方喜峰，陸蓓蕾，朱成順，張勝文

（1.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇省船海機械裝備先進制造重點實驗室，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著企業(yè)的信息化水平和生產(chǎn)管理水平的不斷提升，傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)管理模式的缺點逐漸顯露，生產(chǎn)數(shù)據(jù)更新不及時、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理混亂、各設(shè)備工作量安排不平衡等問題極大的阻礙了車間的高效生產(chǎn)。MES系統(tǒng)是近年來在制造業(yè)發(fā)展迅速的實時信息系統(tǒng)，作為上層信息層（ERP等信息系統(tǒng)）與下層車間執(zhí)行層之間的信息橋梁，MES系統(tǒng)主要負責(zé)車間生產(chǎn)過程的詳細計劃制定、生產(chǎn)信息的實時反饋以及對車間突發(fā)事件的反應(yīng)和處理等。目前，高度自動化的MES系統(tǒng)成為車間制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[1]。鈑金加工行業(yè)具有多品種、小批量的離散制造行業(yè)的典型特征。鈑金加工單元即是企業(yè)內(nèi)一個完整的零件鈑金加工流程的生產(chǎn)單元。目前，離散制造業(yè)的各制造執(zhí)行系統(tǒng)個性化顯著，通用性差，鈑金加工的特點要求MES系統(tǒng)能快速適應(yīng)頻繁的生產(chǎn)變化和較短的生產(chǎn)周期[2]。

為改善企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式和低效制造執(zhí)行系統(tǒng)所造成的生產(chǎn)無法高效穩(wěn)定進行的現(xiàn)狀，國內(nèi)外研究人員對針對制造執(zhí)行系統(tǒng)進行了大量研究。在國外，Joel Sauza Bedolla，Paolo Chiabert等研究人員將精益制造和MES系統(tǒng)相結(jié)合，并在航空領(lǐng)域驗證了該方法的有效性[3]；Yu.M.Solomentsev等研究人員以機床負荷最小和訂單完成速度最快為目標(biāo)進行MES系統(tǒng)的各設(shè)備工作安排，實現(xiàn)多目標(biāo)計劃排程[4]；A.K?ksal等人對制造執(zhí)行系統(tǒng)與其他設(shè)備或軟件質(zhì)檢的信息交互進行了研究，實現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)對生產(chǎn)[5]。目前，許多國內(nèi)學(xué)者也對離散制造業(yè)的MES系統(tǒng)進行過研究，如馬天明等學(xué)者根據(jù)離散制造業(yè)的多品種、小批量的特性設(shè)計一通用性和擴展性均良好的MES系統(tǒng)[6]；朱先萌等將非支配排序與遺傳算法相結(jié)合對離散制造業(yè)的多目標(biāo)計劃排程問題進行求解，并驗證了該方法的有效性及可行性[7]。國內(nèi)學(xué)者對流程業(yè)MES系統(tǒng)研究較為廣泛，針對離散制造業(yè)尤其是鈑金的MES系統(tǒng)較少。本文針對鈑金加工單元的生產(chǎn)特點，采用使用廣泛的Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺、SQL Sever數(shù)據(jù)庫以貼近MES系統(tǒng)標(biāo)準化的趨勢，結(jié)合TOC理論和分類存儲策略等，重點針對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳遞的實現(xiàn)，提出了一套適用于鈑金加工單元的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），為鈑金加工等離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供一些思路。

1 鈑金加工MES系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 軟件架構(gòu)

MES系統(tǒng)的體系架構(gòu)根據(jù)用戶控制載體的不同分為C/S、B/S架構(gòu)及兩者混合架構(gòu)。C/S架構(gòu)與B/S架構(gòu)分別通過客戶機和瀏覽器實現(xiàn)用戶控制功能?？蛻魴C控制方式較為安全，但相對于客戶機來說，瀏覽器能實現(xiàn)遠程控制且升級更新更加方便。因此，本系統(tǒng)為基于混合架構(gòu)的鈑金加工單元MES系統(tǒng)。針對鈑金加工單元現(xiàn)場管理的問題，結(jié)合瓶頸理論、看板管理以及先進的信息技術(shù)實現(xiàn)鈑金加工單元MES系統(tǒng)與上層信息層及下層設(shè)備層之間實時的信息對接，實現(xiàn)透明、高效、有序的生產(chǎn)現(xiàn)場管理，鈑金加工單元信息交互架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鈑金加工單元信息交互架構(gòu)

