鋁型材擠壓車間MES系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)*

梁永宏，殷進(jìn)春（廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣東廣州510070）

鋁型材擠壓車間MES系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)*

梁永宏，殷進(jìn)春
（廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣東廣州510070）

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）可有效提升鋁型材擠壓車間的生產(chǎn)管理水平。結(jié)合鋁型材擠壓工藝，針對擠壓車間生產(chǎn)管理存在的問題，提出了擠壓車間的MES系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種適用鋁型材行業(yè)的MES系統(tǒng)架構(gòu)，闡述了MES系統(tǒng)下的車間作業(yè)流程，并對軟件功能模塊進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。對系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，并對系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行了展望。

制造執(zhí)行系統(tǒng)；鋁型材；擠壓車間；MES

0　前言

鋁型材是指鋁棒通過熱熔擠壓加工，從而得到不同截面形狀的鋁材料，目前主要包括建筑型材和工業(yè)型材，型材是鋁加工主要產(chǎn)品類型，目前的占比在50%左右。我國國民經(jīng)濟(jì)和高新技術(shù)的穩(wěn)定、持續(xù)、快速發(fā)展，促使我國鋁型材加工業(yè)發(fā)展十分迅速。近些年，由于科技的進(jìn)步和行業(yè)競爭的加劇，鋁型材生產(chǎn)企業(yè)不斷推出新的品種，部分企業(yè)產(chǎn)品種類可達(dá)上千種。

鋁型材加工過程中，擠壓是型材成形的主要手段。其核心工藝包括以下過程：

（1）模具準(zhǔn)備：先根據(jù)型材產(chǎn)品斷面設(shè)計(jì)、制造出模具，生產(chǎn)前模具在模具加熱爐中需要預(yù)熱到足夠長的時(shí)間；

（2）鋁棒加熱：將鋁棒在加熱機(jī)中加熱到指定的溫度；

（3）擠壓：利用擠壓機(jī)將加熱好的圓鋁棒從模具中擠出成形；

（4）風(fēng)冷：在擠壓時(shí)還用一個(gè)風(fēng)冷淬火過程及其后的人工時(shí)效過程，以完成熱處理強(qiáng)化。

在整個(gè)生產(chǎn)過程中，有上百個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)可對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生重要影響。鋁型材擠壓車間一般包含多條產(chǎn)線，每條線包含多臺主生產(chǎn)設(shè)備。這些主生產(chǎn)設(shè)備價(jià)值昂貴，都擁有各自的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)之間相互獨(dú)立。

目前很多鋁型材加工企業(yè)的車間管理仍然較為粗放。以擠壓車間為例，工人依據(jù)紙質(zhì)的生產(chǎn)指令和產(chǎn)品工藝要求，在一系列加工設(shè)備上依序手工設(shè)置主要的工藝參數(shù)，并人工記錄相應(yīng)的生產(chǎn)過程，包括換型時(shí)間、產(chǎn)量、實(shí)時(shí)參數(shù)、能耗等數(shù)據(jù)，再由統(tǒng)計(jì)人員匯總分析。在生產(chǎn)過程中，很難確保工人按工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，工人很容易出現(xiàn)操作錯(cuò)誤（如參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、模具拿錯(cuò)等）；當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，通過手工填寫的紙質(zhì)生產(chǎn)記錄很難準(zhǔn)確判斷造成產(chǎn)品質(zhì)量問題的根本原因。管理人員難以了解現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)度情況，生產(chǎn)報(bào)表只能依靠專人整理匯總，生產(chǎn)數(shù)據(jù)很難跟其他相關(guān)部門共享[1]。在擠壓生產(chǎn)中，比較注重設(shè)備績效的充分利用和生產(chǎn)工藝的持續(xù)改進(jìn)，但由于缺乏對設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的連續(xù)記錄，很難對工藝的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為聯(lián)系計(jì)劃層和控制層的紐帶[2]，非常適合解決車間層面生產(chǎn)管理問題?；诖?，開發(fā)一個(gè)結(jié)合擠壓工藝特點(diǎn)、架構(gòu)良好的MES系統(tǒng)，將可有效改善擠壓車間生產(chǎn)管控。

