面向整車(chē)生產(chǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏 磊，周鵬飛，薛春雷，朱健君

（中汽研汽車(chē)工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

作為制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主攻方向，智能制造發(fā)展水平關(guān)乎未來(lái)制造業(yè)的全球地位，對(duì)于加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，鞏固壯大實(shí)體經(jīng)濟(jì)根基，構(gòu)建新發(fā)展格局，建設(shè)數(shù)字中國(guó)具有重要作用[1]。數(shù)字化工廠是智能制造的基礎(chǔ)，而數(shù)字化工廠建設(shè)的核心之一是MES（Manufacturing Execution System,工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)）[2-5]。我國(guó)整車(chē)制造領(lǐng)域MES系統(tǒng)的應(yīng)用雖然只有20多年，但隨著汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈，要實(shí)現(xiàn)保持良好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，MES系統(tǒng)對(duì)企業(yè)降本增效的作用變得不可或缺[6-11]。

數(shù)字時(shí)代背景下，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)同消費(fèi)者的交互渠道更加豐富，碎片化、個(gè)性化的價(jià)值需求進(jìn)一步推動(dòng)著企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式、生產(chǎn)組織、生產(chǎn)技術(shù)的革新[12-13]，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求并支撐大規(guī)模定制成為汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程所面臨的新問(wèn)題。

因此，以新形勢(shì)下汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程管理需求[14]為藍(lán)本，研究總結(jié)面向整車(chē)生產(chǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從總體功能需求、業(yè)務(wù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)技術(shù)棧選擇、集成與部署方案制定、性能測(cè)試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)予以闡釋，為當(dāng)前整車(chē)制造執(zhí)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)參考，也為開(kāi)發(fā)適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模定制化、柔性制造的制造管理系統(tǒng)提供思路[15-16]。

1 系統(tǒng)概述

以某品牌新能源汽車(chē)生產(chǎn)制造為例，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際調(diào)研與研究，梳理焊裝、涂裝、總裝工藝車(chē)間的核心業(yè)務(wù)及制造執(zhí)行系統(tǒng)邊界，總結(jié)明確主要功能需求：

（1）實(shí)現(xiàn)上層計(jì)劃管理與底層工業(yè)控制之間的閉環(huán)管理。

（2）實(shí)現(xiàn)制造質(zhì)量管理信息化、全過(guò)程質(zhì)量跟蹤。

（3）根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行排產(chǎn)和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)信息化，生產(chǎn)過(guò)程可視化。

（4）支持生產(chǎn)裝配柔性、均衡及高效生產(chǎn)運(yùn)作、大批量混線的生產(chǎn)模式。

2 業(yè)務(wù)藍(lán)圖

在生產(chǎn)計(jì)劃方面，ERP（Enterprise Resourse Planning，企業(yè)資源管理系統(tǒng)）形成的生產(chǎn)計(jì)劃一般為一車(chē)一BOM（Bill of Material，物料清單）的總裝上線計(jì)劃，無(wú)焊裝和涂裝生產(chǎn)計(jì)劃，可以根據(jù)工作日歷、節(jié)拍、日計(jì)劃產(chǎn)量推算分解出焊裝、涂裝上線計(jì)劃。鎖定后的焊裝計(jì)劃可下發(fā)給焊裝中控系統(tǒng)，包括VIN、車(chē)型、64位碼信息，由焊裝中控下發(fā)分裝線、主焊線的首工位計(jì)劃。MES需要與立體庫(kù)系統(tǒng)對(duì)接，向焊裝立體庫(kù)下發(fā)涂裝生產(chǎn)計(jì)劃、向涂裝立體庫(kù)下發(fā)總裝生產(chǎn)計(jì)劃，包括車(chē)型配置信息和計(jì)劃順序信息；需要在焊接上線、焊接報(bào)交，涂裝上線、涂裝報(bào)交、總裝上線、總裝最終裝配下線等關(guān)鍵工位向ERP上報(bào)工時(shí)；需要進(jìn)行訂單狀態(tài)管理，包括接收、分解、調(diào)序、發(fā)布、取消發(fā)布、下載、焊裝上線、拉出、拉入、報(bào)廢、關(guān)閉等。

在質(zhì)量管理方面，MES提供車(chē)輛制造過(guò)程缺陷標(biāo)準(zhǔn)代碼統(tǒng)一維護(hù)、車(chē)輛質(zhì)量缺陷綁定、關(guān)鍵件精確追溯、質(zhì)量（門(mén)）管理、證書(shū)管理、質(zhì)量報(bào)表自動(dòng)生成、質(zhì)量設(shè)備數(shù)據(jù)采集、其他質(zhì)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能；形成車(chē)輛質(zhì)量設(shè)備檔案、車(chē)輛問(wèn)題檔案、車(chē)輛精確追溯件檔案、證書(shū)檔案等文件。

