智能涂裝 MES系統軟件分析與設計

廉迎戰 向德志 羅聲權 田宏鑫

摘要：涂裝智能化制造系統（MES）作為一種自動控制執行系統是智能工廠構建過程中不可或缺的技術之一，可有效地強化過程管理和控制，達到精細化管理目的。隨著涂裝生產模式的轉變及智能化涂裝的推進，使得 MES軟件的重要性日益增加。以涂裝智能化制造系統軟件的應用及功能為基礎進行研究，分析涂裝 MES系統的整體結構和網絡構建方案，對計劃排程、智能監控、設備監控等系統功能模塊進行了詳細闡述，為完善涂裝企業數字化設計能力，實現產品和制造過程的標準化和自動化提供參考。

關鍵詞：涂裝;智能化;MES系統軟件

中圖分類號：TP273???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0162-05

Analysis and Design of Intelligent Coating MES System Software Lian Yingzhan1，Xiang Dezhi2，Luo Shengquan1，Tian Hongxin1

（1. Automation College， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As an automatic control execution system， coating intelligent manufacturing system （MES） is one of the indispensable technologies in the construction of intelligent factory. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of fine management. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of refined management. With the transformation of coating production mode and the advancement of intelligent coating， the importance of coating intelligent manufacturing system （MES） software is increasing. Based on the application and function of coating intelligent manufacturing system software， the overall structure and network construction scheme of coating MES system were analyzed， and the system functional modules such as planning and scheduling， intelligent monitoring and equipment monitoring were described in detail， which a reference was provided for improving the digital design ability of coating enterprises and realizing the standardization and automation of products and manufacturing process.

Key words： painting; intelligence; MES system software

0 引言

針對汽車行業、裝備制造業、五金制品業等傳統行業性的裝備涂裝生產過程、品質管理及設備管理等需求，利用機器人、工業互聯網、云計算、大數據等新技術，構建精準、實時、高效的涂裝智能數字化工廠[1-2]，實現生產線上機器、物料、系統、產品、人等參與主體各類要素信息的泛在感知、互聯互通、云端匯聚等功能，加快企業生產過程的高效管控、智能分析和科學決策，推動企業智能、高效、優質、低耗、綠色、安全的制造和服務。把先進制造企業的信息化、自動化制造管理模式，使得企業生產與企業實際接軌，提升生產智能化水平。總體目標就是在設備聯網+遠程數據采集的基礎上，實現智能化的生產過程管理與控制，打造適合中國國情的涂裝智能數字工廠。

構建智能工廠的基礎及核心為信息化及自動化管理，通過 MES制造執行系統、ERP 資源計劃系統、WMS倉儲系統以及智能化自動化等設備的互聯互通、高效協同實現[3-4]。作為涂裝智能數字化工廠制造平臺的重要組成部分——涂裝智能化制造系統（EMS）軟件融合 PLM （產品全生命周期數據管理平臺）的智能化設計制造平臺的搭建，完善涂裝企業數字化設計能力，利用涂裝產品全生命周期數據平臺，實現產品和制造過程的標準化和自動化，解決涂裝產品數字化設計制造與 ERP 等其他企業信息系統的整合應用。

1 網絡構建方案

網絡構建可分為管理端、現場端兩部分，為保障生產線的正常運行以及提高系統的可靠性、可用性和擴展性，采用分布式方式部署，將數據分散部署在多臺獨立的設備上[5]。如圖1所示。

管理端 PC Server主要用于部署 MES數據庫、管理端應用，同時對于管理端維護的基礎數據、生產計劃內容，可以自動同步到現場端，管理端采用 B/S架構，支撐聯網用戶對業務數據進行處理，同時將現場采集的數據實時展示。

現場端 PC Server主要用于部署 MES客戶端數據庫、客戶端應用，用于現場客戶端的管理，一方面負責同步管理端的計劃、基礎數據，同時連接生產線，進行數據實時采集，并進行數據轉換、打包之后同步至管理端。

涂裝 MES系統軟件服務器部署及網絡構建如圖1所示，為保證生產現場的穩定性，如果管理端出現異常或網絡問題，現場端支持單獨運行，比如生產計劃支持現場端的維護和調整，并保證數據的采集，待管理端恢復正常后，再將數據同步到管理端。

管理端、現場端的網段劃分根據現場實際情況進行配置。

2 涂裝 MES系統結構

引用先進的現代化車間布局方式，在企業智能設備上安裝網絡設備，利用網絡技術將車間與生產、管理系統連接起來，打破信息孤島。在車間內使用先進的無紙化工廠管理模式，實現企業設備、生產、管理、市場等數據資源共享[5]。涂裝 MES系統結構如圖2所示。通過涂裝智能化制造系統軟件 DNC連接現場各自動化設備、統一協調生產流程，同時支持智能終端、平板、電視大屏等設備顯示。

