煤礦裝備制造企業(yè)中制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋昱播，陳 亮，王 普，高 勇，龐國(guó)強(qiáng)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710077）

中煤科工集團(tuán)西安研究院鉆探技術(shù)研究所，是一家以煤礦井下坑道鉆機(jī)生產(chǎn)、研制為主，集生產(chǎn)科研于一體的科研院所。其生產(chǎn)車間的特點(diǎn)，是典型的離散型、多品種小批量和科研試制混合的生產(chǎn)模式。隨著企業(yè)信息化建設(shè)的不斷進(jìn)步，研究所先后建立起了ERP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)，但生產(chǎn)過(guò)程管理方面的信息化建設(shè)，仍處于起步階段。目前生產(chǎn)過(guò)程管理，主要是以人工管理、紙質(zhì)記錄、配合excel輔助統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行，是一種典型的全手工作業(yè)管理模式。這種管理模式在生產(chǎn)中存在許多的問(wèn)題與不便，如調(diào)度方式落后、生產(chǎn)進(jìn)度反饋不及時(shí)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法共享、成本工時(shí)等信息統(tǒng)計(jì)不便等。

為提高車間整個(gè)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化程度，迫切需要建立應(yīng)用于車間生產(chǎn)管理的軟件系統(tǒng)。

1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的管理模式

上個(gè)世紀(jì)90年代初期，美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)（AMR）通過(guò)對(duì)大量企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：完善的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，普遍由以下3種軟件構(gòu)成：以ERP、MRPII為代表的企業(yè)管理軟件，以SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視）、HMI(Human Machine Interface)為代表的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控軟件，以及實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程自動(dòng)化、支持企業(yè)全面集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES）[1]。

MES系統(tǒng)現(xiàn)已在工業(yè)界獲得廣泛的推廣應(yīng)用，成為實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化和企業(yè)自動(dòng)化的重要支撐技術(shù)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR提出的三層的企業(yè)集成模型如圖1所示[2]。

圖1 AMR三層企業(yè)集成模型

制造執(zhí)行系統(tǒng)本質(zhì)上是介于企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）和車間自動(dòng)控制之間的面向制造過(guò)程的集成的車間生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)[3]。

作為上一層——計(jì)劃層的ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈資源的管理和計(jì)劃的下達(dá)，包括庫(kù)存管理、物資需求與計(jì)劃、采購(gòu)合同的制定及完成情況跟蹤、出入庫(kù)管理、訂單的制定、生產(chǎn)計(jì)劃的生成與分解等等；

作為底層——控制層，由一線操作人員使用，完成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控工作；

處于中間層——執(zhí)行層的MES系統(tǒng)，是生產(chǎn)計(jì)劃的具體執(zhí)行者，也是生產(chǎn)信息的反饋者，是企業(yè)整個(gè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。

系統(tǒng)對(duì)從生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)到完成入庫(kù)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理，實(shí)時(shí)采集、反饋準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息，對(duì)管理者進(jìn)行指導(dǎo)和管理提供依據(jù)。

本文的目的，即是研究適合本企業(yè)車間生產(chǎn)管理模式的制造執(zhí)行系統(tǒng)。

2 MES系統(tǒng)的功能模塊劃分

根據(jù)本企業(yè)的具體需求及計(jì)劃層——ERP系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的功能，可將MES系統(tǒng)的功能，抽象為完成制造任務(wù)這一活動(dòng)，主要內(nèi)容包括過(guò)程管理、工時(shí)管理、生產(chǎn)人員管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理與檢索、設(shè)備管理、不合格品管理等。人員、設(shè)備及不合格品管理，囊括在系統(tǒng)基本信息中，以下就過(guò)程管理、工時(shí)管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理與檢索3個(gè)關(guān)鍵模塊做詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 過(guò)程管理

這其中核心和最復(fù)雜的是過(guò)程管理，根據(jù)實(shí)際作業(yè)流程抽象出的整機(jī)生產(chǎn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)過(guò)程控制流程

由圖2可見(jiàn)，ERP系統(tǒng)依據(jù)訂單情況（包括已有訂單和銷售預(yù)期）以及物料準(zhǔn)備情況，生成月度生產(chǎn)計(jì)劃，車間MES系統(tǒng)根據(jù)月度生產(chǎn)計(jì)劃制定周生產(chǎn)計(jì)劃和日生產(chǎn)計(jì)劃。

計(jì)劃排定后，新建整機(jī)派工單并進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)裝配、調(diào)試、空載檢驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)、噴漆、外觀檢驗(yàn)、入庫(kù)等環(huán)節(jié)后，完成一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

每個(gè)環(huán)節(jié)中相應(yīng)角色的工作人員，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并反饋到生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。生產(chǎn)過(guò)程管理中應(yīng)重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

（1）生產(chǎn)計(jì)劃制定的靈活性。結(jié)合科研單位科研試制產(chǎn)品較多的情況，生產(chǎn)計(jì)劃應(yīng)具有一定的靈活性，根據(jù)實(shí)際情況可隨時(shí)變更生產(chǎn)計(jì)劃，以適應(yīng)突發(fā)情況和需求的臨時(shí)變化。

（2）各種角色的權(quán)限管理。車間生產(chǎn)的流程，需要遵守嚴(yán)格的規(guī)章制度，各環(huán)節(jié)的規(guī)章制度由相應(yīng)角色的工作人員來(lái)完成和保證，因此軟件需嚴(yán)格管理各種角色的使用權(quán)限，以明確責(zé)任歸屬。

