成永泉，夏夢芝，顏一多

（博世汽車部件長沙有限公司，長沙 410010）

0 引言

當(dāng)今，智能制造車間的核心就是數(shù)據(jù)，一方面數(shù)據(jù)會滲透到企業(yè)運(yùn)營，另一方面也會影響到價(jià)值鏈乃至產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）不僅可以追溯各種物料的來源和產(chǎn)品加工的結(jié)果狀態(tài)，對制造產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管理和分析，也可以將實(shí)時(shí)收集和產(chǎn)生生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)告和機(jī)器效率報(bào)告，最終利用強(qiáng)大的信息平臺來優(yōu)化制造設(shè)備，建立企業(yè)不可缺少的競爭優(yōu)勢[1]。為實(shí)現(xiàn)國家智能制造的戰(zhàn)略規(guī)劃，智能車間的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和分析利用是完成兩化融合，工業(yè)技術(shù)智能升級的重要手段。

目前傳統(tǒng)的車間，各部門之間關(guān)于生產(chǎn)的溝通成本高，誤差大，紙面上的標(biāo)準(zhǔn)流程無法確保嚴(yán)格執(zhí)行，而且落實(shí)情和任務(wù)進(jìn)展都不透明，一個(gè)具備統(tǒng)一且實(shí)時(shí)的指標(biāo)看板，多維度的協(xié)同工具平臺顯得十分重要。設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)與產(chǎn)品的品質(zhì)、成本、交期和安全等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)[2]。設(shè)備的故障、非計(jì)劃停機(jī)、綜合利用率低常常會給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，隨著我國大型企業(yè)新裝置、新設(shè)備的不斷增加,設(shè)備逐步向大型化、集約化、柔性化方向發(fā)展[3]，通過將自動化設(shè)備和產(chǎn)品制造的數(shù)據(jù)監(jiān)控并分析做出預(yù)防性維護(hù)，充分發(fā)揮智能化車間最關(guān)鍵因素-人的作用，調(diào)動全體員工的工作積極性。本文提出的基于MES 系統(tǒng)效率分析功能模塊，結(jié)合自動化產(chǎn)線中日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)周期循環(huán)的特點(diǎn)，系統(tǒng)整個(gè)過程貫穿了生產(chǎn)現(xiàn)場管理工作的起點(diǎn)和終點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)的完整閉環(huán)，全面提高智能車間精益化生產(chǎn)效率和管理水平[4]，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)真正的智能工廠。

1 企業(yè)MES系統(tǒng)

MES 系統(tǒng)[5]，是常見于現(xiàn)代工廠的信息化平臺，數(shù)據(jù)層級一般處于制造設(shè)備和企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)的中間平臺。在生產(chǎn)效率監(jiān)控方面，MES 的數(shù)據(jù)報(bào)告具有生產(chǎn)透明度，設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）分析，是衡量企業(yè)生產(chǎn)效率的重要標(biāo)準(zhǔn)[6]。機(jī)器針對性故障數(shù)據(jù)分析，針對措施的優(yōu)化和操作動作的有效監(jiān)控等主要特點(diǎn)，通過這些特性，可以反饋整個(gè)工廠自動化設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可視化管理生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)[7]。從解決車間生產(chǎn)的痛點(diǎn)和企業(yè)的運(yùn)營角度，一個(gè)完整的生產(chǎn)效率監(jiān)控平臺可以持續(xù)改善車間的價(jià)值流，節(jié)約人工溝通成本，優(yōu)化工廠資源利用，具有很高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 設(shè)備硬件與工業(yè)服務(wù)器

西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）廣泛應(yīng)用在智能制造工廠，對其進(jìn)行合理應(yīng)用不僅能夠縮短花費(fèi)在系統(tǒng)響應(yīng)上的時(shí)間，也就是可以達(dá)到極高的數(shù)據(jù)通信速度要求，還可以起到加強(qiáng)控制能力的效果[8]。針對數(shù)據(jù)采集的性能響應(yīng)需求，本系統(tǒng)采用了主流性能的S7-1516F 3PN/DP，PLC 軟件程序編制平臺為Siemens TIA V15，根據(jù)MES 服務(wù)器的通訊報(bào)文格式要求，上位機(jī)端采用了主流的TCP/IP 協(xié)議，PLC 端設(shè)定服務(wù)器的IP 地址和對應(yīng)端口號與MES 系統(tǒng)進(jìn)行握手，文件內(nèi)容格式定義了，報(bào)文頭，事件類型和主數(shù)據(jù)，觸發(fā)式給MES上位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，如圖2所示。

