基于MES組態(tài)電鍍車間管理系統(tǒng)設計

杜 斌，王 殿

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

隨著電鍍市場競爭的日益激烈，生產(chǎn)工藝流程越來越復雜，以及電鍍產(chǎn)品呈現(xiàn)出小批量多品種的態(tài)勢，這就需要電鍍企業(yè)在生產(chǎn)設備、車間管理、信息技術等方面達到更高層次的自動化、智能化。但就我國電鍍生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀來看，在電鍍生產(chǎn)自動化方面，主要采用PLC 或PC 機控制，也存在著自動化功能單一，沒有充分利用工業(yè)控制PLC 技術、計算機網(wǎng)絡技術、設備通訊技術等；而在電鍍車間數(shù)字化控制方面也僅僅局限于對工藝工序設置存儲和對生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的監(jiān)控、采集、存儲、瀏覽層次，并不能夠滿足對生產(chǎn)質量、生產(chǎn)管理要求較高企業(yè)的需求。因此，企業(yè)的上層管理系統(tǒng)（MEP/ERP）由于缺乏生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和現(xiàn)場作業(yè)的實時監(jiān)控，難以緊密聯(lián)系車間環(huán)境，和車間的生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的矛盾日益突出，因此，MEP/ERP 無法有效的指導車間生產(chǎn)作業(yè)。

據(jù)此，美國的IT 咨詢公司AMR 首次提出制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的概念，它是企業(yè)中面向車間的生產(chǎn)管理技術，利用實時準確的數(shù)據(jù)指導、響應并及時反饋給車間發(fā)生的各項活動，對車間變化條件做出快速反應，努力減少非增值活動，以最終達到高效的車間生產(chǎn)為目標。該系統(tǒng)可以提高庫存周轉期，增加毛利率，提高資金的使用效益，操作設備的回報，做到準時交付；而且MES 系統(tǒng)通過對信息層和物理層雙向的通信，實現(xiàn)了在生產(chǎn)活動中的信息監(jiān)視一體化，它對生產(chǎn)方式、管理方式，組織結構有重要影響。

本文依據(jù)企業(yè)的實際生產(chǎn)需求，從電鍍行業(yè)生產(chǎn)特點出發(fā)，研發(fā)出一套在電鍍企業(yè)能夠實際應用的電鍍車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)（Electroplating Product Workshop Management System，EPM），該系統(tǒng)通過采用網(wǎng)絡技術、先進制造技術、車間現(xiàn)場總線技術和PLC 控制技術等相關技術，實現(xiàn)電鍍生產(chǎn)過程的自動化管理和自動化控制。

1 系統(tǒng)總體設計

EPM 系統(tǒng)通過接口實現(xiàn)對電鍍過程中采集信息的集中處理，對電鍍處理過程進行計劃與調度，對物料與車間工裝設備等資源進行跟蹤管理，并對生產(chǎn)制造過程中的計劃進度、物流、資源進行狀態(tài)跟蹤，實現(xiàn)電鍍車間生產(chǎn)過程的信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化。

1.1 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)現(xiàn)有電鍍生產(chǎn)管理的特點和存在的實際問題，通過對EPM 功能進行分析，提出了系統(tǒng)的三層結構，即企業(yè)資源計劃（ERP）、電鍍車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)（EPM）、過程控制系統(tǒng)（PCS）。其中，ERP 系統(tǒng)主要進行生產(chǎn)決策和生產(chǎn)計劃，以及生產(chǎn)工藝的編制和優(yōu)化。EPM 主要負責電鍍車間作業(yè)計劃的制定、鍍液管理、工藝管理、生產(chǎn)加工，并且負責生產(chǎn)進度監(jiān)控、生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控、統(tǒng)計車間物料使用信息和加工成品的質檢信息。PCS 系統(tǒng)負責電鍍生產(chǎn)加工的過程控制，采集生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)，并對加工過程中的異常進行初步處理。

ERP 系統(tǒng)和EPM 系統(tǒng)之間通過車間局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，EPM 系統(tǒng)和PCS 系統(tǒng)通過車間現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。生產(chǎn)管理系統(tǒng)結構體系如圖1所示。

圖1 EPM 系統(tǒng)總體框架圖

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)絡部署設計

EPM 系統(tǒng)是基于服務器計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個車間管理系統(tǒng)所有功能和報告的核心部件，服務器計算機依靠以太網(wǎng)和歐姆龍PLC、操作終端進行通訊。主系統(tǒng)將會裝備一臺打印機，放置于控制室，它將通過以太網(wǎng)連接到主系統(tǒng)。車間內(nèi)生產(chǎn)線上各個槽位分布控制器通過以太網(wǎng)與主計算機連接。