在設(shè)備管理方面，MES提供設(shè)備清單錄入功能，便于維護(hù)設(shè)備、工具、器具等信息，包括設(shè)備編號(hào)、保養(yǎng)周期、提前通知的周期、需通知的人員名稱和郵件號(hào)等；提供定期保養(yǎng)提醒功能：當(dāng)（當(dāng)前時(shí)間-上次保養(yǎng)完成時(shí)間）大于（保養(yǎng)周期-提前通知的周期）時(shí)，系統(tǒng)推送郵件給相關(guān)人員；維修結(jié)果錄入，包括維修設(shè)備編號(hào)、維修人、時(shí)間、設(shè)備故障的原因、故障解決的方法和更換的零件清單等信息，便于后期責(zé)任追溯和問(wèn)題分析；停機(jī)管理，自動(dòng)采集設(shè)備停線記錄和設(shè)備狀態(tài)（含設(shè)備運(yùn)行、報(bào)警、故障等）。業(yè)務(wù)總藍(lán)圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)總藍(lán)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用模塊化分層架構(gòu)模式，主要分為數(shù)據(jù)層、核心業(yè)務(wù)層、客戶端層、接口服務(wù)層四部分。

（1）數(shù)據(jù)層：包含數(shù)據(jù)庫(kù)配置管理模塊、數(shù)據(jù)歸檔模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)配置管理模塊提供對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)及歷史備份數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化界面，對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)定義、初始化、版本升級(jí)等進(jìn)行全局系統(tǒng)性配置；數(shù)據(jù)歸檔模塊提供對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)遷移等功能。

（2）核心業(yè)務(wù)層：核心服務(wù)器支持集群管理，具備負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移的能力；業(yè)務(wù)模型包括工廠建模、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、制造過(guò)程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等核心模塊。

（3）客戶端層：主要由基于HTML5/CSS3的網(wǎng)頁(yè)客戶端、基于JAVA的安卓客戶端、基于Object C的IOS客戶端組成，方便在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下通過(guò)各類(lèi)便攜式設(shè)備訪問(wèn)。使用J2EE的標(biāo)準(zhǔn)化RMI協(xié)議實(shí)現(xiàn)與核心服務(wù)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)高速的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）接口層：適應(yīng)WebService、Socket、OPC、JMS、定時(shí)任務(wù)接口等多種接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與各類(lèi)外部應(yīng)用或是企業(yè)級(jí)服務(wù)總線ESB進(jìn)行接入，同時(shí)具備二次開(kāi)發(fā)和方便部署的能力。

3.2 開(kāi)發(fā)技術(shù)棧

系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的J2EE三層技術(shù)架構(gòu)模型。用戶訪問(wèn)層提供基于JSF技術(shù)的Web訪問(wèn)、Eclipse技術(shù)的RichClient端、以及基于HTML5的跨平臺(tái)移動(dòng)應(yīng)用APP端。業(yè)務(wù)處理層由Spring框架實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理對(duì)象的管理。對(duì)所有業(yè)務(wù)功能操作的權(quán)限審核、事務(wù)管理和出錯(cuò)處理也由該層實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作、文件處理的封裝。開(kāi)發(fā)技術(shù)棧如圖2所示。

圖2 開(kāi)發(fā)技術(shù)棧

3.3 功能框架

系統(tǒng)構(gòu)建的整體功能框架如圖3所示，主要包括生產(chǎn)計(jì)劃管理、制造過(guò)程管理、車(chē)輛跟蹤與路由控制管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理等五大功能模塊。以生產(chǎn)制造為功能主線，以數(shù)據(jù)接口模塊和車(chē)輛數(shù)據(jù)維護(hù)模塊進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/通信接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、打印管理模塊、流程控制模塊進(jìn)行生產(chǎn)流程與設(shè)備控制，以生產(chǎn)計(jì)劃管理模塊、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)模塊、查詢統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化車(chē)間生產(chǎn)管理與監(jiān)控。

圖3 功能框架

3.4 硬件架構(gòu)

硬件服務(wù)器虛擬化可以節(jié)省成本和提高服務(wù)器硬件資源利用率。生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量一般較大，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，共設(shè)計(jì)服務(wù)器5臺(tái)并采用虛擬化部署，包括MES應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、MES接口服務(wù)器、PMC應(yīng)用服務(wù)器、PMC數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。各車(chē)間部署平板電腦、打印機(jī)、掃描槍、LED等硬件設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)和服務(wù)器進(jìn)行通信；車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備PLC直接與服務(wù)器通信。CCR中控屏用于顯示綜合生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件架構(gòu)

