基于MES無縫集成的FMS生產管理技術研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

WU Shao-min,　HU Xiao-bing,　WANG Jiang-wu

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基于MES無縫集成的FMS生產管理技術研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡曉兵，王江武

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

WU Shao-min,HU Xiao-bing,WANG Jiang-wu

摘要：針對目前傳統柔性制造系統（FMS）與企業上層ERP、CAPP等管理系統信息斷層，無法有效連接企業上層系統和底層柔性線，導致效率低下的問題，提出了一種基于MES無縫集成的FMS生產管理模型，該模型包含Main-MES和FMS-MES兩層，將MES技術融入傳統FMS系統中，實現了FMS與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統的有效集成，保證了企業上層系統和底層柔性線的無縫連接。介紹了生產管理模型與其它系統的集成技術以及各功能模塊的作用，并開發了針對四川普什寧江機床廠FMS80柔性線的生產管理系統，驗證了所設計系統模型的可行性和有效性。

關鍵詞：FMS；MES；生產管理；集成制造；無縫連接

0　引言

FMS（柔性制造系統）是先進制造技術的基礎組成，是制造業發展的必然趨勢。在經濟全球化、信息化以及競爭日益激烈的制造業大背景下，面對愈發迫切的提高生產效率，降低生產成本的愿景，簡單的柔性制造系統已顯得力不從心[1]。以大多數我國機械制造企業為例，主要從事單件、小批量，按訂單組織的生產形式，生產過程中存在著不確定因素，傳統意義的FMS無法與MRPⅡ或ERP等生產管理軟件無法有效地結合，與企業級信息產生斷層，影響柔性制造系統性能，使得生產作業的管理任務復雜而繁重，競爭力低下。

從20世紀90年代初，從多個角度提高FMS工作效能的相關應用支撐系統的研究就已經開始。排產調度方面，張超勇，饒運清等[2]采用兩級遺傳算法來解決柔性車間的作業調度問題，訂單管理方面，Zakaria Z，Petrovic S[3]研究了采用遺傳算法的插單重排產問題。

1　系統的雙層結構

制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)在制造企業系統中起著中間執行層的作用。MES主要起企業級計劃層和車間自動化系統間承上啟下的作用，是企業其他生產管理系統達到無縫集成的關鍵[4]。因此，將MES融入到傳統FMS系統中，可以有效地解決傳統FMS與上層ERP/MRPII等企業管理軟件與底層自動化系統的集成問題。本文通過將MES技術充分融入到FMS系統設計中，提出了由Main-MES層和FMS-MES層兩層構成的基于MES的FMS生產管理系統，如圖2所示。

由圖2可以看出，Main-MES層從企業級上層中的ERP/MRPII、CAD/CAM和CAPP系統軟件實時接收生產計劃信息和零件的工藝設計信息。然后，對接收到的這些信息進行分析處理生成對工件精確到工序級的排產和設備的調度信息，并通過內部接口將生成的信息傳送給FMS-MES層，FMS-MES層根據接收到的信息對現場設備進行控制。與此同時，FMS-MES層還會通過檢測設備獲取計劃完成情況、現場加工信息和資源的使用信息，通過Main-MES層反饋給企業級計劃層，后者根據獲取的反饋信息動態地調整企業的生產策略。從以上分析可知，基于MES的FMS生產管理系統可以有效地解決傳統FMS系統與企業上層管理系統的通信斷層問題，制定能夠準確響應市場變化的生產策略，完成對現場柔性線的精確高效控制。

2　系統功能體系

本文設計的基于MES的FMS生產管理系統是從系統集成的高度出發的。系統向上要和企業級的ERP/ MRPII、CAD/CAM和CAPP系統集成，橫向要和工裝管理系統集成，向下要和底層柔性線設備層集成。

本文將系統的設計主要分為工藝管理、計劃排產管理、需求管理、資源管理、現場管理。如圖2所示。從生產管理系統的總體框架圖可以看出，系統的工藝管理模塊和計劃排產管理模塊共同構成Main-MES層，負責同企業級的ERP/MRPII和工藝設計管理系統（CAPP、CAD/CAM）集成；需求管理模塊、資源管理模塊和現場管理模塊構成FMS-MES層，同工裝管理系統和底層設備層進行集成。

