壓力變送器制造車間MES的設(shè)計與實現(xiàn)

崔 晨

(上海自動化儀表有限公司，上海 200072)

0 引言

壓力變送器制造車間具有品種多、小批量生產(chǎn)等特點。車間排好生產(chǎn)計劃后，往往根據(jù)經(jīng)驗制定物料需求計劃和領(lǐng)料單，這樣就可能導(dǎo)致物料不夠或浪費。在制品跟蹤過程中，采用紙質(zhì)卡片形式，無法做到流程實時共享；插單現(xiàn)象也容易造成生產(chǎn)管理混亂等。傳統(tǒng)方法缺乏生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的廣度和深度[1]。

制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)的突出特點是優(yōu)化生產(chǎn)過程[2]，協(xié)調(diào)生產(chǎn)任務(wù)。將MES引入企業(yè)壓力變送器的制造車間，可實現(xiàn)制造自動化，從而提高生產(chǎn)力和競爭力[3-4]。

1 壓力變送器車間工藝流程

首先進行半杯體加工、零件清洗、玻璃燒結(jié)、球面磨削、再清洗、真空鍍膜、膜片處理、膜片張緊等，這些工序統(tǒng)稱為電容傳感組件制作；然后對膜盒進行焊接、在膜盒中心位置進行灌油；最后進行膜盒封裝，并貼上二維碼作為標(biāo)志。壓力變送器的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

電路板用于三防處理和溫度測試等。在機械構(gòu)件加工并且檢測合格前提下，進行整機裝配。整機根據(jù)量程范圍進行溫度補償、整機調(diào)試，在所有工序完成后包裝出廠。生產(chǎn)過程中，在每一道工序完成后都會進行半成品檢驗，對不合格品進行統(tǒng)一報廢處置。

2 MES功能模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模塊架構(gòu)

基于壓力變送器車間生產(chǎn)特點設(shè)計的MES主要包括基礎(chǔ)信息管理、生產(chǎn)過程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、查詢和報表管理、可擴展接口等五部分。

基礎(chǔ)信息管理主要用于對登錄系統(tǒng)的用戶進行管理、跟蹤車間設(shè)備信息、對車間內(nèi)物料移動進行計劃監(jiān)視、記錄每天系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新情況等。

MES架構(gòu)如圖2所示。

圖2 MES架構(gòu)圖

生產(chǎn)過程管理中，電容膜盒是壓力變送器重要的檢測元件，相應(yīng)關(guān)鍵工藝參數(shù)都要分步記錄在MES中。溫度補償是保證變送器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測量的前提。為準(zhǔn)確得到各個點的補償值，需要進行裝配、校驗、包裝、統(tǒng)計、質(zhì)量檢測等工作，實時記錄每一批次產(chǎn)品的最終采集信息，嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。

按照生產(chǎn)計劃或訂單需求，生產(chǎn)調(diào)度管理用于對生產(chǎn)運營的整個過程進行協(xié)調(diào)和管理，并對每一環(huán)節(jié)進行更優(yōu)化的排產(chǎn)，控制生產(chǎn)過程中的物料流和庫存。有偏差時，系統(tǒng)及時響應(yīng)和報警。

當(dāng)壓力變送器出現(xiàn)返修時，系統(tǒng)能在盡量不影響當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的同時，在對應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行插入式排產(chǎn)，并對返修過程進行記錄。膜盒的制作周期較長，可以作為半成品進行出入庫管理。通過看板實時顯示車間的生產(chǎn)過程，從而提高加工效率。

查詢和報表管理便于管理員進行記錄追蹤和存檔工作。生產(chǎn)過程中的任一環(huán)節(jié)可作任意級對應(yīng)的關(guān)聯(lián)查詢，并且在一些必要的環(huán)節(jié)設(shè)定報表查詢功能，以便產(chǎn)品跟蹤，實現(xiàn)半成品、成品從原材料、生產(chǎn)加工、裝箱全流程的質(zhì)量信息管控。

2.2 系統(tǒng)模塊流程

MES生產(chǎn)規(guī)劃運行流程如圖3所示。通過企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)或管理員調(diào)度產(chǎn)生訂單和料號，保證訂單數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時防止產(chǎn)生重復(fù)的號碼。采用統(tǒng)一的流程管理，防止生產(chǎn)過程順序錯誤。每個制作環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的半成品系列號條碼，方便進行相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)追蹤，防止因產(chǎn)品不合格造成后續(xù)成本的浪費。

圖3 MES生產(chǎn)規(guī)劃運行流程圖

系統(tǒng)流程精確到每個環(huán)節(jié)的作業(yè)過程。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

