基于工廠方法模式的MES中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

周雪明

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072)

制造執(zhí)行系統(tǒng) (Manufacturing Execution System，MES)是美國AMR公司(Advanced Manufacturing Research)在20世紀(jì)90年代初提出的，并將其定義為“位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”[1]。通過20多年的研究，MES在理論研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面都取得了較大的進(jìn)展，特別是對MES的可重構(gòu)性[2－5]、可集成性[6－10]、可移植性[11－13]、可配置性[14]等進(jìn)行了深入的研究，并隨著研究的不斷深入，提出了智能 MES[15－16]、合弄 MES[5－17]、物聯(lián)MES[18－19]等先進(jìn) MES 系統(tǒng)的概念，給出了相應(yīng)的解決方案。

然而，傳統(tǒng)MES大多只針對單車間生產(chǎn)進(jìn)行流程管理，不涉及多車間之間協(xié)同作業(yè)的過程管理，這樣就產(chǎn)生了產(chǎn)品全生命周期管理中的盲點，造成生產(chǎn)全過程跟蹤與監(jiān)控信息的斷流。因此，產(chǎn)品中轉(zhuǎn)工序的管理等新興需求應(yīng)運而生，中轉(zhuǎn)管理不僅僅是實現(xiàn)單個車間對“產(chǎn)品轉(zhuǎn)出－產(chǎn)品返回”開頭結(jié)尾兩點進(jìn)行控制，更是深入到細(xì)節(jié)實現(xiàn)對中轉(zhuǎn)全過程的多點管理與監(jiān)控，并且實現(xiàn)多個車間之間進(jìn)行中轉(zhuǎn)過程整體控制，以便于企業(yè)全面、及時地掌握車間生產(chǎn)情況，進(jìn)而進(jìn)行全盤有效監(jiān)控，從而提高車間中轉(zhuǎn)協(xié)同作業(yè)的效率。

1 系統(tǒng)需求分析

零組件中轉(zhuǎn)生產(chǎn)是車間零件生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，通過對7家國有大中型制造企業(yè)或制造車間詳細(xì)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，車間之間中轉(zhuǎn)任務(wù)的交互管理主要存在以下問題:

a.中轉(zhuǎn)任務(wù)到達(dá)隨意，生產(chǎn)計劃指導(dǎo)性不足。

b.調(diào)度簡單，計劃員主要憑借經(jīng)驗和加工車間零件的輕重緩急程度進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度依據(jù)不規(guī)范。

c.中轉(zhuǎn)零部件生產(chǎn)加工周期短、頻、快。中轉(zhuǎn)工序往往只有一道或幾道，相比整個產(chǎn)品生產(chǎn)周期，實際加工周期短，中轉(zhuǎn)任務(wù)需求頻繁，要求中轉(zhuǎn)產(chǎn)品返回速度快等。

d.涉及部門多，存在大量扯皮現(xiàn)象，缺乏有效監(jiān)管機(jī)制。

e.現(xiàn)有手工紙質(zhì)管理方式帶來的信息滯后性，造成企業(yè)無法實現(xiàn)對現(xiàn)場中轉(zhuǎn)生產(chǎn)狀況的實時全面統(tǒng)計，無法全面、及時地了解廠內(nèi)中轉(zhuǎn)零件的生產(chǎn)進(jìn)度，也就無法給公司各生產(chǎn)及管理單位的決策提供有效信息，致使公司各生產(chǎn)管理單位無法快速解決中轉(zhuǎn)零件的生產(chǎn)問題，也就不能及時調(diào)整中轉(zhuǎn)零件的生產(chǎn)。

