FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

WU Shao-min,　HU Xiao-bing,　WANG Jiang-wu

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基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理技術(shù)研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

WU Shao-min,HU Xiao-bing,WANG Jiang-wu

摘要：針對目前傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FMS）與企業(yè)上層ERP、CAPP等管理系統(tǒng)信息斷層，無法有效連接企業(yè)上層系統(tǒng)和底層柔性線，導(dǎo)致效率低下的問題，提出了一種基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理模型，該模型包含Main-MES和FMS-MES兩層，將MES技術(shù)融入傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了FMS與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統(tǒng)的有效集成，保證了企業(yè)上層系統(tǒng)和底層柔性線的無縫連接。介紹了生產(chǎn)管理模型與其它系統(tǒng)的集成技術(shù)以及各功能模塊的作用，并開發(fā)了針對四川普什寧江機(jī)床廠FMS80柔性線的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：FMS；MES；生產(chǎn)管理；集成制造；無縫連接

0　引言

FMS（柔性制造系統(tǒng)）是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)組成，是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在經(jīng)濟(jì)全球化、信息化以及競爭日益激烈的制造業(yè)大背景下，面對愈發(fā)迫切的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的愿景，簡單的柔性制造系統(tǒng)已顯得力不從心[1]。以大多數(shù)我國機(jī)械制造企業(yè)為例，主要從事單件、小批量，按訂單組織的生產(chǎn)形式，生產(chǎn)過程中存在著不確定因素，傳統(tǒng)意義的FMS無法與MRPⅡ或ERP等生產(chǎn)管理軟件無法有效地結(jié)合，與企業(yè)級信息產(chǎn)生斷層，影響柔性制造系統(tǒng)性能，使得生產(chǎn)作業(yè)的管理任務(wù)復(fù)雜而繁重，競爭力低下。

從20世紀(jì)90年代初，從多個(gè)角度提高FMS工作效能的相關(guān)應(yīng)用支撐系統(tǒng)的研究就已經(jīng)開始。排產(chǎn)調(diào)度方面，張超勇，饒運(yùn)清等[2]采用兩級遺傳算法來解決柔性車間的作業(yè)調(diào)度問題，訂單管理方面，Zakaria Z，Petrovic S[3]研究了采用遺傳算法的插單重排產(chǎn)問題。

1　系統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)在制造企業(yè)系統(tǒng)中起著中間執(zhí)行層的作用。MES主要起企業(yè)級計(jì)劃層和車間自動化系統(tǒng)間承上啟下的作用，是企業(yè)其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)達(dá)到無縫集成的關(guān)鍵[4]。因此，將MES融入到傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)中，可以有效地解決傳統(tǒng)FMS與上層ERP/MRPII等企業(yè)管理軟件與底層自動化系統(tǒng)的集成問題。本文通過將MES技術(shù)充分融入到FMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出了由Main-MES層和FMS-MES層兩層構(gòu)成的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如圖2所示。

由圖2可以看出，Main-MES層從企業(yè)級上層中的ERP/MRPII、CAD/CAM和CAPP系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)接收生產(chǎn)計(jì)劃信息和零件的工藝設(shè)計(jì)信息。然后，對接收到的這些信息進(jìn)行分析處理生成對工件精確到工序級的排產(chǎn)和設(shè)備的調(diào)度信息，并通過內(nèi)部接口將生成的信息傳送給FMS-MES層，F(xiàn)MS-MES層根據(jù)接收到的信息對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。與此同時(shí)，F(xiàn)MS-MES層還會通過檢測設(shè)備獲取計(jì)劃完成情況、現(xiàn)場加工信息和資源的使用信息，通過Main-MES層反饋給企業(yè)級計(jì)劃層，后者根據(jù)獲取的反饋信息動態(tài)地調(diào)整企業(yè)的生產(chǎn)策略。從以上分析可知，基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以有效地解決傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)與企業(yè)上層管理系統(tǒng)的通信斷層問題，制定能夠準(zhǔn)確響應(yīng)市場變化的生產(chǎn)策略，完成對現(xiàn)場柔性線的精確高效控制。

2　系統(tǒng)功能體系

本文設(shè)計(jì)的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)是從系統(tǒng)集成的高度出發(fā)的。系統(tǒng)向上要和企業(yè)級的ERP/ MRPII、CAD/CAM和CAPP系統(tǒng)集成，橫向要和工裝管理系統(tǒng)集成，向下要和底層柔性線設(shè)備層集成。

本文將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為工藝管理、計(jì)劃排產(chǎn)管理、需求管理、資源管理、現(xiàn)場管理。如圖2所示。從生產(chǎn)管理系統(tǒng)的總體框架圖可以看出，系統(tǒng)的工藝管理模塊和計(jì)劃排產(chǎn)管理模塊共同構(gòu)成Main-MES層，負(fù)責(zé)同企業(yè)級的ERP/MRPII和工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)（CAPP、CAD/CAM）集成；需求管理模塊、資源管理模塊和現(xiàn)場管理模塊構(gòu)成FMS-MES層，同工裝管理系統(tǒng)和底層設(shè)備層進(jìn)行集成。

