張祖軍，賴思琦

（西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，綿陽 621010）

0 引言

近年來隨著中國制造2025規(guī)劃的逐步實施，制造業(yè)開始探索建設(shè)智能制造，實現(xiàn)制造業(yè)的提檔升級。智能制造生產(chǎn)線是實現(xiàn)智能制造的載體，生產(chǎn)線包括了各類加工制造設(shè)備、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場管理軟件、ERP軟件以及因素有機結(jié)合的集成技術(shù)，如圖1所示[1]。生產(chǎn)線的各臺加工設(shè)備與服務(wù)器總控端通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，形成網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)體系，各類傳感設(shè)備實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場上的各種數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)服務(wù)器，由現(xiàn)場管理軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，并與ERP企業(yè)資源管理軟件相結(jié)合，提供最優(yōu)化的生產(chǎn)方案或者定制化生產(chǎn)，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的信息集成化、執(zhí)行智能化[2]。

圖1 智能生產(chǎn)線組成

在智能制造中制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）面向生產(chǎn)線執(zhí)行層，具備現(xiàn)場生產(chǎn)計劃管理、設(shè)備管理、實時監(jiān)控、庫存物料管理等功能，是信息化管理系統(tǒng)的核心組成。本文面對某電視插件的智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建MES系統(tǒng)，該MES系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，使用Web前端可以很方便地進行數(shù)據(jù)的錄入和讀取，通過OPC中間件的方式進行現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，形成設(shè)備監(jiān)控或管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用Websocket傳輸協(xié)議來進行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL。系統(tǒng)實現(xiàn)了在智能制造生產(chǎn)線環(huán)境下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工單管理、工藝管理、數(shù)據(jù)查詢的功能，將人、設(shè)備、產(chǎn)品信息等生產(chǎn)要素相結(jié)合，為現(xiàn)場管理者提供了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工單跟蹤、物料管理、數(shù)據(jù)查詢等功能[3,4]。

1 MES系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 總體設(shè)計

如圖1所示，智能制造生產(chǎn)線管理分為三層，ERP管理層位于上層，MES系統(tǒng)位于ERP和現(xiàn)場設(shè)備層之間。

MES系統(tǒng)配置兩臺服務(wù)器，一臺與生產(chǎn)線的傳感和監(jiān)控設(shè)備連接，負責(zé)各類數(shù)據(jù)采集，一臺用于數(shù)據(jù)存儲和查詢，各個工位配置PC機。MES系統(tǒng)采用主流的SSH框架，從下到上分為數(shù)據(jù)存取層、業(yè)務(wù)邏輯層與表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)存取層采用了Hibernate作為ORM工具，業(yè)務(wù)邏輯層主要采用Spring框架并集成SOA模式，通過WebService接口對接其他系統(tǒng)，并可擴展為簡單的企業(yè)服務(wù)總線（ESB）。表現(xiàn)層采用常見的MVC架構(gòu)，實現(xiàn)前端與后端業(yè)務(wù)邏輯的分離。系統(tǒng)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了原材料ERP管理及MES的數(shù)據(jù)同源，便于數(shù)據(jù)的集中管理與數(shù)據(jù)的安全，避免了信息孤島狀態(tài)[5]。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

MES系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、實時監(jiān)控、生產(chǎn)計劃、倉儲管理等功能模塊。

1）系統(tǒng)管理。該模塊主要是設(shè)置使用人員的權(quán)限，同時可以查看登陸系統(tǒng)的人員和時間的日志功能，由日志查詢、負責(zé)人管理、現(xiàn)場人員管理三個模塊界面構(gòu)成。

2）實時監(jiān)控。該模塊主要是實時監(jiān)控生產(chǎn)線設(shè)備的狀態(tài)和生產(chǎn)運行情況，分為聯(lián)機和單機兩個子單元，聯(lián)機狀態(tài)界面顯示生產(chǎn)線整體運行情況，單機狀態(tài)界面通過各個熱點的不同顏色來顯示單個設(shè)備運行的狀態(tài)。

3）生產(chǎn)計劃。用來管理工單和工序流量，能夠顯示計劃量、完成量和尚欠量等內(nèi)容。由整機產(chǎn)量、生產(chǎn)計劃量、直通率量和不良明細分析四個模塊界面構(gòu)成。

4）設(shè)備管理。用來管理設(shè)備，能夠顯示設(shè)備運行的工作時長、故障信息和維修安排等內(nèi)容。由設(shè)備臺賬、報警記錄、設(shè)備統(tǒng)計和維修保養(yǎng)計劃四個模塊界面構(gòu)成。

