù)表進(jìn)行了觸發(fā)器設(shè)計,通過觸發(fā)器設(shè)計可以實現(xiàn)設(shè)備控制表的狀態(tài)信息發(fā)生改變時對應(yīng)MES系統(tǒng)監(jiān)控狀 態(tài)表可以直接獲取改變后狀態(tài),從而實現(xiàn)對設(shè)備的實時 監(jiān)控功能。如下代碼是物料表內(nèi)實現(xiàn)庫存改變時對應(yīng)的可分配物料數(shù)據(jù)發(fā)生改變得觸發(fā)器代碼。
ALTERtrigger
[dbo].[TRMaterTableUpdate] on [dbo].[MaterTable]
afterupdateasifupdate(mtprecent) begin
updateMaterTablesetmtsum=(mtsum-1)wheremtid
=(selectmtidfrominserted)
update MaterTable setmtsurpsum = (mtsum
-mtprecent)wheremtid=(selectmtidfrominserted) end
GO…
5、MES實現(xiàn)
智慧工廠實驗平臺MES系統(tǒng)實現(xiàn)物料管理、訂單管 理和工藝流程的下發(fā)等相關(guān)功能模塊,以及通過與FMS 的集成實現(xiàn)對狀態(tài)的監(jiān)控和對產(chǎn)品的追蹤的功能。
如圖5所示為MES的訂單管理模塊,實現(xiàn)對客戶訂單進(jìn)行工藝綁定等功能。 如圖6所示為MES的途程管理模塊,實現(xiàn)對工藝流程的設(shè)計等功能。 如圖7所示為FMS通過RFID反饋進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)程的監(jiān)控模塊,以便對產(chǎn)品在生產(chǎn)中具體位置進(jìn)行追蹤。 如圖8所示為FMS系統(tǒng)對機(jī)床狀態(tài)的實時顯示模塊,可以實現(xiàn)對機(jī)床加工狀態(tài)的監(jiān)控。
圖4 MES和FMS集成的業(yè)務(wù)流程
圖5 MES訂單管理模塊
圖6 MES工藝流程模塊
圖7 RFID監(jiān)控模塊
圖8 FMS機(jī)床監(jiān)控模塊
6、 結(jié)論
制造執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)是企業(yè)信息集成的紐 帶,作為計劃層和控制層橋梁,充分的發(fā)揮其執(zhí)行層的 特點,將上層和底層信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和交互。本系統(tǒng)充分利用其特點將其實施在智慧工廠實驗平臺上,將上層的 管理和產(chǎn)品信息進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)換成底層控制信息,從而 使智慧工廠實驗平臺能夠有效運(yùn)行,使制造過程變得更 加可控和高效。