人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）采用西門子TP1500 Comfort panel，操作系統(tǒng)版本采用HMI Lite V8.1，用于配置終端節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品型號，機(jī)器故障定義，以及效率損失的分類等信息。HMI 與PLC 數(shù)據(jù)塊變量采用工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[9]，實(shí)現(xiàn)數(shù)字全集成化系統(tǒng)，十分普遍使用在現(xiàn)代的企業(yè)車間。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，不僅可以配置不同產(chǎn)品的加工配方，比如產(chǎn)品類型，工藝的程序號及參數(shù)設(shè)定等，還可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)設(shè)備故障報(bào)警的歷史記錄。此外，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)發(fā)送端與接受端需要保持時(shí)間同步，這對保證數(shù)據(jù)互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是極其重要的[10]。本系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）的基準(zhǔn)服務(wù)器，保證機(jī)器的時(shí)間始終和MES服務(wù)器的時(shí)間同步。

MES 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)服務(wù)器的CPU 端采用了戴爾DL388G9，CPU2.4G 至 強(qiáng)4210R20 核，HP 32 GB 4 塊600G 10KSAS硬盤。OS操作系統(tǒng)為Window Server2019標(biāo)準(zhǔn)版，采取socket 傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，一般翻譯成套接字，是采用TCP/IP 的一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[11]，這種同步通訊的方式相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)兩端提供了客戶端和服務(wù)端，分別請求和接收數(shù)據(jù)信息，通訊十分及時(shí)且可靠。數(shù)據(jù)庫選擇Microsoft SQL Server2019 企業(yè)版具有安全性高，伸縮性強(qiáng)，處理海量數(shù)據(jù)能力等特點(diǎn)，選用這種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)合NET 平臺應(yīng)用具有較強(qiáng)的靈活性[12]。本系統(tǒng)采用了常用的B/S 架構(gòu)，這是基于Web 方式的一種架構(gòu)模式，可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和讀取，在應(yīng)用服務(wù)器上安裝標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器即可訪問服務(wù)器，特別適用于本次離散車間的應(yīng)用環(huán)境。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在車間復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境里，MES 應(yīng)用會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)，來源于工藝參數(shù)、訂單、物流和自動化機(jī)器等。為了提高系統(tǒng)平臺運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)的能力，本系統(tǒng)將生產(chǎn)效能分析功能采用模塊化搭建式設(shè)計(jì)，從產(chǎn)線/設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)入獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表，解析之后基于web網(wǎng)頁來進(jìn)行報(bào)告呈現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

報(bào)表報(bào)告服務(wù)對設(shè)定的時(shí)間自動生成報(bào)告文件，支持的格式有PDF、EXCEL、條形圖和列表式等，根據(jù)不同的工作角色定義相應(yīng)的訪問和操作權(quán)限，如操作工只能讀取報(bào)告，車間班長或管理者等可以根據(jù)需求，在Windows 共享報(bào)表文件，自定義報(bào)表的類型和報(bào)告背景，設(shè)定周期自動電子郵件發(fā)送等。

3.2 KPI數(shù)據(jù)

針對產(chǎn)品和生產(chǎn)的復(fù)雜性，工廠車間需要一個(gè)高效的信息管理系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)在日常生產(chǎn)的計(jì)劃和控制，也體現(xiàn)在產(chǎn)品的分析和召回。本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)理念，梳理出制造加工中關(guān)鍵效益指標(biāo)（Key Performance Indicator，KPI），來解決如何發(fā)揮成產(chǎn)設(shè)備的最大效率，每天出現(xiàn)的機(jī)器故障頻率分析，產(chǎn)品的一次性通過率統(tǒng)計(jì)，以及大幅提高生產(chǎn)透明度和安全性等問題，達(dá)到提高效益，節(jié)約成本的目標(biāo)。

終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況配置了線號，站號以及加工材料類型，每個(gè)工站將采集上電狀態(tài)，手自動運(yùn)行模式，上下料工藝位置采集主原料和輔料缺料和產(chǎn)出堵料的信息，在機(jī)器故障采集層面，通過HMI 界面里定義設(shè)備故障的編號和注釋，每次設(shè)備報(bào)警的變量觸發(fā)會統(tǒng)計(jì)對應(yīng)匹配的報(bào)警數(shù)據(jù)信息，通過PLC 與MES 服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互以及MES 系統(tǒng)的參數(shù)配置，對效率監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行解析和匹配，確保每個(gè)數(shù)據(jù)交互信息的正確性。

從生產(chǎn)性能分析的角度，定義了產(chǎn)品類型并編號，PLC 在工位進(jìn)行完成工件數(shù)量統(tǒng)計(jì)。生產(chǎn)者和設(shè)備維護(hù)者為了更有效地規(guī)劃機(jī)器設(shè)備的工作分配，需要分析設(shè)備的故障產(chǎn)生率和產(chǎn)品加工時(shí)間，根據(jù)生產(chǎn)效率的柏拉圖進(jìn)行優(yōu)化和分析。監(jiān)控設(shè)備的總體運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵性能指標(biāo)設(shè)定界面