5）倉儲管理。用來對倉庫中的原料和產(chǎn)品進行統(tǒng)計和管理，并記錄管理部分的操作明細，實時倉庫動態(tài)顯示各個庫位存放的產(chǎn)品信息。由原料管理、成品管理、實時倉庫、統(tǒng)計圖等模塊界面構(gòu)成。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）采用Web前后端分離開發(fā)模式，避免了傳統(tǒng)Web模式帶來的各種問題。MES系統(tǒng)通過采用Web前后端分離來進行設(shè)計，很大部分的數(shù)據(jù)都可以在前端進行處理，減少了服務(wù)器的工作壓力；同時，后臺錯誤不會直接反映到前臺，給管理人員的工作帶來了便利；前后臺分離工作極大降低了開發(fā)難度。

2）系統(tǒng)前端采用AngularJS代碼編寫，架構(gòu)清晰，分工明確，擴展性良好，讓程序設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯，而且因為對html影響較小，能夠與designer形成良好的協(xié)作。

3）系統(tǒng)后端采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分析所要面對的對象的需求，提出模型，將這些模型實現(xiàn)為基本的Java對象，然后編寫DAO接口，并給出Hibernate的DAO，用Hibernate架構(gòu)的DAO類來實現(xiàn)Java類與數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)換和訪問，最后由Spring管理struts和Hibernate。

4）系統(tǒng)的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采用Websocket傳輸協(xié)議來進行數(shù)據(jù)的傳輸，大大縮短了設(shè)備端實時數(shù)據(jù)展示到網(wǎng)頁的時間，保證了數(shù)據(jù)的實時傳輸和穩(wěn)定可靠。同時，在后臺直接存入數(shù)據(jù)庫作為歷史記錄保存。這樣就避開了常規(guī)方法先將實時數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)庫，再從數(shù)據(jù)庫提取，最后傳輸?shù)骄W(wǎng)頁上顯示等一系列的操作[6]。

5）采用OPC中間件的方式進行生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集，得到設(shè)備監(jiān)控或管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集方式有兩種，如圖2所示：工序位置采用RFID方式，上料工序的工裝板和工件ID綁定（存入數(shù)據(jù)庫），在其它工序位置上，工裝板RFID通過固定讀碼器獲取信息，并與生產(chǎn)線上進行加工的工件ID信息相關(guān)聯(lián)；倉儲出入庫采用PDA掃碼方式，倉庫出入庫，采取加工件ID條碼，人工掃碼方式通過無線AP直連進行數(shù)據(jù)采集。

圖2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

2 MES系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 實時監(jiān)控

現(xiàn)場設(shè)備實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控是基于Websocket實時多源數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的輪詢方式，使現(xiàn)場PC端具備B/S架構(gòu)下的實時通訊能力，通過向服務(wù)器發(fā)出連接請求，實現(xiàn)PC端和服務(wù)器端直接交換數(shù)據(jù)并實時顯示在頁面上的功能，有效地降低了編程實現(xiàn)的難度和服務(wù)器端的負載壓力，增強了應(yīng)用系統(tǒng)的擴展性[7]。服務(wù)器端與連接在現(xiàn)場總線上的設(shè)備層對象進行通信，進行生產(chǎn)現(xiàn)場的實時監(jiān)控，并將需要的各類數(shù)據(jù)顯示在頁面上，同時與數(shù)據(jù)庫進行交互處理。生產(chǎn)線現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控電子看板如圖3所示，設(shè)備圖標(biāo)顯示為綠色表示正常運行中，黃色表示待機狀態(tài)，紅色表示設(shè)備故障，白色表示設(shè)備停機維保，通過電子看板，能夠?qū)Ξ?dāng)前設(shè)備所處于的情況一目了然，讓現(xiàn)場管理人員及時掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，有利于生產(chǎn)任務(wù)安排和設(shè)備管理。

圖3 電子看板

2.2 生產(chǎn)計劃

智能制造生產(chǎn)線的工單及工序流量管理是生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容。在生產(chǎn)計劃中，通過對比整機產(chǎn)量、生產(chǎn)計劃量、直通率量和不良明細分析，能夠讓生產(chǎn)管理人員清晰地掌握生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)量和質(zhì)量狀況，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)計劃

2.3 倉儲管理

倉儲管理的關(guān)鍵是針對不同的物料類型，對需要進行條碼管控的物料進行分類，并設(shè)置該關(guān)鍵物料類型對應(yīng)的條碼規(guī)則類型，系統(tǒng)可通過關(guān)鍵物料類型最終找到其對應(yīng)條碼規(guī)則。倉儲管理界面如圖5所示。

圖5 倉儲管理

3 結(jié)語

智能制造是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的重要方向，MES系統(tǒng)是生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行層信息化管理的核心部分。面對智能制造生產(chǎn)線的發(fā)展需求，構(gòu)建了基于B/S架構(gòu)的MES系統(tǒng)，通過OPC中間件方式、RFID方式、PDA掃碼方式進行現(xiàn)場設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集，得到設(shè)備和生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送至服務(wù)器端，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL，實現(xiàn)ERP和MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同源。該系統(tǒng)實現(xiàn)了智能制造生產(chǎn)管理的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化及信息的互聯(lián)互通。