張 南，王德權(quán)

(1.遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大數(shù)據(jù)研究院，遼寧 大連 116052；2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

對(duì)生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管理及動(dòng)態(tài)監(jiān)控，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]以精益物流為指導(dǎo)思想，以生產(chǎn)能力、工藝時(shí)序、隨機(jī)不確定性因素為約束條件，建立了組合優(yōu)化排產(chǎn)模型。文獻(xiàn)[2]提出了基于RFID的面向生產(chǎn)過(guò)程的物料實(shí)時(shí)跟蹤與管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]評(píng)估了多種離散制造業(yè)動(dòng)態(tài)調(diào)度方案，確定最優(yōu)方案。文獻(xiàn)[4]識(shí)別和收集了離散制造業(yè)和流程制造業(yè)的復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)因素，確定了兩種方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立了評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[5]提出了能動(dòng)態(tài)反映車間生產(chǎn)進(jìn)度、物料消耗情況、零件加工信息的多品種小批量機(jī)加車間的生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行情況三維可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了機(jī)加工車間監(jiān)控可視性低、生產(chǎn)進(jìn)度信息實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。

移動(dòng)終端在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中數(shù)據(jù)采集方面也得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用RFID技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)、GPS技術(shù)及無(wú)線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)移動(dòng)終端，并成功地應(yīng)用于物流管理及資產(chǎn)管理。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用Wi-Fi和3G無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的跨平臺(tái)訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)了車間移動(dòng)信息交互。文獻(xiàn)[8]開(kāi)發(fā)了基于WIFI技術(shù)的離散制造業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理終端，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

本文在生產(chǎn)流程可視化及利用移動(dòng)終端數(shù)據(jù)采集的研究成果的基礎(chǔ)上，提出離散制造業(yè)生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控方法。形成實(shí)時(shí)采集車間生產(chǎn)進(jìn)度信息，清晰、直觀、及時(shí)、高效的可視化顯示，再根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)地調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和分配制造資源的閉環(huán)控制。

1 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)流程

面向訂單的離散制造業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中通常表現(xiàn)為多品種小批量的生產(chǎn)模式，通常有以下特點(diǎn)：

(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以用樹(shù)的概念進(jìn)行描述,最終產(chǎn)品是由關(guān)系明確的固定個(gè)數(shù)的零件或部件組成。

(2)工藝流程：組成最終產(chǎn)品的每個(gè)零部件的工藝過(guò)程都有可能不一樣，生產(chǎn)設(shè)備的布置不是按產(chǎn)品而是按照工藝。加工過(guò)程需要對(duì)所加工的物料進(jìn)行調(diào)度，中間品需要進(jìn)行搬運(yùn)。

(3)生產(chǎn)計(jì)劃：按訂單組織生產(chǎn)，生產(chǎn)車間的計(jì)劃很難預(yù)測(cè)，同時(shí)，產(chǎn)品制造過(guò)程中經(jīng)常進(jìn)行工藝過(guò)程變更。

鑒于以上特點(diǎn)，離散制造業(yè)的生產(chǎn)流程通常涉及到多個(gè)職能部門，生產(chǎn)過(guò)程的跨職能流程圖如圖1所示。設(shè)計(jì)部根據(jù)訂單進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，工藝部根據(jù)零件的圖紙確定零件的加工工藝及標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，制定工藝路線卡片，制造部制定生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)車間根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃有序生產(chǎn)，車間管理人員進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的整體監(jiān)控。

圖1 跨職能流程圖

2 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控方法

生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控方法，包括生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)制定及動(dòng)態(tài)調(diào)整、工藝過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤及追溯、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化等。通過(guò)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和管理創(chuàng)新等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用移動(dòng)終端實(shí)時(shí)采集、管理生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，提升了制造業(yè)企業(yè)的信息化、智能化水平，提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理能力。對(duì)解決制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題具有一定的應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)了智能制造的先進(jìn)理念，能夠助力制造業(yè)企業(yè)進(jìn)行智能化升級(jí)改造以適應(yīng)未來(lái)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控特點(diǎn)

運(yùn)用智能制造思想，同時(shí)根據(jù)離散制造業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)流程進(jìn)行智能化改進(jìn)及完善，將制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)度安排、物料流動(dòng)、物料跟蹤、過(guò)程控制、過(guò)程監(jiān)視、質(zhì)量管理、設(shè)備維護(hù)和信息管理等進(jìn)行一體化集成，形成新的生產(chǎn)運(yùn)作和管控模式。

主要體現(xiàn)為自動(dòng)生成附有條形碼和二維碼的工藝過(guò)程卡片，且支持批量打印；根據(jù)制定的工藝及定額、計(jì)劃完成時(shí)間、備料時(shí)間、工廠日歷、車間設(shè)備情況等，自動(dòng)生成生產(chǎn)計(jì)劃；在各生產(chǎn)設(shè)備周圍布置移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)同步在大屏幕、電子看板顯示。

2.3 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)終端的生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)，管理端負(fù)責(zé)總體生產(chǎn)計(jì)劃錄入、工藝計(jì)劃制定、工廠日歷等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，并拆分生產(chǎn)計(jì)劃。分布在生產(chǎn)車間各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)終端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程信息，并進(jìn)行有效整合、處理及分析，獲取生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