針對以上中轉(zhuǎn)管理的不足，對中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)特別是系統(tǒng)中中轉(zhuǎn)需求計劃的編制技術(shù)提出以下要求:

a.中轉(zhuǎn)計劃任務(wù)的到達(dá)、返回等應(yīng)有時間要求，便于接收車間和發(fā)出車間計劃任務(wù)的安排，以指導(dǎo)MES系統(tǒng)內(nèi)中轉(zhuǎn)相關(guān)單位的排產(chǎn)。

b.對于協(xié)作車間之間中轉(zhuǎn)任務(wù)的安排應(yīng)有協(xié)調(diào)機(jī)制，由中轉(zhuǎn)發(fā)出車間、中轉(zhuǎn)接收車間以及生產(chǎn)管理部門等相關(guān)單位共同協(xié)商完成中轉(zhuǎn)任務(wù)的計劃制訂。

c.需要權(quán)利部門的介入，對協(xié)作車間之間的中轉(zhuǎn)任務(wù)安排進(jìn)行進(jìn)一步協(xié)調(diào)和監(jiān)督，防止出現(xiàn)協(xié)作車間扯皮現(xiàn)象。

d.對于異常計劃，如長期未執(zhí)行計劃、臨時中轉(zhuǎn)計劃、因為報廢產(chǎn)生的無法繼續(xù)執(zhí)行的計劃等，應(yīng)有相應(yīng)的處理機(jī)制，做到計劃的“善始善終”。

e.對中轉(zhuǎn)計劃的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行實時跟蹤，建立全方位、多角度、實時的中轉(zhuǎn)管理過程監(jiān)控與統(tǒng)計分析應(yīng)用平臺，以便公司和車間及時了解中轉(zhuǎn)生產(chǎn)狀況，進(jìn)而指導(dǎo)下步生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)流程設(shè)計

車間依據(jù)中轉(zhuǎn)計劃主線，通過計劃提出、計劃答復(fù)、形成計劃、零件發(fā)出/接收/返回等密切相連的活動聯(lián)動，最終實現(xiàn)中轉(zhuǎn)過程管理。綜合先進(jìn)管理理念和組件化技術(shù)，提出了一種制造單元從中轉(zhuǎn)計劃預(yù)約到計劃完成，覆蓋車間中轉(zhuǎn)生產(chǎn)全過程的生產(chǎn)管理與控制的整體業(yè)務(wù)流程。中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)流程圖

引入計劃期的概念，由生產(chǎn)管理部門提前設(shè)定計劃期所在時間范圍，并設(shè)定中轉(zhuǎn)計劃預(yù)約提前期，中轉(zhuǎn)計劃的提交和執(zhí)行都以計劃期、計劃預(yù)約提前期為時間單位進(jìn)行。整個中轉(zhuǎn)管理過程共涉及3個角色，即中轉(zhuǎn)需求計劃的發(fā)出車間、中轉(zhuǎn)需求計劃的接收車間以及中轉(zhuǎn)需求計劃的平衡單位(生產(chǎn)管理部門)，三者之間交互完成中轉(zhuǎn)需求計劃的編制。此外，每一計劃期結(jié)束時，會對中轉(zhuǎn)計劃執(zhí)行情況進(jìn)行判定，對于已執(zhí)行完畢的計劃，進(jìn)行計劃關(guān)閉。對未完成的計劃進(jìn)行計劃滾動，中轉(zhuǎn)計劃滾動條件及流程如圖2所示。

圖2 中轉(zhuǎn)計劃滾動條件及流程圖

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

遵循把相對獨立的事物處理過程作為一個模塊、盡可能提高單個模塊的內(nèi)聚度、減少不同功能模塊之間耦合度的原則，把中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)劃分為5大功能模塊:中轉(zhuǎn)系統(tǒng)管理、中轉(zhuǎn)計劃管理、中轉(zhuǎn)發(fā)出管理、中轉(zhuǎn)接收管理、查詢與統(tǒng)計。其系統(tǒng)功能樹如圖3所示。

a.中轉(zhuǎn)系統(tǒng)管理通過采用用戶/角色/權(quán)限三級控制策略，實現(xiàn)中轉(zhuǎn)管理的權(quán)限控制，為整個MES系統(tǒng)中轉(zhuǎn)管理提供安全保障，并對中轉(zhuǎn)過程進(jìn)行日志管理。

