智能制造生產線MES系統的設計與開發

張祖軍，賴思琦

（西南科技大學 工程技術中心，綿陽 621010）

0 引言

近年來隨著中國制造2025規劃的逐步實施，制造業開始探索建設智能制造，實現制造業的提檔升級。智能制造生產線是實現智能制造的載體，生產線包括了各類加工制造設備、監控與數據采集、現場管理軟件、ERP軟件以及因素有機結合的集成技術，如圖1所示[1]。生產線的各臺加工設備與服務器總控端通過工業以太網連接，形成網絡化生產體系，各類傳感設備實時采集生產現場上的各種數據，通過通信網絡將數據傳送至工業服務器，由現場管理軟件進行數據處理分析，并與ERP企業資源管理軟件相結合，提供最優化的生產方案或者定制化生產，最終實現生產過程的信息集成化、執行智能化[2]。

圖1 智能生產線組成

在智能制造中制造執行系統（MES）面向生產線執行層，具備現場生產計劃管理、設備管理、實時監控、庫存物料管理等功能，是信息化管理系統的核心組成。本文面對某電視插件的智能制造生產線構建MES系統，該MES系統基于B/S架構，使用Web前端可以很方便地進行數據的錄入和讀取，通過OPC中間件的方式進行現場設備的實時數據采集，形成設備監控或管理的數據基礎，采用Websocket傳輸協議來進行數據的傳輸，數據庫采用PostgreSQL。系統實現了在智能制造生產線環境下的基礎數據管理、工單管理、工藝管理、數據查詢的功能，將人、設備、產品信息等生產要素相結合，為現場管理者提供了設備狀態監控、工單跟蹤、物料管理、數據查詢等功能[3,4]。

1 MES系統構建

1.1 總體設計

如圖1所示，智能制造生產線管理分為三層，ERP管理層位于上層，MES系統位于ERP和現場設備層之間。

MES系統配置兩臺服務器，一臺與生產線的傳感和監控設備連接，負責各類數據采集，一臺用于數據存儲和查詢，各個工位配置PC機。MES系統采用主流的SSH框架，從下到上分為數據存取層、業務邏輯層與表現層。數據存取層采用了Hibernate作為ORM工具，業務邏輯層主要采用Spring框架并集成SOA模式，通過WebService接口對接其他系統，并可擴展為簡單的企業服務總線（ESB）。表現層采用常見的MVC架構，實現前端與后端業務邏輯的分離。系統采用PostgreSQL數據庫，實現了原材料ERP管理及MES的數據同源，便于數據的集中管理與數據的安全，避免了信息孤島狀態[5]。

1.2 系統功能模塊

MES系統分為系統管理、實時監控、生產計劃、倉儲管理等功能模塊。

1）系統管理。該模塊主要是設置使用人員的權限，同時可以查看登陸系統的人員和時間的日志功能，由日志查詢、負責人管理、現場人員管理三個模塊界面構成。

2）實時監控。該模塊主要是實時監控生產線設備的狀態和生產運行情況，分為聯機和單機兩個子單元，聯機狀態界面顯示生產線整體運行情況，單機狀態界面通過各個熱點的不同顏色來顯示單個設備運行的狀態。

3）生產計劃。用來管理工單和工序流量，能夠顯示計劃量、完成量和尚欠量等內容。由整機產量、生產計劃量、直通率量和不良明細分析四個模塊界面構成。

4）設備管理。用來管理設備，能夠顯示設備運行的工作時長、故障信息和維修安排等內容。由設備臺賬、報警記錄、設備統計和維修保養計劃四個模塊界面構成。

5）倉儲管理。用來對倉庫中的原料和產品進行統計和管理，并記錄管理部分的操作明細，實時倉庫動態顯示各個庫位存放的產品信息。由原料管理、成品管理、實時倉庫、統計圖等模塊界面構成。