1　系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

基于此，鋁型材擠壓車間MES系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)包括：

（1）產(chǎn)品工藝參數(shù)的集中控制；

（2）車間生產(chǎn)計(jì)劃的管理；

（3）加工過程的透明管控；

（4）生產(chǎn)能耗的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)；

（5）利用看板實(shí)現(xiàn)目視化管理；

（6）生產(chǎn)異常的實(shí)時(shí)呼叫與預(yù)警；

（7）設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

（8）權(quán)限控制；

（9）生產(chǎn)歷史的自動記錄及績效分析。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

基于以上系統(tǒng)目標(biāo)和作業(yè)流程，整個(gè)擠壓車間MES系統(tǒng)采用工業(yè)光纖以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)，以保證數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)架構(gòu)參照ISA95標(biāo)準(zhǔn)[3]，以保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性，其中MES系統(tǒng)直接經(jīng)防火墻與ERP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向交互，和底層的設(shè)備控制系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)協(xié)議進(jìn)行通訊。

整個(gè)系統(tǒng)的硬件和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要應(yīng)包含以下幾部分：

（1）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：主要利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲[4]；

（2）應(yīng)用服務(wù)器：運(yùn)行后臺處理程序，管理遠(yuǎn)程客戶端鏈接，實(shí)現(xiàn)MES核心應(yīng)用邏輯。同時(shí)提供Web服務(wù)，供遠(yuǎn)程辦公電腦經(jīng)防火墻訪問查詢報(bào)表及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；

（3）監(jiān)控電腦及電視機(jī)大屏：用于集中監(jiān)視現(xiàn)場所有生產(chǎn)線的任務(wù)完成情況、實(shí)際參數(shù)、報(bào)警情況等；

（4）短信發(fā)送裝置：用于以短信方式發(fā)送各種實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)；

（5）生產(chǎn)線現(xiàn)場操作站：在每條擠壓線旁，設(shè)置相應(yīng)的現(xiàn)場操作站點(diǎn)，現(xiàn)場操作站應(yīng)配置為工業(yè)觸摸屏電腦，并與底層的模具加熱系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)、擠壓機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)和能源采集系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

（6）LED看板：用于顯示匯總生產(chǎn)信息。

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3　作業(yè)流程設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)作為管理信息系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和現(xiàn)場的作業(yè)流程密切相關(guān)。實(shí)施MES后的擠壓作業(yè)主體流程說明如下：

（1）ERP系統(tǒng)將工單和工藝數(shù)據(jù)自動下載到MES系統(tǒng)；

（2）生產(chǎn)管理人員對生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行排訂，審核后下達(dá)計(jì)劃；

（3）在生產(chǎn)線觸摸屏電腦上，操作員登錄系統(tǒng)，選擇分配的生產(chǎn)工單，系統(tǒng)調(diào)出相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)開始生產(chǎn)；

（4）系統(tǒng)通過與底層PLC聯(lián)動，設(shè)定相應(yīng)的生產(chǎn)加工參數(shù)；

（5）系統(tǒng)監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程，可以記錄各種加工參數(shù)等，并進(jìn)行報(bào)警提示；

（6）系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

（7）當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)異常時(shí)，工人可以進(jìn)行呼叫；

（8）管理人員可以在后臺監(jiān)視各條擠壓線的總體生產(chǎn)狀況；

（9）系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)批次跟蹤，產(chǎn)生各種生產(chǎn)報(bào)表。

4　軟件功能實(shí)現(xiàn)