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工廠級(jí)系統(tǒng)的搭建，需充分考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的重要性，做到高可靠性、高可用性、高擴(kuò)展性和靈活性。搭建思路以集群控制模式、冗余熱備模式、分散均衡控制模式為主，以保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、效率性為根本目的。制定部署方案、集成方案、性能測(cè)試等來(lái)保證系統(tǒng)能夠順利部署。

4.1 部署方案

4.1.1 系統(tǒng)可用性

Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和異步消息服務(wù)器采用雙機(jī)集群運(yùn)行模式，平時(shí)雙機(jī)同時(shí)工作，對(duì)負(fù)載壓力進(jìn)行均衡。在某臺(tái)服務(wù)器停機(jī)時(shí)，另一臺(tái)自動(dòng)接管所有后續(xù)處理工作，對(duì)前臺(tái)用戶無(wú)任何停頓感知，保證7×24 h應(yīng)用無(wú)間斷。

基礎(chǔ)架構(gòu)層面，采用VMWare的企業(yè)虛擬化管理，對(duì)單個(gè)刀片硬件故障處理透明化，通過(guò)VMWare HA可快速轉(zhuǎn)移上層服務(wù)器部署單元到其他刀片硬件平臺(tái)，磁盤(pán)存儲(chǔ)采用SAN的RAID模式保證數(shù)據(jù)可靠性。

4.1.2 系統(tǒng)可擴(kuò)展性

業(yè)務(wù)應(yīng)用的可擴(kuò)展性。隨著生產(chǎn)業(yè)務(wù)的變化系統(tǒng)平臺(tái)中需容納更多的功能。由于系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性，采用基于系統(tǒng)動(dòng)作的插件式開(kāi)發(fā)，可快速開(kāi)發(fā)增加新的系統(tǒng)動(dòng)作來(lái)滿足要求。當(dāng)這些開(kāi)發(fā)完成以后，通過(guò)服務(wù)配置表進(jìn)行新功能的發(fā)布。而這種擴(kuò)展，對(duì)于系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)本身是不需要做任何更改的。

應(yīng)用服務(wù)器的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用開(kāi)源Tomcat多臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行Cluster群集處理，當(dāng)單臺(tái)處理能力不夠時(shí)，可增加應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)量，形成多臺(tái)機(jī)器的Cluster群集運(yùn)算。多臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器的部署和版本更新，可以確保即使不停系統(tǒng)也照樣能夠進(jìn)行版本更新。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的可擴(kuò)展性。目前數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是Data Guard模式部署，可以通過(guò)虛擬化在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上增加CPU數(shù)量、擴(kuò)充內(nèi)存達(dá)到要求。

4.2 集成方案

系統(tǒng)與企業(yè)現(xiàn)有ERP等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成通過(guò)ITAF框架EAI模塊實(shí)施，支持Web Service接口。系統(tǒng)通過(guò)EAI集成組件，來(lái)實(shí)現(xiàn)所有進(jìn)出信息的審核、記錄、派發(fā)和錯(cuò)誤報(bào)警功能。通過(guò)定制化的業(yè)務(wù)搜索，可按時(shí)間或關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息查詢并定位到具體消息。根據(jù)不同的應(yīng)用系統(tǒng)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，目前系統(tǒng)可采用FTP，Web Service，MQ，Database等方式與其他系統(tǒng)的接口集成。

4.2.1 統(tǒng)一模塊接口

系統(tǒng)的各個(gè)業(yè)務(wù)模塊所需的接口業(yè)務(wù)信息，都統(tǒng)一由接口功能模塊來(lái)完成。接口功能模塊主要采用Web Service模式通過(guò)ITAF EAI模塊與其他各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。同時(shí)考慮到系統(tǒng)效率及負(fù)荷，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量要求很大、但實(shí)時(shí)性要求不高的信息（如BOM、工單等）采用數(shù)據(jù)集成中間件方式。對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的信息，如收發(fā)貨，查詢等，采用Web Service集成，數(shù)據(jù)信息的格式統(tǒng)一采用XML Schema方式進(jìn)行描述，同時(shí)信息傳輸?shù)膬?nèi)容也以標(biāo)準(zhǔn)的XML文檔，以確保今后接口信息的可擴(kuò)展性和統(tǒng)一不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息描述標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 模塊間松耦合設(shè)計(jì)