本文參考文獻[8]中闡述的MES系統(tǒng)的基本組成和重要功能對鈑金加工單元MES系統(tǒng)進行設(shè)計。鈑金加工單元MES系統(tǒng)的應(yīng)用層包括五個功能模塊：系統(tǒng)管理、庫存管理、設(shè)備管理、進度管理和質(zhì)量管理，這五大功能模塊保證生產(chǎn)活動有序進行；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，為與生產(chǎn)過程相關(guān)的各種信息提供臨時的存儲空間，實現(xiàn)定期的數(shù)據(jù)備份、清理和必要的數(shù)據(jù)恢復(fù)、實時調(diào)用；系統(tǒng)的環(huán)境層包括系統(tǒng)與上層信息系統(tǒng)和下層設(shè)備層的集成，保證系統(tǒng)能解決上下層之間的信息孤島問題，實時接收、轉(zhuǎn)化和傳遞上下層所需的信息。

1.2 功能設(shè)計

鈑金加工單元MES系統(tǒng)的功能模型如圖3所示。系統(tǒng)與企業(yè)原有的ERP、CAPP、工時系統(tǒng)等集成，獲取制定詳細工作計劃時的生產(chǎn)計劃信息、工藝信息和工時信息等；系統(tǒng)與鈑金加工單元的所有設(shè)備集成，實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備層的控制，構(gòu)建系統(tǒng)與設(shè)備之間的信息橋梁。系統(tǒng)管理主要負責(zé)用戶信息及用戶操作記錄的查詢、更新；進度管理負責(zé)詳細的作業(yè)計劃的制定和生產(chǎn)進度監(jiān)控；設(shè)備管理主要實現(xiàn)設(shè)備層的任務(wù)分配及控制；庫存管理管理立體庫的任務(wù)和工作狀態(tài)；質(zhì)量管理管理質(zhì)檢數(shù)據(jù)，并將其傳遞給進度管理為作業(yè)計劃的調(diào)整作參考。

圖2 鈑金加工單元MES系統(tǒng)功能模型

1.3 硬件設(shè)計

為滿足鈑金加工單元MES系統(tǒng)與各設(shè)備之間實時信息交互的要求，將企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與連接鈑金加工單元所有相關(guān)設(shè)備的服務(wù)器對接，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)同步更新，鈑金加工單元MES系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 鈑金加工單元MES系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

本方案的核心思路是運用現(xiàn)場總線將加工單元的所有加工設(shè)備集成到一個OPC代理服務(wù)器上，由代理服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)相連實現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備控制指令的實時雙向傳輸。各服務(wù)器與車間看板、用戶主控機一同接入內(nèi)網(wǎng)，由系統(tǒng)服務(wù)器將系統(tǒng)的信息整理完成后發(fā)送到看板、主控機等設(shè)備供用戶實時查閱。用戶可以通過安裝用戶主控機的方式進行車間控制，也可通過安裝瀏覽器操作系統(tǒng)的方式實現(xiàn)同樣的操作。

RFID技術(shù)即無線射頻識別技術(shù)，是目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較為廣泛的一種無線通訊技術(shù)，其無需在識別系統(tǒng)與識別目標(biāo)之間建立任何機械或光學(xué)接觸就可獲取識別目標(biāo)上所攜帶的RFID標(biāo)簽的信息。RFID系統(tǒng)即采用RFID技術(shù)識別目標(biāo)并填寫、修改、刪除目標(biāo)上的信息。本系統(tǒng)采用RFID系統(tǒng)實現(xiàn)各托盤上物料的信息變更，包括訂單號、零件類型、加工狀態(tài)、數(shù)量、庫位編號等，簡化了鈑金加工單元托盤上物料信息變更頻繁的問題，減少了大量人工托盤信息變更所需的時間。

2 計劃排程

鈑金加工單元MES系統(tǒng)中影響整個鈑金單元生產(chǎn)的關(guān)鍵模塊是進度管理和庫存管理模塊。對以立體庫為中心的鈑金單元來說，庫存管理中的庫位分配功能和進度管理中的計劃排程調(diào)度功能直接影響加工單元的生產(chǎn)效率。