通過統(tǒng)一的生產(chǎn)工序管理，在數(shù)據(jù)采集端，利用無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)和條形碼技術(shù)選擇生產(chǎn)任務(wù)[5]，降低輸入錯誤率。每個產(chǎn)品零件上都有唯一條碼，以便系統(tǒng)作關(guān)聯(lián)記錄和統(tǒng)計。

MES能對車間在制品、庫存等全程進行動態(tài)管理和監(jiān)控；能將正在加工的產(chǎn)品名稱、工序號、批次號、編號等信息直接顯示于工位看板。這樣大大減少了工人的工作量。工人完成自己相應(yīng)工序后，相關(guān)數(shù)據(jù)隨即被輸入數(shù)據(jù)庫中并加以保存。當(dāng)車間現(xiàn)場發(fā)生意外情況時，相關(guān)部門迅速得到信息，及時作出調(diào)整，排除事故，使后續(xù)生產(chǎn)順利進行。

3 MES實現(xiàn)方法

3.1 整體思路

MES采用客戶機/服務(wù)器(client/server,C/S)模式。C/S模式具有界面清晰、數(shù)據(jù)實時處理能力強、傳輸速度穩(wěn)定、安全性好等特點，能滿足車間各制造環(huán)節(jié)頻繁地與系統(tǒng)相關(guān)功能模塊通信的要求。系統(tǒng)分為客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫三層。數(shù)據(jù)庫不再與客戶端直接相連，而是通過若干業(yè)務(wù)邏輯構(gòu)建共享數(shù)據(jù)庫，從而減少雙方的連接次數(shù)，提高數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的運行效率和安全性能，也方便系統(tǒng)的維護。

服務(wù)器采用Servlet技術(shù)開發(fā)[6-7]。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用MySQL軟件定義、存儲數(shù)據(jù)。

3.2 客戶端

客戶端使用微軟推出的用戶界面框架(windows presentation foundation，WPF)。它以DirectX為核心繪圖函數(shù)，視覺效果更佳。其外觀使用可擴展應(yīng)用程序標(biāo)記語言(XAML)設(shè)計，操作行為則使用C#語言實現(xiàn)，界面清晰美觀[8]。

根據(jù)系統(tǒng)模塊架構(gòu)和車間工區(qū)劃分情況，將客戶端界面主菜單分為半杯體制作、膜盒制作、傳感頭裝配、溫度補償、總裝、質(zhì)量檢測、生產(chǎn)調(diào)度管理、查詢和報表管理、基本信息管理。菜單需要根據(jù)工區(qū)進行權(quán)限設(shè)置，不同工區(qū)的工人只能對自己的作業(yè)頁面進行操作；管理頁面只對參與相關(guān)管理工作的人員開放權(quán)限。客戶端既支持工人掃描自身工號二維碼登錄，又支持掃描工單自動彈出相關(guān)作業(yè)。

客戶端使用HTTP協(xié)議發(fā)送Request請求給服務(wù)器，待服務(wù)器處理完成準(zhǔn)備進行Response響應(yīng)時，會將響應(yīng)封裝成Json格式回傳給客戶端?？蛻舳耸盏胶髮son包進行解析，并進行相應(yīng)的用戶界面處理?？蛻舳瞬捎肞OST方法推送數(shù)據(jù)至服務(wù)器。

服務(wù)器利用StreamReader類獲取GetRespons-eStream的內(nèi)容，并以StreamReader類的Read方法依次讀取每一行的內(nèi)容直至行尾，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。核心代碼大致如下。

Stream respStream = response.GetResponseStream();

//響應(yīng)信息為Stream

StreamReaderrespStreamReader = new StreamReader(respStream,Encoding.UTF8);

//UTF8解析

byteRead = respStreamReader.Read(cbuffer,0,256);

//解析放入byteRead

respStream.Close();

客戶端會事先和服務(wù)器定義每組Json包的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)形式，然后通過JsonConvert.DeserializeObject(strBuff)反序列化，將收到的Json包進行數(shù)據(jù)解析。解析后的相應(yīng)字段可顯示在客戶端。

3.3 服務(wù)器

服務(wù)器主要用于處理客戶端請求。Servlet工作原理如圖5所示。當(dāng)服務(wù)器響應(yīng)后，把請求轉(zhuǎn)交給Servlet引擎進行處理。如果Servlet中含有訪問數(shù)據(jù)庫的操作，則還要通過Java數(shù)據(jù)庫連接(Java database connectivity，JDBC)驅(qū)動對數(shù)據(jù)庫進行操作訪問，最后Servlet將動態(tài)生成的信息發(fā)送至客戶端[9]。