3 涂裝 MES系統軟件功能

涂裝 MES系統具有比較完整系統架構和功能布局，同時模塊之間又可以通過權限、角色的配置，允許單模塊獨立使用，具有較為靈活配置的特點。項目過程中可以結合業務管控的范圍和實際情況，選擇匹配的功能模塊[6]。

涂裝 MES系統包括10個功能模塊：基礎建模、計劃排程、設備管理、質量管理、人員管理、現場管理、數據采集、監控分析、系統管理。以下對系統功能模塊簡要介紹。

（1） 基礎建模

系統提供物理建模、制程建模，將物理世界進行數字化，支持后續的業務控制，權限區分，監控/報表分層等。可以結合組織架構實際進行定義：集團、分子公司、工廠、車間、生產線、工段、工位等。可以結合產品的工藝流程進行定義：產品、BOM、關鍵物料、組成關系、圖片及特性等。實現物理組織架構、生產線與產品工藝流程的關聯，支持后續的現場監控分析，業務關聯處理等。

（2） 計劃排程

既可以獨立運行，又可以與外圍管理系統進行集成接口[7]。計劃排程具備工單管理、排程引擎、指令下發、例外管理等業務管控功能。計劃引擎的計算因子可以結合實際管理需要，進行增補和調整，具有較強的適應性。排程結果可以按照不同的顆粒度體現，比如可以按照批次、經濟批量，也可以按照單件管理。同時對于排程的結果進行可視化體現。排程結果可以依照規則與設備層實現集成互動，能夠自動將生產指令下發至設備層，并且結合管控需求設置不同的狀態，并根據約束進行鎖定等。實時采集過程數據，實現產品過站、出站等管理。

（3） 設備管理

設備清單及明細管理，位置關聯等。可實現設備的集成連線、數據采集、信號交互及過程控制。設備狀態、通訊等信息采集，預防性維護建議，現場的設備 Andon提報等。設備運行效率及數據統計分析。

（4） 質量管理

結合設備條件的過程質量控制。過程質量數據的采集、轉換和運算，提供基本的分析圖示和原始數據。質量數據的自動歸檔，溯源查詢和檢索。自定義報告或分析報表。

（5）現場管理

現場管理的內容可結合實際需要，支持客戶端二次開發與調整，快速適應。客戶端可支撐實時讀取數據顯示、圖片調用、文字體現，并可以按照頻率、事件等自動刷新，確保展示內容的有效性。

（6）數據采集

數據采集的可配置架構，支持快速的配置和擴展。多種采集方式組合，滿足現場業務管控需要。設備集成的代碼配置，數據采集的轉換、比率縮放、含義等，滿足用戶識別，方便可讀性。數據采集展示內容可自定義配置等。

（7） 監控分析

系統可視化配置功能、報表工具等滿足監控和分析需要。支持與監控設備集成，滿足 LED、LCD、拼接電視等相關集成，實現可視化展示。

（8） 系統管理

系統具有較為完整基本系統管理功能和系統安全策略，3個層面的設計：用戶/終端安全、訪問控制、系統/數據安全。具有系統基礎管理功能，包括用戶、權限、菜單角色、工作流、單據配置等[8]。

4 涂裝 MES系統部分軟件界面

4.1 計劃排程軟件界面

系統可根據訂單及相關的工藝 BOM、工藝路線制定生產計劃。選擇“自動排產”后，系統會自動帶出訂單信息中的“開始時間”和“要求完成時間”，系統根據訂單時間以及每道工序的工時，按底層零件、首道工序優先排產原則，自動計算出每個零件每道工序的開工日期和完工日期，如圖3所示。生產人員可根據需求，對生產計劃進行批量修改或是撤銷重排。生產計劃制定后，可以對生產計劃做一些狀態的管控，生產計劃審核之后，才可以發布，生產計劃發布之后，才可以根據生產計劃進行派工。

4.2 智能監控界面

車間監控軟件對車間內的所有設備進行實時監控，并將監控數據傳輸到設備管理頁面[9]。設備管理系統對車間內各設備的運行狀態進行實時展示。監控軟件根據 RFID 實時數據，控制輸送帶、機器人、AGV 小車、機床、加工中心等持續運轉，如圖4所示。車間監控軟件實時顯示以下內容。