鈑金通常作為企業(yè)加工的最后一道工藝，緩沖時間較少，加工變化較大[9]，因此對鈑金加工單元的工作進行合理的安排與監(jiān)督影響著訂單的交貨，對企業(yè)生產(chǎn)尤為重要。鈑金單元的計劃排程與調(diào)度需在滿足企業(yè)訂單按時完成的情況下，確保以最早時間完成所有訂單，盡量避免設(shè)備資源和時間資源的浪費，實現(xiàn)鈑金單元的總體生產(chǎn)均衡。

鈑金加工單元MES系統(tǒng)計劃排程流程圖如圖4所示。

圖4 計劃排程流程圖

2.1 靜態(tài)調(diào)度

本系統(tǒng)的計劃排程以TOC理論（約束理論）為核心，TOC理論認為系統(tǒng)中必定有一個約束整個系統(tǒng)生產(chǎn)的瓶頸因素，以瓶頸資源的生產(chǎn)節(jié)奏確定整個系統(tǒng)的生產(chǎn)安排，瓶頸工序的前后工序分別采用精益推拉式生產(chǎn)方式安排各訂單生產(chǎn)。本系統(tǒng)計劃排程以所有訂單在瓶頸工序上的加工順序為種群基礎(chǔ)編寫與變鄰域算法相結(jié)合的混合遺傳算法，計算出滿足準時生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果。

改進的變領(lǐng)域遺傳算法流程圖如圖5所示。

圖5 改進的變鄰域遺傳算法流程圖

遺傳算法的全局并發(fā)尋優(yōu)搜索能力較強，是一種超啟發(fā)式算法，但其主要缺點是算法在進化過程中易進入局部最優(yōu)也就是所謂的“早熟現(xiàn)象”，這使得遺傳算法容易過早收斂而無法獲得全局范圍內(nèi)的接近最優(yōu)值。變鄰域搜索算法通過快速地改變搜索鄰域擴大搜索范圍，在所有鄰域中選出最佳鄰域，避免搜索陷入單一鄰域。改進的變鄰域遺傳算法在遺傳算法的變異階段加入變鄰域操作以獲得更大的搜索范圍，計算領(lǐng)域內(nèi)一定數(shù)量的結(jié)果適應(yīng)值并取最佳值進入下一代計算，防止算法過早收斂的同時提高獲得接近最優(yōu)值的概率。

2.2 動態(tài)調(diào)度

計劃調(diào)度功能一般在緊急單插入、設(shè)備故障、訂單交貨期提前等突發(fā)情況時使用，包括人工調(diào)度和系統(tǒng)自動調(diào)度兩種。人工調(diào)度是指對于排程無法達到較滿意狀態(tài)的情況，用戶可交互式點選安排外協(xié)選項將部分訂單交由外協(xié)完成，即該訂單仍然在生產(chǎn)計劃列表中，但不參與作業(yè)計劃排程。系統(tǒng)自動調(diào)度有兩種觸發(fā)機制：到達周期性調(diào)度時間和突發(fā)情況發(fā)生，兩種觸發(fā)機制兼有的調(diào)度即為混合調(diào)度機制。

1）滾動窗口排程

提前期、系統(tǒng)能力約束、資源配置情況等各種隨機干擾情況會導(dǎo)致重排程頻繁[10]。而滾動窗口技術(shù)是將用戶可見的加工進度窗口按加工時間順序分為已完成區(qū)、正加工區(qū)及待加工區(qū)。由于滾動窗口中所能容納的訂單有限，訂單排程根據(jù)優(yōu)先級分批進行，分批排程的策略也避免頻繁的重排程。優(yōu)先級是表示訂單的重要程度和加工緊迫程度的一種指標(biāo)，對所有訂單進行優(yōu)先級計算，將一定數(shù)量的優(yōu)先級較高的訂單加入待排程訂單順序。