圖5 Servlet工作原理圖

在一個Servlet周期，要調(diào)用init()方法和destroy()方法。init()方法在javax.Servlet接口中定義，完成初始化工作。初始化后Servlet接受客戶端請求。當(dāng)處理請求完成時，destroy()方法被調(diào)用，釋放init()方法中申請的資源。而Servlet處理請求的流程大致為：Servlet根據(jù)請求創(chuàng)建對象HttpServletRequest和HttpServletResponse，然后調(diào)用doPost()方法響應(yīng)客戶端請求。

HttpServletRequest接口主要包含getCookie()方法和getSession()方法，分別用于存放客戶端的Cookie數(shù)組和獲取當(dāng)前HTTP會話對象。HttpServletResponse接口是對客戶端的HTTP響應(yīng)，其中包含的addCookie()方法和setStatus()方法，分別用于向響應(yīng)結(jié)果中加入Cookie和將響應(yīng)狀態(tài)碼設(shè)定為指定值。此外，Servlet分配1個Session用于存放客戶端的狀態(tài)信息，getId()作為Cookie保存在客戶端中，用于讓Servlet讀取并找到相應(yīng)的狀態(tài)信息。invalidate()可以定期釋放Session占用的資源；setAttribute(name,value)和get Attribute(name)用于讀/寫Session中的屬性值；isNew()用來判斷Session是否為新創(chuàng)建。

服務(wù)器根據(jù)客戶端的請求類型，對系統(tǒng)中的應(yīng)用邏輯進行判斷和處理，并將處理結(jié)果返回給客戶端。

3.4 數(shù)據(jù)庫

MySQL數(shù)據(jù)庫可以運行在不同的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多用戶、多線程、多語言的程序接口[10]。根據(jù)壓力變送器的工藝流程，數(shù)據(jù)庫主要表單名稱及內(nèi)容如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫主要表單名稱及內(nèi)容

表1中：質(zhì)量檢測關(guān)聯(lián)了五大工藝中所有的檢測數(shù)據(jù)；賬號管理則覆蓋了整個MES系統(tǒng)。

五大工藝流程中，各環(huán)節(jié)的批號和編號具有相關(guān)性。膜盒制作由兩個批次相同的半杯體組成；變送器在完成膜盒、電路板等元件組裝后，會根據(jù)出廠編號進行溫度補償和總裝。

MySQL提供了一套JDBC。它由一些類和接口組成，用于實現(xiàn)通信，并訪問、操作數(shù)據(jù)庫，使得開發(fā)和操作數(shù)據(jù)庫可以直接調(diào)用，無需考慮資源內(nèi)部的問題。操作數(shù)據(jù)庫的步驟大致如下。

①加載MySQL的驅(qū)動。

String driver = "com.mysql.jdbc.Driver";

②定義要連接數(shù)據(jù)庫的url地址。

String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/mes_db";

③加載數(shù)據(jù)庫驅(qū)動。

Class.forName(driver);

④調(diào)用DriverManager的getConnection()方法，獲得對象。

conn =(Connection) DriverManager.getConnection(url,用戶名,密碼);

⑤連接完成后，針對數(shù)據(jù)庫操作中不帶參數(shù)的SQL語句，使用Connection接口的createStatement()方法傳遞。

Statement stmt = conn.createStatement();

而對數(shù)據(jù)庫中的表進行插入、更新、查詢、刪除等帶有參數(shù)的操作，使用Connection接口的prepareStatement()方法傳遞。

PreparedStatementpstmt =(PreparedStatement) conn.prepareStatement(“insert、update、select、delete的SQL語句”);

pstmt.setString(1,user.getName());

//對數(shù)據(jù)庫進行操作

inti = pstmt.executeUpdate();

//執(zhí)行insert/update/delete等語句時使用

inti = pstmt.executeQuery();

//執(zhí)行select/update等語句時使用

⑥操作完成后關(guān)閉JDBC對象，釋放所有資源。

4 結(jié)束語

MES實現(xiàn)了壓力變送器制造車間的信息共享，將制造計劃與實際生產(chǎn)相結(jié)合，提高了生產(chǎn)設(shè)備的利用率和企業(yè)的管理效率，實現(xiàn)了車間管理流程的信息化。系統(tǒng)既具有簡單實用、可配置性強、界面簡潔等特點，還具有一定的擴展性。該系統(tǒng)為企業(yè)實現(xiàn)信息化制造、信息化管理和提高自身競爭力提供了一定的參考。

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