3　系統實例

為了驗證本文所設計生產管理模型的有效性，本團隊在同四川普什寧江機床有限公司共同承擔的國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”中，以寧江機床廠原有的FMS80柔性線為基礎，將MES融入其中，開發了基于MES的FMS生產管理系統。

3.1寧江FMS與MES的融合

寧江機床廠的FMS-80系統有由4臺精密臥式加工中心及清洗機、托板庫、上下料臺、運輸小車等組成。寧江的FMS-80柔性線與企業上層的ERP、CAPP系統和工裝系統的通信，基本上是靠人工信息的傳遞來完成，集成化程度和自動化程度低，效率低下。

為了提高FMS80線的運行效率，本團隊將MES技術融入其中，開發了如前文所述的包含Main-MES和FMSMES兩層的基于MES的FMS生產管理系統，完成與ERP、CAPP、CAD/CAM和工裝系統無縫集成。集成技術的具體實現如圖9所示。

圖1　基于MES的兩層結構FMS管理系統

圖2　系統總體框架圖

圖3　FMS-80柔性線集成技術實現

圖3中，從ERP系統獲取的生產訂單和反饋生產計劃可能存在定程度的修，因此采用Excel中間文件集成方式。工裝管理系統和FMS生產管理系統部署于同服務器上，所以可以將二者數據庫合并，采用數據庫直連的方式。與CAPP、CAD/CAM集成則是通過包含工藝數據和工藝卡片的工藝文件。FMS生產管理系統可以通過直接操作現場控制PC的數據庫，下達具體到工序級的排產計劃；現場資源的使用情況和零件的加工狀態信息，會實時以XML文件的形式傳送給FMS生產管理系統，然后解析生成相應的數據庫信息。

3.2系統運行驗證

本文所設計的基于MES無縫集成的FMS生產管理系統已在寧江機床廠試運行，下面以寧江機床廠2015年9月份和10月份FMS80生產線上的8種零件訂單驗證了系統模型的可行性和有效性。零件詳情如表1所示。

表1　FMS80線上8種零件

計劃管理模塊同ERP等企業級管理系統相互通信，從公司ERP系統獲取關于FMS80線上8種零件計劃的基礎數據，圖4是計劃管理的界面圖。

圖4　計劃管理

排產管理模塊是結合計劃、工藝和現場資源進行的，自動生成排產的甘特圖，如圖5所示。

圖5　計劃排產

現場管理模塊可以實時獲得零件的加工狀況和現場資源的使用狀況，反饋給排產管理、資源管理等模塊，進而優化排產，形成生產閉環，圖6為現場加工中心的負荷圖，橫軸代表時間，縱軸代表加工中心的工作時間，單位為小時。

4　結論

本文提出的基于MES無縫集成的FMS生產管理系統，由Main-MES和FMS-MES兩層構成，與企業級的ERP、CAPP、CAD/CAM系統和工裝系統有效集成，實現了企業層與底層柔性生產線的無縫連接，打破了傳統FMS的信息孤島，提高了FMS的運行效率，優化了企業管理策略，并在四川普什寧江機床有限公司的FMS80柔性線上得以成功實施。當然，該系統還存在些不足，在日后的研究中會繼續完善。

圖6　機床負荷

參考文獻：

[2] 張超勇,饒運清,李培根,等.求解作業車間調度的種進遺傳算法[J].計算機集成制造系統,2004,10(8):966-969.

[3] Zakaria Z,Petrovic S. Genetic algorithms for match-up rescheduling of the flexible manufacturing systems[J].Computers & Industrial Engineering,2012,62(2):670-686.

[4] Choi B.K, Kim B.H. MES (manufacturing execution system) architecture for FMS compatible to ERP (enterprise planning system)[J].International Journal of Computer Integrated Manufact uring,2002,15(3):274-284.

作者簡介：武韶敏（1991 -），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向為數字化制造。

基金項目：國家科技重大專項（2012ZX04011-031）

收稿日期：2015-11-02

中圖分類號：TP278

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0011-04