趙昊東

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

MES本身就是一個直接針對制造企業(yè)車間執(zhí)行層和生產信息化管理的重要系統，能從訂單下達到最終成品入庫都實施全面監(jiān)控，實現對訂單的有效調度，并根據整個過程中的各項情況及時做出反應，以保證產品品質，因此為使其作用得到最大程度發(fā)揮，有必要對其計劃排程以及具體的系統設計展開分析。

1 裝配線生產任務簡述

在智能化工業(yè)的逐步發(fā)展下，市場上對于生產配件的需求漸漸增大，傳統人工分配訂單和加工的模式已經難以滿足需求。而MES將工業(yè)自動化作為核心，能同時實現多項訂單的計劃排程，并在專項操控系統的作用下，促使設備和工件之間實現有效交流。

1.1 裝配線生產任務

在某一生產任務當中，要對一款末端組件實施裝配，其組件包含了螺母、吸盤與彈簧。將MES應用進去，則主要進行計劃排程、生產監(jiān)督與信息分析，機器人負責搬運工件，鉆銑平臺主要用于加工落幕，組裝平臺則對相關組件進行裝配，視覺檢測系統主要對落幕直徑與最終成品的高度實施檢測[1]。實際的落實流程（圖1）：（1）MES先掌握所有制造數據，再基于訂單需求，利用內部計劃排程算法對實際生產過程進行綜合權衡，編制生產方案；（2）MES依照具體排程結果發(fā)布生產任務；（3）MES向倉儲系統發(fā)出發(fā)料請求，在收到請求之后，由專門的機器人進行物料搬運；（4）當待加工的工件進入自動加工程序后，專屬機器人會將其搬送到鉆銑平臺準備加工，之后再利用視覺系統檢測直徑，一切無誤之后則進行組裝，倘若檢測不過關，則由機器人將其歸置在廢品處；（5）組裝工作結束之后，繼續(xù)通過視覺系統實施成品檢測，一旦情況達到要求，機器人就將其歸入成品類；否則，需要進行廢品處理。

圖1 裝配線生產任務圖

1.2 裝配線工位工藝流程

（1）立體倉庫工位：主要存儲物料，物料不同存放的位置也會有所差異，以確保在生產過程中能進行迅速夾取。智能化的立體倉庫包含了立體貨架和堆垛機。其中前者每層都會有專門的光電傳感器，以使物料位置能迅速反映到上位機當中；后者則是把物料從貨架轉運到承座之上。

（2）自動上下料工位：在人工成本逐漸增長之下，企業(yè)必須應用智能設備代替人工重復作業(yè)，而上下料機械手正好可以實現這一點。它主要是在上下料環(huán)節(jié)取代人工的自動裝卸裝置，比較適合應用在重復性強、批量大的情況中。

（3）工件加工和尺寸檢測工位：其中主要包含了機架、PLC、RFID、鉆銑平臺、機器人、相機、氣動元件等。鉆銑平臺主要是對工件進行加工，而相機則被安排在該平臺右方，以對加工之后的直徑參數進行測量；RFID主要是對具體編號進行讀取，并把測量出的直徑計入電子芯片當中。在檢測過程中，相機的鏡頭焦距與分辨率十分關鍵，必須把工件完全包含其中，一般鏡頭視野必須超過60mm×60mm，檢測精度需達到0.1mm[2]。

（4）工件組裝和缺陷檢測工位：其中主要包含了機架、PLC、RFID、機器人、相機、氣動元件以及高度檢測平臺等。其中RFID也是重點對工件編號進行讀取，并把測量出的高度寫入芯片。同時相機的焦距與分辨率也需要和工位本身所需的具體配置一致。

2 MES計劃排程

2.1 基本流程

一般情況下，要實際制作出一個具有可執(zhí)行性的排程計劃還要從這幾步著手。

（1）建立模型：對于系統產出率而言，受到潛在資源瓶頸的影響，應在排程時對所有生產流程規(guī)律進行重點研究，明確具體的流程特性和物流變化規(guī)律，以此進行假設，給各項生產環(huán)節(jié)都建立合理科學的關聯性。

捕捉數據信息：在計劃排程模型建立的過程中，為使后續(xù)生產資料得到有效分析與管理，還要在生產之前確定相關的數據需求，通?？梢詮腅RP系統、產出計劃等方面提取。