由于EPM 系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的共享是通過系統(tǒng)授權管理實現(xiàn)的。電鍍生產(chǎn)車間管理系統(tǒng)（EPM）的網(wǎng)絡架構圖如圖2所示。

圖2 EPM 系統(tǒng)網(wǎng)絡部署圖

1.3 系統(tǒng)可擴展性設計

EPM 系統(tǒng)具有在橫向與縱向的擴展能力，該系統(tǒng)在不影響到現(xiàn)有模塊運行的基礎上添加或刪除功能模塊，使其具有平滑擴展的能力，而且各個模塊既可以進行分布式運行，也可以進行集中式運行；在系統(tǒng)軟件中也具有可伸縮性、靈活性；在系統(tǒng)通訊方面提供了統(tǒng)一標準接口，從而實現(xiàn)對接口的統(tǒng)一管理。

2 電鍍車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 電鍍車間管理系統(tǒng)架構

圖3所示為電鍍車間系統(tǒng)架構。

2.2 電鍍車間管理系統(tǒng)邏輯架構

電鍍車間的管理與控制由三個層次的控制結構組成，如圖4所示。各個控制結構之間，分工明確，各具不同功能，但又互相聯(lián)系，在網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持下，實現(xiàn)EPM 的功能。

（1）生產(chǎn)管理層：主要完成生產(chǎn)任務的接受與協(xié)調、電鍍處理計劃的編制與任務進度跟蹤查詢等；

（2）制造計劃層：主要完成生產(chǎn)計劃的編制、關鍵工序節(jié)點計劃的編制、生產(chǎn)進度的控制與跟蹤、生產(chǎn)作業(yè)與裝配作業(yè)計劃的編制、物料的配套、零件的加工與裝配；

（3）計劃執(zhí)行層：主要完成生產(chǎn)派工、生產(chǎn)現(xiàn)場的管理、零部件處理信息和完工信息的采集、在制品跟蹤、質量檢測等。

2.3 電鍍車間管理系統(tǒng)功能結構

通過對EPM 系統(tǒng)功能需求進行分析，其主要表現(xiàn)在實現(xiàn)電鍍車間安全高效生產(chǎn)的基礎上對生產(chǎn)流程進行優(yōu)化，實時控制和管理從生產(chǎn)計劃下達到電鍍生產(chǎn)車間到生產(chǎn)計劃加工完成的全過程，實現(xiàn)電鍍生產(chǎn)過程的合理調控，從而提高產(chǎn)品質量，降低生產(chǎn)成本，完成生產(chǎn)計劃。車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如圖5所示。

圖3 EPM 系統(tǒng)架構圖

圖4 EPM 系統(tǒng)邏輯架構圖

3 電鍍車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件結構設計

3.1 軟件總體結構

圖6所示為軟件系統(tǒng)的結構。

3.2 軟件系統(tǒng)模式

C/S（Client/Server）系統(tǒng)模式，也稱為局域PC機與局域網(wǎng)絡應用服務器之間相互融合的系統(tǒng)模式。該系統(tǒng)程序可以通過系統(tǒng)模式體系結構中的兩端硬件環(huán)境優(yōu)勢，將對應的任務在局域客戶PC機與局域網(wǎng)絡應用服務器之間進行合理的分配，從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)中各個模塊的功能，同時降低了軟件系統(tǒng)的內(nèi)存開銷。

圖5 EPM 系統(tǒng)功能結構圖

圖6 EPM 系統(tǒng)軟件結構圖

B/S（Browser/Server）系統(tǒng)模式，也稱為網(wǎng)絡瀏覽器Web 與網(wǎng)絡應用服務器之間相融合的系統(tǒng)模式。通過對現(xiàn)有的C/S 系統(tǒng)模式中各個模塊的改進而產(chǎn)生的一種新型的網(wǎng)絡系統(tǒng)模式。

通過上述對B/S 和C/S 系統(tǒng)模式的認識、理解，可以采用在同一網(wǎng)絡環(huán)境之下把C/S 模式和B/S 模式進行最大程度地融合，做到任何一個數(shù)據(jù)變化都能夠使在B/S 和C/S 系統(tǒng)模式下所有客戶端數(shù)據(jù)的同步調整。其根本方法是把這兩種模式連接到同一數(shù)據(jù)庫中，再以數(shù)據(jù)聯(lián)動的方式實現(xiàn)兩種模式下的數(shù)據(jù)同步。EPM 系統(tǒng)混合模式結構圖如圖7所示。

