基于MES的智能制造系統(tǒng)設(shè)計

趙 振，葉佩青

(1.山東職業(yè)學(xué)院 鐵道機車與機電裝備系，濟南 250104；2.清華大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京 100084)

0 引言

企業(yè)的生產(chǎn)制造過程由于缺少相應(yīng)的信息集成系統(tǒng)，現(xiàn)場的自動化加工設(shè)備還處于單機工作模式，形成所謂的“自動化孤島”。智能制造的概念，不能局限于生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備自動化，提高生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的效率顯得更為重要。在我國，MRPII、MIS己逐漸趨于成熟與普及，而面向制造執(zhí)行層的MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))軟件在開發(fā)與應(yīng)用方面還比較薄弱。通過MES來實現(xiàn)企業(yè)信息的全集成，形成實時化的ERP、MES、SFC是提高企業(yè)整體管理水平的關(guān)鍵，這對企業(yè)制造業(yè)整體水平的提升具有重要意義。由于MES是一項大型管理系統(tǒng)，模塊眾多且價格高昂，一般中小型企業(yè)難以接受。本文從MES的基本概念出發(fā)，針對MES的部分功能模塊，設(shè)計開發(fā)了技術(shù)先進、功能完善且成本較低的智能制造管理系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件配置及組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)配置

整個系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信；智能終端可采用工業(yè)PAD，可移動式的人員操作更加便捷靈活；通過PAD實現(xiàn)生產(chǎn)訂單的設(shè)置和生產(chǎn)任務(wù)的查詢。ERP和MES系統(tǒng)，根據(jù)智能終端生成的訂單下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)給智能制造單元，收集智能制造單元生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行情況。智能制造單元為現(xiàn)場設(shè)備，根據(jù)服務(wù)器下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，將原料加工為產(chǎn)品，將生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)和設(shè)備工況實時上傳給服務(wù)器；每個制造單元旁可配置一臺工控機，該電腦用于實現(xiàn)和服務(wù)器及控制PLC通信。MES系統(tǒng)會實時將平臺信息傳輸?shù)皆品?wù)器，電子看板或移動終端利用移動互聯(lián)網(wǎng)對云數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進行圖形化、表格化顯示，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的生產(chǎn)運行過程

2.1 訂單的定義

假定智能制造單元能夠進行金屬、白色塑料、黑色塑料3種原材料的加工，3種材料組合成6種產(chǎn)品。產(chǎn)品1為一份金屬材料，產(chǎn)品2為白色塑料材料，產(chǎn)品3為一份黑色塑料材料，產(chǎn)品4為一份金屬材料和一份黑色塑料的組合，產(chǎn)品5為一份金屬材料和一份白色塑料的組合，產(chǎn)品6為一份白色塑料和一份黑色塑料的組合?？蛻粲唵蔚男畔⒅饕ㄓ唵翁?、該訂單所需產(chǎn)品的種類、數(shù)量等，由于可以同時下多個訂單，所以還需要設(shè)定每個訂單的優(yōu)先級，即加工順序，訂單樣式如表1所示。

表1 客戶訂單樣式

2.2 下單及生產(chǎn)

設(shè)備在啟動生產(chǎn)之前，客戶通過手持智能終端(即工業(yè)PAD)設(shè)置訂單，訂單設(shè)置界面如圖2所示?？蛻舾鶕?jù)需要設(shè)置完成后，通過以太網(wǎng)下載訂單。MES系統(tǒng)將訂單數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場設(shè)備控制器，即工控機和PLC，這時PAD跳轉(zhuǎn)至設(shè)備運行監(jiān)控界面，如圖3所示。通過操作該界面，可以對生產(chǎn)設(shè)備進行啟動、停止、急停等操作，還可以實時觀察設(shè)備運行過程中的狀態(tài)顯示及加工數(shù)據(jù)。

圖2 訂單設(shè)置界面

圖3 設(shè)備生產(chǎn)過程監(jiān)控界面

當(dāng)按下界面中的“生產(chǎn)”按鈕時，設(shè)備啟動運行，按照訂單任務(wù)要求，從料倉中取不同的原料進行生產(chǎn)加工。運行流程大致如下：

