廉迎戰(zhàn) 向德志 羅聲權 田宏鑫

摘要：涂裝智能化制造系統(tǒng)（MES）作為一種自動控制執(zhí)行系統(tǒng)是智能工廠構建過程中不可或缺的技術之一，可有效地強化過程管理和控制，達到精細化管理目的。隨著涂裝生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變及智能化涂裝的推進，使得 MES軟件的重要性日益增加。以涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件的應用及功能為基礎進行研究，分析涂裝 MES系統(tǒng)的整體結構和網(wǎng)絡構建方案，對計劃排程、智能監(jiān)控、設備監(jiān)控等系統(tǒng)功能模塊進行了詳細闡述，為完善涂裝企業(yè)數(shù)字化設計能力，實現(xiàn)產(chǎn)品和制造過程的標準化和自動化提供參考。

關鍵詞：涂裝;智能化;MES系統(tǒng)軟件

中圖分類號：TP273???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0162-05

Analysis and Design of Intelligent Coating MES System Software Lian Yingzhan1，Xiang Dezhi2，Luo Shengquan1，Tian Hongxin1

（1. Automation College， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As an automatic control execution system， coating intelligent manufacturing system （MES） is one of the indispensable technologies in the construction of intelligent factory. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of fine management. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of refined management. With the transformation of coating production mode and the advancement of intelligent coating， the importance of coating intelligent manufacturing system （MES） software is increasing. Based on the application and function of coating intelligent manufacturing system software， the overall structure and network construction scheme of coating MES system were analyzed， and the system functional modules such as planning and scheduling， intelligent monitoring and equipment monitoring were described in detail， which a reference was provided for improving the digital design ability of coating enterprises and realizing the standardization and automation of products and manufacturing process.

Key words： painting; intelligence; MES system software

0 引言

針對汽車行業(yè)、裝備制造業(yè)、五金制品業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)性的裝備涂裝生產(chǎn)過程、品質(zhì)管理及設備管理等需求，利用機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術，構建精準、實時、高效的涂裝智能數(shù)字化工廠[1-2]，實現(xiàn)生產(chǎn)線上機器、物料、系統(tǒng)、產(chǎn)品、人等參與主體各類要素信息的泛在感知、互聯(lián)互通、云端匯聚等功能，加快企業(yè)生產(chǎn)過程的高效管控、智能分析和科學決策，推動企業(yè)智能、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造和服務。把先進制造企業(yè)的信息化、自動化制造管理模式，使得企業(yè)生產(chǎn)與企業(yè)實際接軌，提升生產(chǎn)智能化水平?？傮w目標就是在設備聯(lián)網(wǎng)+遠程數(shù)據(jù)采集的基礎上，實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)過程管理與控制，打造適合中國國情的涂裝智能數(shù)字工廠。

構建智能工廠的基礎及核心為信息化及自動化管理，通過 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP 資源計劃系統(tǒng)、WMS倉儲系統(tǒng)以及智能化自動化等設備的互聯(lián)互通、高效協(xié)同實現(xiàn)[3-4]。作為涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺的重要組成部分——涂裝智能化制造系統(tǒng)（EMS）軟件融合 PLM （產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理平臺）的智能化設計制造平臺的搭建，完善涂裝企業(yè)數(shù)字化設計能力，利用涂裝產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品和制造過程的標準化和自動化，解決涂裝產(chǎn)品數(shù)字化設計制造與 ERP 等其他企業(yè)信息系統(tǒng)的整合應用。

1 網(wǎng)絡構建方案

網(wǎng)絡構建可分為管理端、現(xiàn)場端兩部分，為保障生產(chǎn)線的正常運行以及提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和擴展性，采用分布式方式部署，將數(shù)據(jù)分散部署在多臺獨立的設備上[5]。如圖1所示。

管理端 PC Server主要用于部署 MES數(shù)據(jù)庫、管理端應用，同時對于管理端維護的基礎數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃內(nèi)容，可以自動同步到現(xiàn)場端，管理端采用 B/S架構，支撐聯(lián)網(wǎng)用戶對業(yè)務數(shù)據(jù)進行處理，同時將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)實時展示。

現(xiàn)場端 PC Server主要用于部署 MES客戶端數(shù)據(jù)庫、客戶端應用，用于現(xiàn)場客戶端的管理，一方面負責同步管理端的計劃、基礎數(shù)據(jù)，同時連接生產(chǎn)線，進行數(shù)據(jù)實時采集，并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、打包之后同步至管理端。

涂裝 MES系統(tǒng)軟件服務器部署及網(wǎng)絡構建如圖1所示，為保證生產(chǎn)現(xiàn)場的穩(wěn)定性，如果管理端出現(xiàn)異?；蚓W(wǎng)絡問題，現(xiàn)場端支持單獨運行，比如生產(chǎn)計劃支持現(xiàn)場端的維護和調(diào)整，并保證數(shù)據(jù)的采集，待管理端恢復正常后，再將數(shù)據(jù)同步到管理端。