基于以上的生產(chǎn)管理流程，整個(gè)系統(tǒng)的軟件包含以下一些功能模塊。

4.1工藝參數(shù)管理

工藝參數(shù)管理模塊將針對產(chǎn)品和原料材質(zhì)，把擠壓線的工藝參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中完整地管理起來?？紤]到具體設(shè)備的測量偏差，系統(tǒng)由工藝人員負(fù)責(zé)管理某工序的通用參數(shù)，而設(shè)備管理人員針對不同設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)偏差值。如圖2所示。

圖2　工藝參數(shù)設(shè)置示意圖

4.2生產(chǎn)計(jì)劃管理

MES直接通過與ERP系統(tǒng)的接口，獲得擠壓車間的周生產(chǎn)計(jì)劃。車間計(jì)劃人員跟據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)能和生產(chǎn)實(shí)際情況完成每條擠壓線的日計(jì)劃排定，排好的工單數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)訂單號、型號、料號、排產(chǎn)量、優(yōu)先級、計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間等信息。

通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)將反饋每個(gè)工單的實(shí)時(shí)進(jìn)度和預(yù)計(jì)完成時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)ERP中生產(chǎn)計(jì)劃與現(xiàn)場設(shè)備的直接銜接。

4.3生產(chǎn)過程管控

如圖3所示，生產(chǎn)過程管控模塊主要包含以下功能。

圖3　生產(chǎn)過程管控示意圖

（1）工單執(zhí)行與工藝參數(shù)下載

工人在現(xiàn)場的觸摸屏電腦查看并瀏覽工單，調(diào)整工單順序，并選擇啟動工單。系統(tǒng)將相應(yīng)工單對應(yīng)的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)直接下載到設(shè)備PLC。系統(tǒng)針對工單順序，對模具的加熱等準(zhǔn)備工作可進(jìn)行提示。

（2）工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視

系統(tǒng)提供圖形化的界面，供工人在現(xiàn)場了解當(dāng)前工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)值與目標(biāo)值的差異。系統(tǒng)對工藝參數(shù)的超限與差異，提供必要的報(bào)警。

（3）設(shè)備效率實(shí)時(shí)監(jiān)視

系統(tǒng)通過與擠壓機(jī)的數(shù)據(jù)接口，獲得當(dāng)前工單和模具的實(shí)時(shí)產(chǎn)量。系統(tǒng)可真實(shí)記錄每個(gè)鋁棒的加載時(shí)間、有效擠壓時(shí)間，并與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍進(jìn)行比對，實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)備節(jié)拍和預(yù)計(jì)完成時(shí)間。

（4）模具管理

系統(tǒng)對每個(gè)模具提供唯一的編號，對模具的加熱開始、結(jié)束時(shí)間、加熱溫度進(jìn)行記錄，確保模具加熱按要求進(jìn)行。

（5）班組工時(shí)管理

現(xiàn)場的員工工時(shí)及交接班活動，在系統(tǒng)中也將詳細(xì)記錄。

（6）呼叫管理

在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)各種異常，需要有相應(yīng)的處理機(jī)制快速響應(yīng)。由于擠壓車間的噪聲較大，系統(tǒng)采用手機(jī)短信方式來快速通知相應(yīng)管理人員盡快處理。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障、質(zhì)量缺陷、物料短缺等不同類型的異常時(shí)，工人在現(xiàn)場的觸摸屏電腦選擇缺陷類型，相應(yīng)的手機(jī)短信會馬上發(fā)送到相應(yīng)的管理人員，同時(shí)系統(tǒng)記錄整個(gè)過程。

4.4生產(chǎn)用能管控

通過全電量監(jiān)測（包括電壓、電流、電量、功率因素等）和采集水、汽實(shí)時(shí)流量和累計(jì)流量，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄能耗數(shù)量。通過將用能與生產(chǎn)過程結(jié)合，可以計(jì)算出多種能耗KPI，為節(jié)能降耗打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.5設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