生產預設：基于生產與需求計劃的實際參數信息，對車間的生產具體流程和狀態(tài)信息進行詳細解讀，并借助相關信息對后續(xù)的生產過程設置進行預設。

確立初步計劃：基于前幾步的分析成果，根據生產訂單確定初步的計劃排程，然后根據實況信息進行修訂優(yōu)化，使其能獲得最優(yōu)生產效率。

分析和交互完善排產計劃：具體需基于生產訂單的數據分析成果制定排產計劃，并在下達執(zhí)行命令前對計劃可行性進行分析。

核準與執(zhí)行生產狀況。即排程方案在評估獲準之后進行指令下達，并開展執(zhí)行。

更新計劃。如果實際生產當中有新訂單產生，則可以將其融入剩余生產計劃當中，并對排程方案實施優(yōu)化更新。

2.2 建立模型

（1）最晚交貨時間，也就是在保證任務正常完成的基礎下，訂單交付可以拖延的最晚時間。在某一類末端組件制作時，受到數量過多的影響，生產方與決策者都想用最短的時間完工，保證設備應用率，獲得更多生產效益。其模型應該為：

其中Xn是訂單最晚的完成時間，Xi則是訂單i的完成時間。

（2）訂單剩余生產時間方差?；旧嫌唵蔚慕桓稌r間和完成訂單所預估的時間差就是訂單剩余生產時間，為使該值得到有效控制，往往需要應用其方差進行衡量。方差越小，兩者的偏離程度就會越小，時間差值也會更為均衡，就可以基于交貨時間提前生產訂單，防止訂單出現過度累計。其模型應該為：

（3）瓶頸設備應用率。在整個裝配線當中瓶頸設備的實際生產時間消耗是最多的，其利用率即是指實際運行時間和生產過程中所消耗的計劃時間之間的比值。該數值越大，整個線路的運轉速度就會越快。倘若為了提升生產效率，同時應用多個工位與設備共同投入線路運轉，還需從中取平均值。其模型應該為：

（4）訂單最小剩余加工時長。當超出約定的交付日期之后，最后一個訂單結束的日期和最后一個工序完成日期之間的差值。該數值越大，訂單的完成時間就會越小，整體生產效率也會越高，也就可以有效確保生產進度。其模型應該為：

3 系統設計

在該裝配線當中，MES能直接對所有訂單實施歸類排程，并根據實況信息編制出適合的裝配方案；相關傳感器可以對工件狀態(tài)進行檢測反饋；視覺系統可以對工件加工直徑以及組裝高度進行檢測；其他的一些執(zhí)行元件則可以搬運、加工與組裝工件[3]。

3.1 計劃排程落實

在裝配線當中，MES和數據庫需要不斷實施信息交互，為促進系統開發(fā)，還必須對數據庫進行詳細設計。

（1）落實用戶需求分析。數據庫設置的主要目的就是開展用戶需求分析。在裝配線當中，用戶可以基于自身的利益狀況把某一類需要的末端組件需求計劃發(fā)送給營銷部門，該部門在接收到其信息之后會再基于訂單種類、作用、范圍、性能等實施匯總劃分類型，制定出初步的生產計劃；之后再全方位評審分析全部的生產訂單，基于最終結果編制營銷計劃，并將其發(fā)送給生產部門實施計劃編制。當生產部把確定好的計劃導入MES后，它就會根據內部排程算法開展計劃排程，最終生成具有可執(zhí)行性的生產規(guī)劃，從而獲得材料清單，由采購部開展下一步工作。

（2）開展概念結構設計，即構建E-R模型，以體現出企業(yè)的實際需求信息。其中將計劃導入、生產排程、計劃查詢和執(zhí)行等包含在內，同時給其添加相關屬性。

（3）應用Java訪問數據庫。當數據庫設立之后，需用Java開發(fā)應用系統和數據庫實現信息共享與交流。具體流程為：先與數據庫進行連接，然后使JDBC程序對MySQL驅動程序進行加載，再獲取Connection對象，建立Statement對象，執(zhí)行SQL語句，對ResultSet對象，最后關閉JDBC對象釋放資源。

3.2 系統功能模塊設計

建立MES系統時，應基于實際工作流程，把產品功能需求作為核心進行功能模塊開發(fā)，以保證系統效率。為使所有工位之間實現生產信息共享與資源轉換，加強配合協作，就需要精準下達具體的生產指令，控制生產進度，落實產品分析，將功能模塊的作用發(fā)揮出來。