3.3 生產(chǎn)綜合效率

日常排班計(jì)劃也是實(shí)際的生產(chǎn)過程最基本的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)根據(jù)智能車間效率分析的輸入要素，結(jié)合實(shí)際制造環(huán)境設(shè)計(jì)了數(shù)字化排版功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)的功能有計(jì)劃和管理班次，配置班次的模式以及操作員工的數(shù)量，維護(hù)計(jì)劃/非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間和原因統(tǒng)計(jì)，手工修正完成工件的計(jì)數(shù)等。排班系統(tǒng)計(jì)劃了周期性的早、中、晚3 個(gè)班次，每個(gè)班次設(shè)定8 h，由技術(shù)損失、換型損失和組織性損失客觀地采集效率損失的數(shù)據(jù)信息，用于計(jì)算準(zhǔn)確的OEE數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 排班計(jì)劃界面

在正常的生產(chǎn)環(huán)境中，計(jì)劃性停產(chǎn)是不可避免的，比如操作工吃飯，設(shè)備維修檢查，定時(shí)更換備損件等，這些時(shí)間可以通過提前維護(hù)排班系統(tǒng)，在最終的OEE 計(jì)算時(shí)可以針對性進(jìn)行修正。

本系統(tǒng)將實(shí)際產(chǎn)線定義為5 號線，每制造一個(gè)產(chǎn)品計(jì)劃為20 s，在最后工站完成的產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)合格的產(chǎn)品數(shù)量。根據(jù)精益生產(chǎn)理念，將計(jì)劃的產(chǎn)出和實(shí)際的產(chǎn)出進(jìn)行綜合比較，分析出車間的生產(chǎn)效率，針對產(chǎn)線的常見設(shè)備故障，組織效益損失，產(chǎn)品換型時(shí)間周期不順暢等痛點(diǎn)，結(jié)合車間的實(shí)際情況，給與人員和效率的優(yōu)化改善。同時(shí)，系統(tǒng)還將產(chǎn)品的制造加工結(jié)果狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)量把控，統(tǒng)計(jì)不合格件的數(shù)量并將報(bào)表已郵件或短信的方式傳遞給車間工作人員。

綜合以上KPI 數(shù)據(jù)采集，排班數(shù)據(jù)的計(jì)劃配置，預(yù)防性停機(jī)等參數(shù)的維護(hù)，通過PLC 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，MES端將車間效率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)和分析。

計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間（Planned Operating Time，POT）計(jì)算公式如下：

OEE計(jì)算如公式如下：

按日期班次呈現(xiàn)的可視化OEE 分析報(bào)表，如圖6 所示。通過對生產(chǎn)效率分析模型可以直觀地看出OEE 的實(shí)際值的統(tǒng)計(jì)圖，車間的生產(chǎn)員工和技術(shù)人員可以根據(jù)報(bào)表得到產(chǎn)品質(zhì)量、效率損失等相關(guān)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際加工環(huán)境為提高生產(chǎn)效率提供決策，進(jìn)一步完善生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度，減少設(shè)備效率損失，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的智能生產(chǎn)。

圖6 生產(chǎn)綜合效率界面

4 結(jié)束語

伴隨中國智能制造的快速發(fā)展，車間的設(shè)備會越來越多，生產(chǎn)環(huán)境也越來越復(fù)雜。不同的設(shè)備數(shù)據(jù)互聯(lián)，不同區(qū)域的數(shù)據(jù)共享和利用將成為高效率的工業(yè)信息化企業(yè)的新方向。通過對車間精益化生產(chǎn)的理解，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的定義和采集，對比傳統(tǒng)的制造車間出現(xiàn)多種效率損失以及無法得到相關(guān)數(shù)據(jù)分析作為改善點(diǎn)做支撐的痛點(diǎn)，本文的基于MES 的生產(chǎn)效率系統(tǒng)設(shè)計(jì)從工業(yè)互聯(lián)的協(xié)議設(shè)計(jì)，設(shè)備的產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，設(shè)備綜合效率的計(jì)算以及預(yù)防性維護(hù)和提高生產(chǎn)效率的改善，映射了車間的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，使車間管理和計(jì)劃人員快速發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決。工廠通過MES 實(shí)現(xiàn)了車間管理的信息化和無紙化，也大大提高了生產(chǎn)過程中的透明度，增強(qiáng)了企業(yè)的核心競爭力，對促進(jìn)信息化和工業(yè)化的融合有明顯的指導(dǎo)意義。