管理端、現(xiàn)場端的網(wǎng)段劃分根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行配置。

2 涂裝 MES系統(tǒng)結構

引用先進的現(xiàn)代化車間布局方式，在企業(yè)智能設備上安裝網(wǎng)絡設備，利用網(wǎng)絡技術將車間與生產(chǎn)、管理系統(tǒng)連接起來，打破信息孤島。在車間內(nèi)使用先進的無紙化工廠管理模式，實現(xiàn)企業(yè)設備、生產(chǎn)、管理、市場等數(shù)據(jù)資源共享[5]。涂裝 MES系統(tǒng)結構如圖2所示。通過涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件 DNC連接現(xiàn)場各自動化設備、統(tǒng)一協(xié)調(diào)生產(chǎn)流程，同時支持智能終端、平板、電視大屏等設備顯示。

3 涂裝 MES系統(tǒng)軟件功能

涂裝 MES系統(tǒng)具有比較完整系統(tǒng)架構和功能布局，同時模塊之間又可以通過權限、角色的配置，允許單模塊獨立使用，具有較為靈活配置的特點。項目過程中可以結合業(yè)務管控的范圍和實際情況，選擇匹配的功能模塊[6]。

涂裝 MES系統(tǒng)包括10個功能模塊：基礎建模、計劃排程、設備管理、質(zhì)量管理、人員管理、現(xiàn)場管理、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控分析、系統(tǒng)管理。以下對系統(tǒng)功能模塊簡要介紹。

（1） 基礎建模

系統(tǒng)提供物理建模、制程建模，將物理世界進行數(shù)字化，支持后續(xù)的業(yè)務控制，權限區(qū)分，監(jiān)控/報表分層等?？梢越Y合組織架構實際進行定義：集團、分子公司、工廠、車間、生產(chǎn)線、工段、工位等?？梢越Y合產(chǎn)品的工藝流程進行定義：產(chǎn)品、BOM、關鍵物料、組成關系、圖片及特性等。實現(xiàn)物理組織架構、生產(chǎn)線與產(chǎn)品工藝流程的關聯(lián)，支持后續(xù)的現(xiàn)場監(jiān)控分析，業(yè)務關聯(lián)處理等。

（2） 計劃排程

既可以獨立運行，又可以與外圍管理系統(tǒng)進行集成接口[7]。計劃排程具備工單管理、排程引擎、指令下發(fā)、例外管理等業(yè)務管控功能。計劃引擎的計算因子可以結合實際管理需要，進行增補和調(diào)整，具有較強的適應性。排程結果可以按照不同的顆粒度體現(xiàn)，比如可以按照批次、經(jīng)濟批量，也可以按照單件管理。同時對于排程的結果進行可視化體現(xiàn)。排程結果可以依照規(guī)則與設備層實現(xiàn)集成互動，能夠自動將生產(chǎn)指令下發(fā)至設備層，并且結合管控需求設置不同的狀態(tài)，并根據(jù)約束進行鎖定等。實時采集過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品過站、出站等管理。

（3） 設備管理

設備清單及明細管理，位置關聯(lián)等。可實現(xiàn)設備的集成連線、數(shù)據(jù)采集、信號交互及過程控制。設備狀態(tài)、通訊等信息采集，預防性維護建議，現(xiàn)場的設備 Andon提報等。設備運行效率及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

（4） 質(zhì)量管理

結合設備條件的過程質(zhì)量控制。過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和運算，提供基本的分析圖示和原始數(shù)據(jù)。質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動歸檔，溯源查詢和檢索。自定義報告或分析報表。

（5）現(xiàn)場管理

現(xiàn)場管理的內(nèi)容可結合實際需要，支持客戶端二次開發(fā)與調(diào)整，快速適應。客戶端可支撐實時讀取數(shù)據(jù)顯示、圖片調(diào)用、文字體現(xiàn)，并可以按照頻率、事件等自動刷新，確保展示內(nèi)容的有效性。

（6）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的可配置架構，支持快速的配置和擴展。多種采集方式組合，滿足現(xiàn)場業(yè)務管控需要。設備集成的代碼配置，數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換、比率縮放、含義等，滿足用戶識別，方便可讀性。數(shù)據(jù)采集展示內(nèi)容可自定義配置等。

（7） 監(jiān)控分析

系統(tǒng)可視化配置功能、報表工具等滿足監(jiān)控和分析需要。支持與監(jiān)控設備集成，滿足 LED、LCD、拼接電視等相關集成，實現(xiàn)可視化展示。

（8） 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)具有較為完整基本系統(tǒng)管理功能和系統(tǒng)安全策略，3個層面的設計：用戶/終端安全、訪問控制、系統(tǒng)/數(shù)據(jù)安全。具有系統(tǒng)基礎管理功能，包括用戶、權限、菜單角色、工作流、單據(jù)配置等[8]。