3.3 軟件系統(tǒng)運行流程

通過對EPM 系統(tǒng)流程的運作模式進行分析、理解，發(fā)現(xiàn)目前電鍍車間管理中流程環(huán)節(jié)中的一些問題，并對這些問題進行了研究、分析，提出了相應的解決方案。通過對解決方案的研究、討論，可以得到在EPM 系統(tǒng)中的運行流程圖，見圖8所示。

3.4 軟件系統(tǒng)各功能模塊

圖7 EPM 系統(tǒng)混合模式結構圖

EPM 系統(tǒng)能實現(xiàn)多種控制和監(jiān)控功能，包括電流監(jiān)控、溫度監(jiān)控、綜合查詢、報表打印、物件序號與工藝配方的跟蹤功能等。

3.4.1 系統(tǒng)與用戶管理功能

在登陸界面中，用戶憑借用戶名和密碼登錄EPM 系統(tǒng)。系統(tǒng)設有多級操作權限控制，通過權限控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的訪問控制和信息共享，提高系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的安全性；對使用本系統(tǒng)的用戶角色及其所具有的權限可以進行定義、修改、查詢、刪除等功能；對用戶登錄系統(tǒng)時的狀態(tài)、登錄系統(tǒng)后的操作進行實時錄入，目的是增強對系統(tǒng)進行問題追溯的能力。

圖8 EPM 系統(tǒng)運行流程圖

3.4.2 生產(chǎn)計劃編制管理功能

生產(chǎn)計劃編制管理功能是生產(chǎn)計劃員錄入每天安排的電鍍?nèi)蝿铡㈦婂児ぜ蛱?、?shù)量、次數(shù)、銅管的基本屬性等方面的信息。同時，在錄入電鍍工件基本信息后，系統(tǒng)將會自動生成一個條形碼，該條形碼是唯一與工件進行匹配的。車間電子看板通過讀取生產(chǎn)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)狀況和計劃等重要信息以電子看板方式簡潔明了、動態(tài)方式顯示在大屏幕和電腦上。

3.4.3 物料基礎數(shù)據(jù)管理功能

物料基礎數(shù)據(jù)管理功能是完成對電鍍工件基礎數(shù)據(jù)信息的管理，對生產(chǎn)過程中所涉及到電鍍工件的基本屬性數(shù)據(jù)（包括工件的序號（主字段）、條形碼、通關上下口尺寸、弧度、R 角大小、長度等）進行定義、修改、維護與查詢。電鍍工件的基本信息首先應導入到MES 系統(tǒng)中，然后由生產(chǎn)計劃管理人員根據(jù)實際生產(chǎn)需要添加一些計劃編制與管理所需的分類、規(guī)則等方面的信息。

3.4.4 工藝技術參數(shù)設定管理功能

工藝技術參數(shù)管理：在計劃員下達生產(chǎn)任務的同時，技術工藝人員必須對該電鍍工件在各個槽內(nèi)的工藝參數(shù)進行設定，包括：反解電流密度和時間、電鍍電流密度和電鍍時間、整流器給電方式、溫度控制以及相關外設等。

3.4.5 工藝技術外設管理功能

溫度設置界面：單擊導航按鈕“溫度設置”，進入溫度監(jiān)控界面。實時顯示整條生產(chǎn)線中各個工位槽內(nèi)溫度當前值?？稍O置修改各工藝槽的溫度報警高限、低限。通過控件可顯示各工藝槽的溫度歷史曲線。

整流器控制界面：可對各整流器進行監(jiān)控?？刹榭椿驈臀桓鞴に嚥鄣陌矔r累計值、電流密度、給電方式等。通過控件可查詢各整流器的電流電壓輸出曲線。

4 結 論

本文通過對該電鍍車間管理系統(tǒng)（EPM）的硬件模塊和軟件模塊的設計，實現(xiàn)了基于MES 組態(tài)的電鍍車間管理系統(tǒng)的研發(fā)，并將該系統(tǒng)運行到實際生產(chǎn)測試中。該EPM 系統(tǒng)在實際電鍍生產(chǎn)控制中運行良好，能夠穩(wěn)定的進行數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸，并達到理想的采樣精度。經(jīng)多條大中型電鍍、磷化自動化生產(chǎn)線的實際應用，運行可靠，提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度，并且提高了產(chǎn)品質量。該系統(tǒng)可廣泛應用于需進行電鍍車間管理系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡的設計中，有比較好的發(fā)展前景。

[1]張勝濤著.電鍍工藝及其應用[M].北京：中國紡織出版社，2009.

[2]趙迎春.基于PLC 的自動化電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].中國高新技術企業(yè)，2009(9)：10.

[3]劉軼斐.基于MES 的煉鐵廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)應用研究[D].大連理工大學碩士學位論文，2005.