1.3 關鍵技術

1）采用Web前后端分離開發模式，避免了傳統Web模式帶來的各種問題。MES系統通過采用Web前后端分離來進行設計，很大部分的數據都可以在前端進行處理，減少了服務器的工作壓力；同時，后臺錯誤不會直接反映到前臺，給管理人員的工作帶來了便利；前后臺分離工作極大降低了開發難度。

2）系統前端采用AngularJS代碼編寫，架構清晰，分工明確，擴展性良好，讓程序設計人員能夠專注于業務邏輯，而且因為對html影響較小，能夠與designer形成良好的協作。

3）系統后端采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分析所要面對的對象的需求，提出模型，將這些模型實現為基本的Java對象，然后編寫DAO接口，并給出Hibernate的DAO，用Hibernate架構的DAO類來實現Java類與數據庫之間的轉換和訪問，最后由Spring管理struts和Hibernate。

4）系統的現場實時數據采用Websocket傳輸協議來進行數據的傳輸，大大縮短了設備端實時數據展示到網頁的時間，保證了數據的實時傳輸和穩定可靠。同時，在后臺直接存入數據庫作為歷史記錄保存。這樣就避開了常規方法先將實時數據先存入數據庫，再從數據庫提取，最后傳輸到網頁上顯示等一系列的操作[6]。

5）采用OPC中間件的方式進行生產線設備數據采集，得到設備監控或管理的數據基礎；生產數據的采集方式有兩種，如圖2所示：工序位置采用RFID方式，上料工序的工裝板和工件ID綁定（存入數據庫），在其它工序位置上，工裝板RFID通過固定讀碼器獲取信息，并與生產線上進行加工的工件ID信息相關聯；倉儲出入庫采用PDA掃碼方式，倉庫出入庫，采取加工件ID條碼，人工掃碼方式通過無線AP直連進行數據采集。

圖2 生產數據采集

2 MES系統應用

2.1 實時監控

現場設備實時數據的監控是基于Websocket實時多源數據傳輸技術，取代了傳統的輪詢方式，使現場PC端具備B/S架構下的實時通訊能力，通過向服務器發出連接請求，實現PC端和服務器端直接交換數據并實時顯示在頁面上的功能，有效地降低了編程實現的難度和服務器端的負載壓力，增強了應用系統的擴展性[7]。服務器端與連接在現場總線上的設備層對象進行通信，進行生產現場的實時監控，并將需要的各類數據顯示在頁面上，同時與數據庫進行交互處理。生產線現場的設備數據監控電子看板如圖3所示，設備圖標顯示為綠色表示正常運行中，黃色表示待機狀態，紅色表示設備故障，白色表示設備停機維保，通過電子看板，能夠對當前設備所處于的情況一目了然，讓現場管理人員及時掌握生產線狀態，有利于生產任務安排和設備管理。

圖3 電子看板

2.2 生產計劃

智能制造生產線的工單及工序流量管理是生產管理的核心內容。在生產計劃中，通過對比整機產量、生產計劃量、直通率量和不良明細分析，能夠讓生產管理人員清晰地掌握生產節拍、產量和質量狀況，如圖4所示。

圖4 生產計劃

2.3 倉儲管理

倉儲管理的關鍵是針對不同的物料類型，對需要進行條碼管控的物料進行分類，并設置該關鍵物料類型對應的條碼規則類型，系統可通過關鍵物料類型最終找到其對應條碼規則。倉儲管理界面如圖5所示。

圖5 倉儲管理

3 結語

智能制造是當前制造業發展的重要方向，MES系統是生產現場執行層信息化管理的核心部分。面對智能制造生產線的發展需求，構建了基于B/S架構的MES系統，通過OPC中間件方式、RFID方式、PDA掃碼方式進行現場設備和生產數據的實時采集，得到設備和生產管理的數據基礎，并通過工業以太網傳送至服務器端，數據庫采用PostgreSQL，實現ERP和MES系統的數據同源。該系統實現了智能制造生產管理的可視化、標準化、數字化及信息的互聯互通。