圖3 中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)功能樹

b.中轉(zhuǎn)計劃管理負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)計劃的編制，生成正式的可執(zhí)行的中轉(zhuǎn)計劃，主要包括計劃期參數(shù)的設(shè)置、中轉(zhuǎn)計劃的預(yù)約/答復(fù)/確認(rèn)/平衡等業(yè)務(wù)功能。

c.中轉(zhuǎn)發(fā)出管理主要包括零件的發(fā)出、零件的返回確認(rèn)、發(fā)出/返回流水卡的維護(hù)、發(fā)出拖期原因的錄入以及中轉(zhuǎn)計劃發(fā)出的導(dǎo)出與打印等業(yè)務(wù)。

d.中轉(zhuǎn)接收管理主要包括零件的接收/返回、接收/返回流水卡的維護(hù)、返回拖期原因的錄入、中轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)控以及中轉(zhuǎn)計劃接收的導(dǎo)出與打印等業(yè)務(wù)。

e.查詢與統(tǒng)計模塊主要負(fù)責(zé)滿足各級中轉(zhuǎn)相關(guān)單位管理需要，并進(jìn)行從整體到局部，再到最低層數(shù)據(jù)分層級全方位一體化的統(tǒng)計展示與分析，分別將計劃類別、平衡類、發(fā)出、返回、發(fā)出拖期、返回拖期六大類別范圍內(nèi)的各種指標(biāo)通過圖形形象地展示出來，直至追蹤到各種指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)，使公司及各中轉(zhuǎn)單位能一目了然地掌握到全廠及各車間中轉(zhuǎn)完成情況及其在某一指標(biāo)上表現(xiàn)的優(yōu)劣情況，以便及時作出生產(chǎn)指導(dǎo)。

4 系統(tǒng)體系架構(gòu)

在軟件體系架構(gòu)設(shè)計中，分層式結(jié)構(gòu)是最常見，也是最重要的一種結(jié)構(gòu)。常見的三層體系結(jié)構(gòu)，從上至下分別為:表現(xiàn)層 UI、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)。考慮到中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)以后擴(kuò)展、維護(hù)、重用等問題，本文在傳統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上應(yīng)用工廠方法模式進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 基于工廠方法模式的軟件體系架構(gòu)

工廠方法模式通過抽象手段將業(yè)務(wù)對象的實現(xiàn)以多態(tài)的形式延遲到子類，以降低業(yè)務(wù)對象子類間的耦合性，從根本上實現(xiàn)了面向?qū)ο笾凶钪匾脑瓌t“開閉原則:對擴(kuò)展開放、對修改關(guān)閉”，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。具體的，在數(shù)據(jù)訪問層和業(yè)務(wù)邏輯層之間增加數(shù)據(jù)訪問接口(IDAL)，規(guī)定業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層的通信規(guī)則。定義業(yè)務(wù)實體模型(Model)，用于映射數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)關(guān)系，貫穿業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層，負(fù)責(zé)各層之間數(shù)據(jù)的傳遞。增加數(shù)據(jù)訪問工廠(DALFactory)，控制接口實現(xiàn)方式。Utility層為關(guān)于數(shù)據(jù)處理的通用類。UI調(diào)用BLL的相關(guān)功能邏輯來實現(xiàn)業(yè)務(wù)處理。在BLL中相關(guān)的數(shù)據(jù)處理是通過調(diào)用接口實現(xiàn)。接口由工廠層控制其實現(xiàn)的方式。數(shù)據(jù)訪問層實現(xiàn)具體與數(shù)據(jù)庫交互的功能。各層之間參數(shù)的傳遞主要通過Model實現(xiàn)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

面向航空制造業(yè)典型離散制造車間，以中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限公司、西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司為背景，取得了良好的應(yīng)用效果。MES中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)采用基于工廠方法模式的多層體系架構(gòu)，應(yīng)用組件開發(fā)技術(shù)，選用.Net軟件開發(fā)平臺，基于Oracle Database 10g企業(yè)級大型數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出一套適合航空制造業(yè)的MES中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺。