（1） AGV小車數據：位置信息、運轉狀態信息、報警信號等。

（2） 機器人數據：工作狀態、運轉狀態信息、報警信號等。

（3） 機床及加工中心：實時信息、報警信號、當前程序號、NC加工進度等，其他信息詳見機床監控頁面。

（4） 倉庫傳輸帶：運轉狀態、報警信號等。

4.3 設備監控界面

設備監控軟件對設備進行實時監控，并將監控數據傳輸到設備管理系統。設備管理系統不僅可以監控設備的運行數據，還可以根據生產工藝，從文檔發放系統獲得 NC 代碼，再將加工數據傳輸至機床或加工中心。

監控數據包括每臺設備的開機、待機、報警、關機設備數量[10]，并計算統計設備開動率。可以查看設備實時數據及當天的開關機狀態、工作曲線，包括轉速、負載和進給參數。如圖5所示。

4.4 設備數據采集界面

硬件采集機床是以傳感器+數據采集模塊的方式對機床的生產加工信息進行采集[11-12]。所采集的信息受到傳感器的限制，不如網卡采集機床那么多。硬件采集主要可以采集開關機時間、主軸負荷、機床待機、加工狀態、三色燈狀態等，根據設備與采集硬件，采集信息與界面有所不同。如圖6所示。

4.5 統計圖表

設備統計圖表有助于更直觀、更清晰地展現設備運行狀況，有助于設備數據的分析。系統支持按時間段統計設備開機率和利用率。在設備樹上選中設備，設定開始時間和結束時間，可查詢設備在該時間段內的開機時間、關機時間、加工時間、待機時間，系統同時計算開機率、利用率，并以餅圖或圖表的形式顯示。如圖7所示。

5 結束語

隨著涂裝車間自動化、數字化、智能化的進一步發展以及產業轉型升級發展的需求，涂裝智能工廠的實現已經成為工業生產的重要發展方向。涂裝 MES系統軟件作為涂裝智能工廠發展過程中極為重要的一部分，將在實現管理端到現場端縱向貫通，從計劃調度管理到現場設備層的互聯互通以及建立支撐多公司、多組織、多工廠的數字化模型等方面發揮重要的作用[13-14]。為實現這一目標，需要充分考慮涂裝生產實踐過程中的需求，盡可能完善涂裝 EMS系統軟件的功能，軟件整體進行合理的分析與設計。

參考文獻：

[1]于澤淼，李文剛，郭鑫，等.涂裝車間自動化、數字化、智能化新技術[J].汽車工藝與材料，2020（12）：25-28.

[2]周清，朱蘇，陳立男.涂裝工藝設計軟件系統概述[C]//中國造船工程學會，2014.

[3]武迪，王妮，張文雯.基于 MES系統的智能工廠研究應用[J].中國設備工程， 2021（6）：26-27.

[4]沈文軒，毛亮，陳維杰，等.涂裝智能車間模式[J].造船技術，2020（3）：69-73.

[5]楊靜，劉博倫.汽車涂裝參數管理信息化控制系統智能化改造[J].現代涂料與涂裝，2020，23（8）：66-69.

[6]段彬，史海波.可配置的 MES軟件系統權限控制方法[J].制造業自動化，2013，35（6）：12.

[7]張弛.汽車制造行業中的 MES設計[D].長春：吉林大學，2014.

[8]宋鵬程，馬春陽.基于 MES模式的車身涂裝一體化課堂教學設計——以中涂底漆施工中噴槍的調整與測試為例[J].汽車維護與修理，2021（2）：11-13.

[9]范彪，張永軍，時明亮.智能化涂裝車間的探索與設計[J].現代涂料與涂裝，2015，18（1）：67-68.

[10]徐超，周宏，劉建峰.涂裝智能化設計的工程定義及應用研究[J].船舶標準化與質量，2020（4）：22-26.

[11]何建蘭，羅文平.汽車涂裝車間設備環網穩定性問題研究[J].現代涂料與涂裝，2020，23（12）：55-58.

[12]邱勝苗，李鵬，胡飛，等.淺談汽車涂裝智能制造的質量管理策劃和實施[J].汽車實用技術，2019（20）：170-172.

[13]陳鳳鳴，嚴哲.船舶分段生產 MES系統的實現與應用[J].微型電腦應用，2014，30（8）：44-48.

[14]王嘉慶.AVI與 MES結合在汽車涂裝車間的應用[J].汽車工藝與材料，2015（8）：69-72.

第一作者簡介：廉迎戰（1963-），男，碩士，副教授，研究領域為控制科學與工程，已發表論文23篇。

（編輯：刁少華）