3　系統(tǒng)實(shí)例

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理模型的有效性，本團(tuán)隊(duì)在同四川普什寧江機(jī)床有限公司共同承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”中，以寧江機(jī)床廠原有的FMS80柔性線為基礎(chǔ)，將MES融入其中，開發(fā)了基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3.1寧江FMS與MES的融合

寧江機(jī)床廠的FMS-80系統(tǒng)有由4臺精密臥式加工中心及清洗機(jī)、托板庫、上下料臺、運(yùn)輸小車等組成。寧江的FMS-80柔性線與企業(yè)上層的ERP、CAPP系統(tǒng)和工裝系統(tǒng)的通信，基本上是靠人工信息的傳遞來完成，集成化程度和自動化程度低，效率低下。

為了提高FMS80線的運(yùn)行效率，本團(tuán)隊(duì)將MES技術(shù)融入其中，開發(fā)了如前文所述的包含Main-MES和FMSMES兩層的基于MES的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，完成與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統(tǒng)無縫集成。集成技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

圖1　基于MES的兩層結(jié)構(gòu)FMS管理系統(tǒng)

圖2　系統(tǒng)總體框架圖

圖3　FMS-80柔性線集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖3中，從ERP系統(tǒng)獲取的生產(chǎn)訂單和反饋生產(chǎn)計(jì)劃可能存在定程度的修，因此采用Excel中間文件集成方式。工裝管理系統(tǒng)和FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)部署于同服務(wù)器上，所以可以將二者數(shù)據(jù)庫合并，采用數(shù)據(jù)庫直連的方式。與CAPP、CAD/CAM集成則是通過包含工藝數(shù)據(jù)和工藝卡片的工藝文件。FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以通過直接操作現(xiàn)場控制PC的數(shù)據(jù)庫，下達(dá)具體到工序級的排產(chǎn)計(jì)劃；現(xiàn)場資源的使用情況和零件的加工狀態(tài)信息，會實(shí)時(shí)以XML文件的形式傳送給FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，然后解析生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫信息。

3.2系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

本文所設(shè)計(jì)的基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)已在寧江機(jī)床廠試運(yùn)行，下面以寧江機(jī)床廠2015年9月份和10月份FMS80生產(chǎn)線上的8種零件訂單驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的可行性和有效性。零件詳情如表1所示。

表1　FMS80線上8種零件

計(jì)劃管理模塊同ERP等企業(yè)級管理系統(tǒng)相互通信，從公司ERP系統(tǒng)獲取關(guān)于FMS80線上8種零件計(jì)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖4是計(jì)劃管理的界面圖。

圖4　計(jì)劃管理

排產(chǎn)管理模塊是結(jié)合計(jì)劃、工藝和現(xiàn)場資源進(jìn)行的，自動生成排產(chǎn)的甘特圖，如圖5所示。

圖5　計(jì)劃排產(chǎn)

現(xiàn)場管理模塊可以實(shí)時(shí)獲得零件的加工狀況和現(xiàn)場資源的使用狀況，反饋給排產(chǎn)管理、資源管理等模塊，進(jìn)而優(yōu)化排產(chǎn)，形成生產(chǎn)閉環(huán)，圖6為現(xiàn)場加工中心的負(fù)荷圖，橫軸代表時(shí)間，縱軸代表加工中心的工作時(shí)間，單位為小時(shí)。

4　結(jié)論

本文提出的基于MES無縫集成的FMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，由Main-MES和FMS-MES兩層構(gòu)成，與企業(yè)級的ERP、CAPP、CAD/CAM系統(tǒng)和工裝系統(tǒng)有效集成，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)層與底層柔性生產(chǎn)線的無縫連接，打破了傳統(tǒng)FMS的信息孤島，提高了FMS的運(yùn)行效率，優(yōu)化了企業(yè)管理策略，并在四川普什寧江機(jī)床有限公司的FMS80柔性線上得以成功實(shí)施。當(dāng)然，該系統(tǒng)還存在些不足，在日后的研究中會繼續(xù)完善。

圖6　機(jī)床負(fù)荷

參考文獻(xiàn)：

[2] 張超勇,饒運(yùn)清,李培根,等.求解作業(yè)車間調(diào)度的種進(jìn)遺傳算法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2004,10(8):966-969.

[3] Zakaria Z,Petrovic S. Genetic algorithms for match-up rescheduling of the flexible manufacturing systems[J].Computers & Industrial Engineering,2012,62(2):670-686.

[4] Choi B.K, Kim B.H. MES (manufacturing execution system) architecture for FMS compatible to ERP (enterprise planning system)[J].International Journal of Computer Integrated Manufact uring,2002,15(3):274-284.

作者簡介：武韶敏（1991 -），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造。

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（2012ZX04011-031）

收稿日期：2015-11-02

中圖分類號：TP278

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0011-04