圖5為中轉(zhuǎn)計劃預(yù)約界面，發(fā)出車間將產(chǎn)品型號、零組件號、工序號、計劃發(fā)出時間、期望返回時間等信息提交給接收車間，進(jìn)行中轉(zhuǎn)計劃的預(yù)約。圖6為中轉(zhuǎn)計劃統(tǒng)計與查詢界面，界面可以通過設(shè)置計劃期范圍，查詢范圍內(nèi)計劃類別、計劃平衡情況、發(fā)出和返回情況的走勢，以指導(dǎo)公司下步生產(chǎn)計劃的安排。

圖5 中轉(zhuǎn)計劃預(yù)約界面

6 結(jié)束語

圖6 中轉(zhuǎn)計劃統(tǒng)計與查詢界面

MES中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)過程的全生命周期管理，消除了車間扯皮、信息斷流等現(xiàn)象，很大程度上提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)采用基于工廠方法模式的分層式軟件體系架構(gòu)，提高了軟件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與可維護(hù)性，為軟件系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)提供了可借鑒的解決方案和實現(xiàn)途徑。但目前，中轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)還未與MES系統(tǒng)內(nèi)整體業(yè)務(wù)流程實現(xiàn)無縫集成，還需進(jìn)一步研究與實現(xiàn)。

[1] 饒運清，李培根，李淑霞，等.制造執(zhí)行系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21(6):1011－1016.

[2] 饒運清，劉世平，李淑霞，等.敏捷化車間制造執(zhí)行系統(tǒng)研究[J].中國機(jī)械工程，2002，13(8):654－656.

[3] 張士杰，王成恩，張福順，等.基于組件的可重構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10(4):422－426.

[4] 周華，劉民，吳澄.基于代理的可重構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2005，11(6):776－780.

[5] Blanc P，Demongodin I，Castagna P.A holonic approach for manufacturing execution system design:An industrial application[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence，2008，21(3):315－330.

[6] 曹江輝，王寧生，解放，等.基于CORBA的制造執(zhí)行系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，34(4):336－341.

[7] 劉曉冰，蒙秋男，馬躍，等.基于軟組件的制造執(zhí)行系統(tǒng)的實現(xiàn)策略[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9(11):1012－1017.

[8] 饒運清，朱傳軍，張超勇，等.支持網(wǎng)絡(luò)化制造的車間資源集成與執(zhí)行系統(tǒng)[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9(12):1120－1125.

[9] 王軍強(qiáng)，孫樹棟，司書賓，等.組件化和集成化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12(2):132－239.

[10] 王軍強(qiáng)，孫樹棟，韓光臣，等.基于組件的可集成車間生產(chǎn)BOM管理系統(tǒng)[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12(4):609－615.

[11] 劉曉冰，蒙秋男，黃學(xué)文，等.基于軟構(gòu)件的柔性制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺的研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9(2):101－106.

[12] 程志倫，范玉青.鋼鐵企業(yè)基于組件的柔性制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13(3):490－496.

[13] 張毅坤，鄧晶晶，楊凱峰.基于組件的柔性制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件集成測試研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13(10):1958－1963.

[14] 李德芳，張朝俊，蔣白樺，等.面向流程企業(yè)的可配置MES體系結(jié)構(gòu)[J].化工學(xué)報，2010，61(2):352－358.

[15] Rolon M，Martinez E.Agent－based modeling and simulation of an autonomic manufacturing execution system[J].Computers in Industry，2012，63(1):53－78.

[16] M Rolon，E Martinez.Agent learning in autonomic manufacturing execution systems for enterprise networking[J].Computers ＆Industrial Engineering，2012，63(4):901－925.

[17] Valckenaers P，Brussel H Van.Holonic manufacturing execution systems[J].CIRP Annals－Manufacturing Technology，2005，54(1):427－432.

[18] 張映鋒，趙曦濱，孫樹棟，等.一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18(12):2634－2642.

[19] 肖體梁.基于物聯(lián)網(wǎng)的線纜企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)研究及設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué)，2011.