4 涂裝 MES系統(tǒng)部分軟件界面

4.1 計劃排程軟件界面

系統(tǒng)可根據(jù)訂單及相關的工藝 BOM、工藝路線制定生產(chǎn)計劃。選擇“自動排產(chǎn)”后，系統(tǒng)會自動帶出訂單信息中的“開始時間”和“要求完成時間”，系統(tǒng)根據(jù)訂單時間以及每道工序的工時，按底層零件、首道工序優(yōu)先排產(chǎn)原則，自動計算出每個零件每道工序的開工日期和完工日期，如圖3所示。生產(chǎn)人員可根據(jù)需求，對生產(chǎn)計劃進行批量修改或是撤銷重排。生產(chǎn)計劃制定后，可以對生產(chǎn)計劃做一些狀態(tài)的管控，生產(chǎn)計劃審核之后，才可以發(fā)布，生產(chǎn)計劃發(fā)布之后，才可以根據(jù)生產(chǎn)計劃進行派工。

4.2 智能監(jiān)控界面

車間監(jiān)控軟件對車間內(nèi)的所有設備進行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O備管理頁面[9]。設備管理系統(tǒng)對車間內(nèi)各設備的運行狀態(tài)進行實時展示。監(jiān)控軟件根據(jù) RFID 實時數(shù)據(jù)，控制輸送帶、機器人、AGV 小車、機床、加工中心等持續(xù)運轉(zhuǎn)，如圖4所示。車間監(jiān)控軟件實時顯示以下內(nèi)容。

（1） AGV小車數(shù)據(jù)：位置信息、運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、報警信號等。

（2） 機器人數(shù)據(jù)：工作狀態(tài)、運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、報警信號等。

（3） 機床及加工中心：實時信息、報警信號、當前程序號、NC加工進度等，其他信息詳見機床監(jiān)控頁面。

（4） 倉庫傳輸帶：運轉(zhuǎn)狀態(tài)、報警信號等。

4.3 設備監(jiān)控界面

設備監(jiān)控軟件對設備進行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O備管理系統(tǒng)。設備管理系統(tǒng)不僅可以監(jiān)控設備的運行數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)生產(chǎn)工藝，從文檔發(fā)放系統(tǒng)獲得 NC 代碼，再將加工數(shù)據(jù)傳輸至機床或加工中心。

監(jiān)控數(shù)據(jù)包括每臺設備的開機、待機、報警、關機設備數(shù)量[10]，并計算統(tǒng)計設備開動率?？梢圆榭丛O備實時數(shù)據(jù)及當天的開關機狀態(tài)、工作曲線，包括轉(zhuǎn)速、負載和進給參數(shù)。如圖5所示。

4.4 設備數(shù)據(jù)采集界面

硬件采集機床是以傳感器+數(shù)據(jù)采集模塊的方式對機床的生產(chǎn)加工信息進行采集[11-12]。所采集的信息受到傳感器的限制，不如網(wǎng)卡采集機床那么多。硬件采集主要可以采集開關機時間、主軸負荷、機床待機、加工狀態(tài)、三色燈狀態(tài)等，根據(jù)設備與采集硬件，采集信息與界面有所不同。如圖6所示。

4.5 統(tǒng)計圖表

設備統(tǒng)計圖表有助于更直觀、更清晰地展現(xiàn)設備運行狀況，有助于設備數(shù)據(jù)的分析。系統(tǒng)支持按時間段統(tǒng)計設備開機率和利用率。在設備樹上選中設備，設定開始時間和結束時間，可查詢設備在該時間段內(nèi)的開機時間、關機時間、加工時間、待機時間，系統(tǒng)同時計算開機率、利用率，并以餅圖或圖表的形式顯示。如圖7所示。

5 結束語

隨著涂裝車間自動化、數(shù)字化、智能化的進一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的需求，涂裝智能工廠的實現(xiàn)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。涂裝 MES系統(tǒng)軟件作為涂裝智能工廠發(fā)展過程中極為重要的一部分，將在實現(xiàn)管理端到現(xiàn)場端縱向貫通，從計劃調(diào)度管理到現(xiàn)場設備層的互聯(lián)互通以及建立支撐多公司、多組織、多工廠的數(shù)字化模型等方面發(fā)揮重要的作用[13-14]。為實現(xiàn)這一目標，需要充分考慮涂裝生產(chǎn)實踐過程中的需求，盡可能完善涂裝 EMS系統(tǒng)軟件的功能，軟件整體進行合理的分析與設計。

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第一作者簡介：廉迎戰(zhàn)（1963-），男，碩士，副教授，研究領域為控制科學與工程，已發(fā)表論文23篇。

（編輯：刁少華）