本系統(tǒng)將混合調(diào)度機制與滾動窗口技術(shù)結(jié)合，動態(tài)調(diào)度流程如圖6所示。

圖6 動態(tài)調(diào)度流程

2）設(shè)備故障調(diào)度

當(dāng)車間的機器發(fā)生故障時，由于機器的維修時間會影響該故障機器下一工序的加工，故對車間整體進行重排程，在設(shè)備故障發(fā)生時，用戶可對故障的設(shè)備的故障時間進行設(shè)置，故障時間可設(shè)置為無窮大和固定時間兩種模式，重排程時不為故障無窮大的設(shè)備安排訂單任務(wù)，對于有固定故障修復(fù)時間的設(shè)備，以固定故障修復(fù)時間為設(shè)備的可開始加工時間，設(shè)備故障調(diào)度的偽碼如圖7所示。

3）緊急單調(diào)度

滾動窗口排程法將訂單根據(jù)優(yōu)先級分批排程，排程次數(shù)相比其他方法較多，而緊急單達到車間的傳統(tǒng)做法是重排程，使得重排程次數(shù)較頻繁。為避免這一問題，將緊急單的優(yōu)先級設(shè)為最高，在下一次排程中，緊急單會優(yōu)先進入待排程列表。在一次排程緊急單和普通訂單需要共同混合排程的情況下，緊急訂單先安排排程，普通訂單以緊急訂單的每工序全部加工完成時間為可開始排程時間。緊急單調(diào)度偽碼如圖8所示。

圖7 設(shè)備故障調(diào)度偽碼

圖8 緊急單調(diào)度

3 實例仿真

仿真實驗采用典型的JSP問題作為仿真實例，該實例為20個鈑金件，7臺機器的JSP調(diào)度問題，這7臺機器中，2臺剪切機，2臺沖壓機，3臺折彎機，其加工工序、加工時間矩陣如圖9所示。

圖9 加工時間矩陣

其中J矩陣的每一列代表一道工序，從第一行到第三行分別為剪切、沖壓和折彎，J矩陣的每一列代表一個工件，例如：J矩陣的第三行第三列的數(shù)據(jù)代表第三個工件的折彎工序的加工時間為60h。

在參數(shù)相同的情況下，分別用改進變鄰域算法、改進遺傳算法和變鄰域遺傳算法對上述實例進行十次實驗，其中一次實驗，三種算法在不同的迭代次數(shù)下最佳訂單的完工時間折線圖如圖10所示。算法的目標(biāo)是所有訂單在交貨期前完成的情況下，最大完成時間最小、相對于交貨期的最大提前時間最小及最小提前時間最大，對十次實驗結(jié)果求取各項指標(biāo)平均值，實驗結(jié)果如表1所示。

圖10 不同算法的排程結(jié)果完工時間折線圖

表1 傳統(tǒng)遺傳算法與變鄰域遺傳算法排程結(jié)果比較

由表1可看出，變鄰域遺傳算法的最大完工時間比傳統(tǒng)遺傳算法提前5個小時，最大提前時間提前7個小時，最小提前時間則比傳統(tǒng)遺傳算法提前7個小時，說明變鄰域遺傳算法相比傳統(tǒng)遺傳算法來說，不僅能獲得更少總加工時間的方案，且方案的加工安排也更加均衡。

在設(shè)備故障等突發(fā)情況發(fā)生時，系統(tǒng)在進行重排程時，將未完成訂單及未完成工序加入待排程列表，根據(jù)設(shè)備的可用時間矩陣ZTM進行重排程，ZTM矩陣如圖11所示，重排程結(jié)果甘特圖如圖12所示。

圖11 設(shè)備可用時間矩陣

圖12 設(shè)備故障重排程甘特圖

用戶可在界面查看每個作業(yè)計劃的詳細信息，包括訂單編號、以及加工開始及結(jié)束時間等，計劃排程查詢界面如圖13所示。

圖13 計劃排程結(jié)果查詢界面

4 結(jié)束語

本文根據(jù)鈑金加工單元的特點，重點對計劃排程和立體庫的庫位分配和路徑規(guī)劃進行研究，提出了一種將TOC理論與改進的前后推拉式精益排程相結(jié)合的柔性排程方法，運用變鄰域遺傳算法和滾動窗口技術(shù)實現(xiàn)計劃排程，庫位分配和立體庫路徑規(guī)劃分別采用分類存儲策略和聯(lián)合工作模式，實時化和柔性化是今后離散制造業(yè)MES系統(tǒng)的趨勢，本文對離散制造業(yè)的實時管理系統(tǒng)有一定的借鑒意義。