為避免建立過(guò)多的接口定義和消息格式，在系統(tǒng)實(shí)施中，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)層面采用統(tǒng)一的實(shí)例，方便業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢和關(guān)聯(lián)。各個(gè)模塊在符合SOA設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，在模塊間的服務(wù)調(diào)用從Web Service模式可透明簡(jiǎn)化為Java Service的內(nèi)部調(diào)用方式，這樣既保持業(yè)務(wù)模塊間的松耦合性，又大大減少接口定義的數(shù)量。在程序開(kāi)發(fā)上，相同業(yè)務(wù)服務(wù)接口歸類(lèi)成單一服務(wù)接口，按調(diào)用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少物理接口的數(shù)量。

4.2.3 自動(dòng)接收、發(fā)送及監(jiān)控功能

接口信息的發(fā)送支持定時(shí)自動(dòng)發(fā)送及人工主動(dòng)發(fā)送。所有的任務(wù)都可設(shè)定自動(dòng)發(fā)送和接收的時(shí)間，精確到秒，同時(shí)在緊急情況下可由用戶主動(dòng)觸發(fā)操作。所有進(jìn)出的交互信息都有詳細(xì)的記錄，發(fā)生的時(shí)間、響應(yīng)及處理結(jié)果、信息內(nèi)容以接口文件形式記錄，可隨時(shí)按接口類(lèi)型和業(yè)務(wù)關(guān)鍵信息進(jìn)行搜索查找。

4.3 性能測(cè)試

系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)完成后，主要對(duì)MES系統(tǒng)中的重點(diǎn)功能進(jìn)行性能測(cè)試，在生產(chǎn)環(huán)境下獲取服務(wù)器的性能指標(biāo)，分析不同的數(shù)據(jù)量和用戶量對(duì)服務(wù)器的配置要求，為項(xiàng)目提供更合理的硬件配置建議。測(cè)試的主要指標(biāo)為請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間、服務(wù)器JVM內(nèi)存使用率、服務(wù)器JVM處理器利用率、數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控。

4.3.1 測(cè)試工況（表1）

表1 測(cè)試工況設(shè)計(jì)表

4.3.2 測(cè)試結(jié)果

按照10 h內(nèi)在線用戶600的并發(fā)且循環(huán)操作1000次或10 h內(nèi)1000個(gè)賬號(hào)同時(shí)操作且循環(huán)600次即累計(jì)60萬(wàn)次操作計(jì)算，同時(shí)登錄并打開(kāi)頁(yè)面并查詢后臺(tái)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好，現(xiàn)有的硬件及網(wǎng)絡(luò)能支撐1000人的用戶正常應(yīng)用，JBOSS監(jiān)控如圖5所示，WebLogic監(jiān)控如圖6所示。測(cè)試接收16萬(wàn)條物料數(shù)據(jù)，大概需要25 min，需要消耗內(nèi)存（配置為最大4 G）最高約為1.5 G，線程最大未超過(guò)80個(gè)，CPU使用也很小，BOM接口運(yùn)行穩(wěn)定，接口JVM監(jiān)控視圖如圖7所示。

圖5 JBOSS監(jiān)控視圖

圖6 WebLogic監(jiān)控視圖

圖7 接口JVM監(jiān)控視圖

4.4 性能測(cè)試

網(wǎng)頁(yè)客戶端使用Web容器作為客戶端，采用HTML5+CSS3.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，支持產(chǎn)品在不同分辨率、不同瀏覽器下的頁(yè)面展示和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)；采用Spring3.0進(jìn)行管理，頁(yè)面上使用EASYUI、BOOTSTRAP等框架，豐富頁(yè)面元素、實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用；支持三維、圖形及各種特效展示，能夠提供不同樣式和功能的頁(yè)面元素和報(bào)表組件。網(wǎng)頁(yè)客戶端研發(fā)結(jié)果，車(chē)間工藝建模示例如圖8所示，車(chē)型參數(shù)配置示例如圖9所示，數(shù)據(jù)采集分析示例如圖10所示。

圖8 車(chē)間工藝建模示例

圖9 車(chē)型參數(shù)配置示例

圖10 數(shù)據(jù)采集分析示例

5 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)整車(chē)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中制造管理業(yè)務(wù)需求的分析基礎(chǔ)上，從生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行業(yè)務(wù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)，采用模塊化分層架構(gòu)模式，構(gòu)建系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)棧，對(duì)功能框架和硬件架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；依照制定的集成和部署方案進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成功上線運(yùn)行。在某整車(chē)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及部署實(shí)施，替代原有的國(guó)外系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；技術(shù)方案也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模柔性化生產(chǎn)定制的重要技術(shù)支撐，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。