① 設(shè)備自檢是否在初始狀態(tài)，若當(dāng)前不在初始狀態(tài)則自動復(fù)位。

② 按照訂單中產(chǎn)品編號順序，抓取單元分別從不同的料倉中取料，由傳送帶將原料送至加工單元進行加工。

③ 當(dāng)前訂單完成后，自動進行下一訂單的生產(chǎn),待所有訂單加工完成后，設(shè)備停止。

在生產(chǎn)過程中，若按下觸摸屏上的“停止”按鈕，則完成當(dāng)前產(chǎn)品加工后設(shè)備停止。設(shè)備停止后，若按下“生產(chǎn)”按鈕，設(shè)備繼續(xù)原來的生產(chǎn)過程。若生產(chǎn)過程中按下觸摸屏上的“急?！卑粹o，表示工作人員需對設(shè)備進行緊急調(diào)試或設(shè)備有意外狀況發(fā)生，系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)在完成當(dāng)前動作后停止；當(dāng)再次按下“急?！卑粹o后，系統(tǒng)繼續(xù)運行。

生產(chǎn)過程中，訂單信息和生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)由MES軟件與現(xiàn)場PLC進行數(shù)據(jù)交換，對PLC內(nèi)部的寄存器單元進行讀寫，如表2中列出了PLC內(nèi)部部分寄存器的定義。MES系統(tǒng)將采集到的過程數(shù)據(jù)實時上傳至智能終端PAD或電子看板。例如在PAD界面上可顯示當(dāng)前訂單編號、每種產(chǎn)品已完成加工的數(shù)量、加工的開始時間及耗時、以及顯示設(shè)備狀態(tài)的各種指示燈等信息，如圖3所示。

表2 PLC部分寄存器定義

2.3 產(chǎn)品入庫管理

加工完成的產(chǎn)品將由搬運機構(gòu)抓取入庫，在入庫前，需要為每種產(chǎn)品生成電子標簽，并由RFID射頻模塊將標簽數(shù)據(jù)寫入零件內(nèi)的芯片，后續(xù)工位可通過讀寫產(chǎn)品RFID標簽來完成生產(chǎn)線零部件監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等工作。產(chǎn)品信息的寫入和讀出在智能終端PAD的操作界面上執(zhí)行，同時數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)實時上傳到MES系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與記錄，達到與上層資源管理系統(tǒng)、客戶的數(shù)據(jù)共享。

電子標簽的數(shù)據(jù)格式為十六進制，數(shù)據(jù)內(nèi)容可根據(jù)需要進行設(shè)定，例如表3所示。該數(shù)據(jù)樣例包括產(chǎn)品所屬訂單號、改產(chǎn)品類型的編號、生產(chǎn)日期(2018年12月10日)、入庫日期(12月11日)、存入倉儲的位置編號等。若數(shù)據(jù)量信息較大，則依次存入后續(xù)字節(jié)中。

表3 寫入電子標簽的數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

通過建立MES的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供了一個完整的生產(chǎn)管理系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)過程控制緊密集成的解決方案，提升企業(yè)的自動化水平和管理水平，提高企業(yè)的反應(yīng)速度和競爭能力。該系統(tǒng)具體優(yōu)勢如下：

(1)靈活排產(chǎn)。通過以太網(wǎng)同時給所有加工設(shè)備同步下發(fā)訂單任務(wù)，并根據(jù)交貨日期、生產(chǎn)周期、最優(yōu)庫存等不同要求對訂單的優(yōu)先級自動排序。

(2)協(xié)同制造。系統(tǒng)中環(huán)節(jié)信息溝通順暢，實現(xiàn)訂單下發(fā)、倉儲取料、生產(chǎn)加工、檢測識別、分揀入庫等工序協(xié)同管理。

(3)數(shù)據(jù)自動采集。MES使用實時、連續(xù)、自動、完整、精確的數(shù)據(jù)，優(yōu)化了從定單到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)活動，通過對變化情況的快速反應(yīng)，減少了無附加值行為，提高了工廠運行和處理的有效性。

目前該系統(tǒng)已在中小型加工生產(chǎn)企業(yè)、智能倉儲和物流行業(yè)中得到應(yīng)用。該設(shè)計方案的不足之處在于尚未涉及到系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)安全性體現(xiàn)在物理設(shè)備安全性、網(wǎng)絡(luò)安全性、數(shù)據(jù)庫安全性、計算機病毒的防范等方面，今后還需進一步完善和優(yōu)化。