如圖4所示，該模塊主要以車間生產(chǎn)門戶網(wǎng)頁的方式，直觀顯示一些重要的生產(chǎn)參數(shù)，供管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控所有生產(chǎn)線的生產(chǎn)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)透明化。具體來說，這些參數(shù)可包括設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視（運(yùn)行、故障等）、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)顯示（例如：節(jié)拍、線速等）。

圖4　設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控示意圖

4.6LED看板

現(xiàn)場大屏可以直觀顯示本擠壓線的計(jì)劃任務(wù)數(shù)、正在加工的工單、工單完成情況、節(jié)拍等生產(chǎn)進(jìn)度信息、通知信息、現(xiàn)場工人的呼叫信息和故障信息等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的目視化管理。

4.7權(quán)限控制

系統(tǒng)的所有操作都需要授權(quán)并被詳細(xì)記錄，權(quán)限根據(jù)需要可以分為多個(gè)級別。

4.8報(bào)表統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)提供多種生產(chǎn)報(bào)表，包括工單進(jìn)度報(bào)表、班組產(chǎn)量報(bào)表、工藝參數(shù)曲線報(bào)表、設(shè)備能耗分析報(bào)表、生產(chǎn)異常報(bào)表、生產(chǎn)節(jié)拍報(bào)表、工藝參數(shù)明細(xì)報(bào)表等。

5　結(jié)束語

本文介紹的鋁型材擠壓車間MES系統(tǒng)，已在某大型鋁型材加工企業(yè)成功試用，系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求?？梢栽诟旧弦?guī)范擠壓工人的現(xiàn)場操作，降低現(xiàn)場差錯(cuò)率，節(jié)約換型時(shí)間，大幅縮短現(xiàn)場生產(chǎn)異常的響應(yīng)時(shí)間，有效提高設(shè)備利用效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量和作業(yè)效率，降低生產(chǎn)能耗?，F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，使管理人員清晰了解車間現(xiàn)場的一線情況，生產(chǎn)調(diào)度更為順暢。

事實(shí)上，本系統(tǒng)雖然主要覆蓋擠壓車間，但系統(tǒng)總體架構(gòu)具有一定的擴(kuò)展性。未來擴(kuò)展到鋁型材其他工序時(shí)，主要的實(shí)施工作將集中在設(shè)備接口和工藝參數(shù)配置方面，而整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)可保持相對穩(wěn)定。

［1］沈怡.淺談MES系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)工作中的應(yīng)用與不足［J］.中國西部科技，2011（04）：27-28.

［2］談劍.制造執(zhí)行系統(tǒng)框架的領(lǐng)域分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（03）：69-70.

［3］賈洪哲，沈英儒.淺析ISA-95和MES系統(tǒng)［J］.中國信息界，2011（01）：63-64.

［4］王雪寒，輦玉玉，姚翠紅，等.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)在生產(chǎn)制造執(zhí)行中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（02）：18-19.

(編輯：阮毅)

Research and Design of MES for Aluminium Profile Extrusion Workshop

LIANG Yong-hong，YIN Jin-chun
（Guangzhou CH Control Technology Co.，Ltd.，Guangzhou510070，China)

Manufacturing Execution System(MES)is an important method to improve management in aluminium profile extrusion workshop.Aimed to themanagement problems in extrusion workshop and combined aluminum extrusion process，put forward themain goalofbuildingMES for extrusionworkshop，designed an architecture forMES，introduced themainworkflow and the software functions. Italsomentioned theactualapplicationsand future development.

manufacturingexecution system；aluminium profile；extrusionworkshop；MES

TP3

A

1009－9492(2015)06－0017－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.004

*廣東省重大科技專項(xiàng)（編號：2012A010800038）

2015－01－09

梁永宏，男，1971年生，湖北襄陽人，碩士。研究領(lǐng)域：軟件工程，制造執(zhí)行系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)。已發(fā)表論文7篇。