圖2所示為基于移動(dòng)終端的生產(chǎn)流程體系結(jié)構(gòu)圖，該體系結(jié)構(gòu)包括計(jì)劃層、執(zhí)行層、控制層，其基本功能如下：

圖2 基于移動(dòng)終端的生產(chǎn)流程體系結(jié)構(gòu)

(1)計(jì)劃層：系統(tǒng)數(shù)據(jù)的入口。各職能部門數(shù)據(jù)的入口，包括錄入訂單的交貨期，制定訂單的總體計(jì)劃等。同時(shí)計(jì)劃層也包括錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(設(shè)備情況、工廠日歷、操作工人情況等)。

(2)執(zhí)行層：系統(tǒng)的核心層。從計(jì)劃層接收總體生產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)訂單交貨的總體計(jì)劃、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹(shù)、所有零件的工藝計(jì)劃、工廠日歷等信息拆分零件的生產(chǎn)計(jì)劃至各車間的生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)出生產(chǎn)指令，下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃。同時(shí)，監(jiān)控總體生產(chǎn)流程、零件生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行零件生產(chǎn)進(jìn)度的追溯。同時(shí)通過(guò)靈活的可視化手段展現(xiàn)在電子看板上。

(3)控制層：安裝在車間的移動(dòng)終端設(shè)備，通過(guò)掃描槍實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。同時(shí)將對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)物料、設(shè)備、人員和信息的“協(xié)同”。

生產(chǎn)過(guò)程中從下層系統(tǒng)接收現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)事件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的加工和處理，并向上層系統(tǒng)反饋生產(chǎn)計(jì)劃的處理結(jié)果。

3 生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)終端的生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)全面的管控，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)流程，在滿足約束條件的前提下，合理的為生產(chǎn)任務(wù)分配資源，確定各個(gè)零件的加工時(shí)間及加工設(shè)備；通過(guò)多移動(dòng)終端并行，采集加工過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)。解決制造業(yè)企業(yè)所面臨的生產(chǎn)計(jì)劃難以制定、生產(chǎn)流程不可控等問(wèn)題，助力企業(yè)生產(chǎn)管理信息化、智能化。系統(tǒng)功能組成如圖3所示。

圖3 基于移動(dòng)終端的生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)功能組成

3.1 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端只需實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及保存，因此只需要安裝掃描槍，掃描條碼，其他的負(fù)責(zé)邏輯在服務(wù)器端。從硬件的性能上，普通配置即可滿足要求，因此選擇普通的工業(yè)平板電腦(觸摸屏)就能夠滿足通訊及數(shù)據(jù)采集的要求。

3.2 生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)制定及動(dòng)態(tài)調(diào)整

目前，離散制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃制定不夠合理，因此，依據(jù)訂單交貨期、庫(kù)存?zhèn)淞?、車間設(shè)備加工能力、工人加工能力、零件的加工工藝、零件的加工工時(shí)、零件的重要性、瓶頸工序等約束條件，系統(tǒng)中最大化產(chǎn)能的智能生產(chǎn)計(jì)劃制定算法。同時(shí)能夠根據(jù)移動(dòng)終端采集的實(shí)時(shí)的加工進(jìn)度數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)、及時(shí)地調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中的突發(fā)情況(設(shè)備故障、零件報(bào)廢、臨時(shí)加急零件等)。工藝過(guò)程卡見(jiàn)圖4。

圖4 工藝過(guò)程卡(附加二維碼)

3.3 零件加工過(guò)程實(shí)時(shí)采集及追溯

在每個(gè)零件加工設(shè)備處，通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行加工零件的零件掃描、工序掃描及加工工人的工號(hào)掃描，確定零件的加工工序及工時(shí)等數(shù)據(jù)，這些實(shí)時(shí)的加工工程數(shù)據(jù)，是整個(gè)生產(chǎn)流程中的零件、工序、工時(shí)、加工工人、物料實(shí)現(xiàn)快速追溯的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。也是生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整的重要數(shù)據(jù)支持。加工過(guò)程追溯界面如圖5所示。

圖5 加工過(guò)程追溯界面

3.4 生產(chǎn)過(guò)程管控可視化

動(dòng)態(tài)的生成過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)終端、PC端、LED大屏幕、電子看板等形式展示出來(lái)，為領(lǐng)導(dǎo)層提供決策支持。決策的數(shù)據(jù)支持包括實(shí)時(shí)的訂單完成度、生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行度、在制零件數(shù)量、未完成零件工時(shí)、工序能力、零件質(zhì)量等，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)過(guò)程可視化界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是在制造業(yè)向信息化、智能化轉(zhuǎn)型的背景下提出的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程管理所涉及的多因素制約的生產(chǎn)計(jì)劃制定及動(dòng)態(tài)調(diào)度，零件加工進(jìn)度實(shí)時(shí)跟蹤追溯，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等功能。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)(生產(chǎn)工人、設(shè)備、零件、工序能力、加工進(jìn)度等)的全面監(jiān)控，改變制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控不力，決策缺乏數(shù)據(jù)支持的現(xiàn)狀。