（3）系統(tǒng)資源調(diào)配可調(diào)整。隨著生產(chǎn)規(guī)模和管理方式的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的管理模式尤其是生產(chǎn)流程，很有可能會(huì)發(fā)生變化，軟件應(yīng)充分考慮這種變化的需求，可在后期仍可對(duì)系統(tǒng)資源的調(diào)配進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展需求。

2.2 工時(shí)管理

工時(shí)單是根據(jù)車間日生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)具體的工作指令，并根據(jù)定額工時(shí)記錄工作人員的工作量。可進(jìn)一步分解為：調(diào)配人員、安排資源和執(zhí)行工時(shí)單這3個(gè)子活動(dòng)。

（1）調(diào)配人員。根據(jù)日生產(chǎn)計(jì)劃、裝配、調(diào)試、檢驗(yàn)等人員的任務(wù)安排情況，調(diào)配人員進(jìn)行派工。

（2）安排資源。根據(jù)車間裝配調(diào)試工位、半成品配給情況，進(jìn)行資源的調(diào)配。

（3）執(zhí)行工時(shí)單。工作人員按照工時(shí)單的要求完成相應(yīng)工作，并將相關(guān)工作數(shù)據(jù)反饋到生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理模塊。

2.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理與檢索

將生產(chǎn)過(guò)程中反饋的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成產(chǎn)品的隨機(jī)檔案，并隨時(shí)更新和維護(hù)數(shù)據(jù)。本模塊分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)檢索這3個(gè)子活動(dòng)：

（1）數(shù)據(jù)采集。在過(guò)程管理和工時(shí)管理的表單中，由相應(yīng)工作人員記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）數(shù)據(jù)維護(hù)。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的推進(jìn)，更新相應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，改變相應(yīng)的記錄數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)檢索。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，針對(duì)各種檢索需求，完成數(shù)據(jù)檢索功能，主要包括工時(shí)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)狀態(tài)查詢統(tǒng)計(jì)等。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目集成開(kāi)發(fā)環(huán)境使用Microsoft Visual Studio 2010，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用Microsoft C#，數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft SQL Server 2008，數(shù)據(jù)庫(kù)腳本語(yǔ)言為T-SQL。

下面簡(jiǎn)要敘述一下業(yè)務(wù)流程中的系統(tǒng)資源管理、過(guò)程管理和工時(shí)管理以及系統(tǒng)總體用例圖。

3.1 系統(tǒng)資源管理

系統(tǒng)信息包括資源管理、角色管理、用戶管理、班組管理，其中用戶依賴于班組和角色，角色又依賴于資源，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)信息管理

3.2 過(guò)程管理和工時(shí)管理

過(guò)程管理指在整機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)程控制，整機(jī)生產(chǎn)時(shí)同樣要開(kāi)具工時(shí)單，因此整機(jī)工時(shí)管理體現(xiàn)在過(guò)程管理中。整機(jī)的裝配過(guò)程，是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不允許流程中出現(xiàn)跳過(guò)某一個(gè)過(guò)程進(jìn)入下一個(gè)過(guò)程的情況，因此當(dāng)前過(guò)程總是依賴于前一個(gè)過(guò)程的完成狀態(tài)，若前一個(gè)狀態(tài)尚未完成，不允許進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)（如圖4所示）。

圖4 生產(chǎn)過(guò)程管理與工時(shí)管理

3.3 系統(tǒng)總體用例圖

普通用戶包括生產(chǎn)過(guò)程中的全部參與者：文員、裝配人員、調(diào)試人員、質(zhì)檢員、檢測(cè)中心人員、噴漆人員以及調(diào)度員等，進(jìn)行過(guò)程管理和工時(shí)管理的相應(yīng)工作。管理員控制基本信息和系統(tǒng)信息，分配權(quán)限。如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體用例圖

不同的系統(tǒng)資源對(duì)應(yīng)不同的角色，無(wú)相應(yīng)權(quán)限的人無(wú)法對(duì)資源進(jìn)行操作，明確了生產(chǎn)過(guò)程中的責(zé)任歸屬。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況編制的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要界面，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主要界面

系統(tǒng)將車間生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程流程化、規(guī)范化，具備實(shí)時(shí)采集、反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)的功能，保證了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，便于管理人員做出反應(yīng)并指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)工時(shí)管理與生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，全部實(shí)現(xiàn)了信息化，大大減少了統(tǒng)計(jì)檢索的工作量，提高了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平。

系統(tǒng)運(yùn)行后，與之前的管理模式相比，生產(chǎn)的過(guò)程管理效率提高了30%以上，統(tǒng)計(jì)檢索的工作量減少了80%以上，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

制造執(zhí)行系統(tǒng)是制造企業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，本文針對(duì)本企業(yè)車間生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)信息化的空白，提出了開(kāi)發(fā)適合自身的MES系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地完成本企業(yè)車間生產(chǎn)全過(guò)程的管理和優(yōu)化，相比之前的全手工作業(yè)管理模式，大大地提高了企業(yè)的自動(dòng)化管理水平，規(guī)范了管理和操作流程，減少了統(tǒng)計(jì)檢索的工作量，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1]Public Key Cryptography for the Financial Services Industry:Key Agreement and Key Transport Using Elliptic Curve Cryptography[S].Working Draft AMERICAN NATIONAL STANDARDX9.63-199x

[2]MESA International.Collaborative manufacturing explained[M].American:MESA International–White Paper,2003.

[3]Reynald Lercier.Counting the number of points on elliptic curves over finite fields[C].In:Proc EUROCRYPT,1995-03.