（1）計劃調度管理。即根據生產訂單實施計劃排程，選取具體的生產工藝與產品信息制定出操作指南，審核無誤后再下達給控制系統以便實施生產操作。這一模塊能實現多訂單下單，可以進行訂單撤銷、暫停等，具體功能架構如圖2所示。

圖2 計劃調度管理模塊

（2）物料管理。即對物料的出入庫進行管理監(jiān)督，其中主要包含了基礎數據調度、物料調度與防錯等多個子模塊。

（3）質量管理。即重點對所有生產環(huán)節(jié)的質量數據信息進行采集，實現生產質量監(jiān)督，并生成具體的質量檔案。

（4）統計分析。也就是將成品作為對象實施質量分析，以便完善整個操作流程，強化生產品質，同時使管理者也能完全掌握設備的實際生產能力。

3.3 工位系統設計

在MES中，當其下達具體的生產任務之后，則由PLC控制系統發(fā)出相應的動作信號，從而驅動電機或者氣缸等抓取、運送、加工和組裝工件，同時再應用MES和PLC之間的數據接口進行數據信息傳輸。

（1）立體倉庫工位系統。①促進MES和PLC之間實現通信。當前主要是應用OPC技術實現的，它能利用Microsoft系統在用戶機端進行生產信息數據的實時交換，并進行加工數據實時共享[4]。在裝配線當中，OPC客戶端通過OPC服務器與PLC之間實現信息傳遞，并將PLC在落實程序操作過程中的相關硬件裝置的運作信息抓取出來，以實現對數據內容的有效整理和分析反饋。②實現PLC對氣動元件的控制。在立體倉庫工位中，當總控制系統發(fā)出物料運轉的指令之后，堆垛機就會移動到預先設定的位置，這時候旋轉氣缸的電磁閥就會對氣缸進行控制，使其在正確位置彈出夾爪，并進行抓取。之后再將伸縮氣缸收回，使堆垛機移動到承座之上。

（2）自動上下料工位系統。即要在總控制系統發(fā)出上下料的指令之后，升降氣缸向下移動到和抓取點彼此平行的位置，并在往前移動的過程中彈出伸縮氣缸，通過控制夾爪氣缸對工件實施抓取，然后原路返回，升起頂升氣缸，使被夾取的工件到達流水線載具上部并下放工件[5]。

（3）工件加工與尺寸檢測工位系統。在工件達到加工和尺寸檢測工位的時候，由專屬機器人將其搬運到鉆銑平臺，啟動定位裝置對其實施自動定位，并對工件實施加工。結束后，視覺系統自動對成品直徑實施測量，并且RFID會對具體數據進行提取和寫入，當直徑符合要求，工件則會被送到下一步進行組裝，否則需要實施廢品處理。在這之中，PLC和視覺系統之間的通信實現主要是利用I/O信號，以實現對光源開啟和關閉、工件直徑與高度判定結果的信號進行控制。

（4）工件組裝和問題檢測工位系統。在該環(huán)節(jié)，機器人先將工件拿下，在暫存區(qū)進行組裝，之后視覺系統對成品進行照片拍攝并與模板信息進行對照分析，同時RFID會對具體數據進行抓取和寫入，如果檢測合格則由機器人搬運到成品處進行存儲，一旦與模板存在誤差，還需進行廢品處理。其中，PLC和視覺系統之間的聯系，主要由PLC利用I/O卡給視覺系統發(fā)送一個信號，促使光源和相機被觸發(fā)，然后對工件進行拍照。

4 結語

在工業(yè)領域的改革推進下，當前各類制造企業(yè)開始將發(fā)展重點放在了智能化探索上，其中MES的應用最為火熱，未來在產品生產中勢必會發(fā)揮出巨大作用。為促使某款末端組件實現批量化生產，將整個生產線都進行信息化管控，還需對MES的裝配線系統展開探究。具體需對裝配線的生產任務加以明確，然后從具體的工作任務著手，對整個MES架構進行探究，明確工位工藝流程；同時基于計劃排程架設，建立相關模型，為生產過程優(yōu)化奠定基礎；最后再針對裝配線四大工位進行系統設計，以從根本上實現對生產訂單的計劃排程，并在裝配線上對工件進行高效的搬運、加工、組裝和檢測。