基于MES无缝集成的FMS生产管理技术研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡晓兵，王江武

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

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



基于MES无缝集成的FMS生产管理技术研究

FMS production management technology research based on MES seamless integration

武韶敏，胡晓兵，王江武

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

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

摘要：针对目前传统柔性制造系统（FMS）与企业上层ERP、CAPP等管理系统信息断层，无法有效连接企业上层系统和底层柔性线，导致效率低下的问题，提出了一种基于MES无缝集成的FMS生产管理模型，该模型包含Main-MES和FMS-MES两层，将MES技术融入传统FMS系统中，实现了FMS与ERP、CAPP、CAD/CAM和工装系统的有效集成，保证了企业上层系统和底层柔性线的无缝连接。介绍了生产管理模型与其它系统的集成技术以及各功能模块的作用，并开发了针对四川普什宁江机床厂FMS80柔性线的生产管理系统，验证了所设计系统模型的可行性和有效性。

关键词：FMS；MES；生产管理；集成制造；无缝连接

0　引言

FMS（柔性制造系统）是先进制造技术的基础组成，是制造业发展的必然趋势。在经济全球化、信息化以及竞争日益激烈的制造业大背景下，面对愈发迫切的提高生产效率，降低生产成本的愿景，简单的柔性制造系统已显得力不从心[1]。以大多数我国机械制造企业为例，主要从事单件、小批量，按订单组织的生产形式，生产过程中存在着不确定因素，传统意义的FMS无法与MRPⅡ或ERP等生产管理软件无法有效地结合，与企业级信息产生断层，影响柔性制造系统性能，使得生产作业的管理任务复杂而繁重，竞争力低下。

从20世纪90年代初，从多个角度提高FMS工作效能的相关应用支撑系统的研究就已经开始。排产调度方面，张超勇，饶运清等[2]采用两级遗传算法来解决柔性车间的作业调度问题，订单管理方面，Zakaria Z，Petrovic S[3]研究了采用遗传算法的插单重排产问题。

1　系统的双层结构

制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)在制造企业系统中起着中间执行层的作用。MES主要起企业级计划层和车间自动化系统间承上启下的作用，是企业其他生产管理系统达到无缝集成的关键[4]。因此，将MES融入到传统FMS系统中，可以有效地解决传统FMS与上层ERP/MRPII等企业管理软件与底层自动化系统的集成问题。本文通过将MES技术充分融入到FMS系统设计中，提出了由Main-MES层和FMS-MES层两层构成的基于MES的FMS生产管理系统，如图2所示。

由图2可以看出，Main-MES层从企业级上层中的ERP/MRPII、CAD/CAM和CAPP系统软件实时接收生产计划信息和零件的工艺设计信息。然后，对接收到的这些信息进行分析处理生成对工件精确到工序级的排产和设备的调度信息，并通过内部接口将生成的信息传送给FMS-MES层，FMS-MES层根据接收到的信息对现场设备进行控制。与此同时，FMS-MES层还会通过检测设备获取计划完成情况、现场加工信息和资源的使用信息，通过Main-MES层反馈给企业级计划层，后者根据获取的反馈信息动态地调整企业的生产策略。从以上分析可知，基于MES的FMS生产管理系统可以有效地解决传统FMS系统与企业上层管理系统的通信断层问题，制定能够准确响应市场变化的生产策略，完成对现场柔性线的精确高效控制。

2　系统功能体系

本文设计的基于MES的FMS生产管理系统是从系统集成的高度出发的。系统向上要和企业级的ERP/ MRPII、CAD/CAM和CAPP系统集成，横向要和工装管理系统集成，向下要和底层柔性线设备层集成。

本文将系统的设计主要分为工艺管理、计划排产管理、需求管理、资源管理、现场管理。如图2所示。从生产管理系统的总体框架图可以看出，系统的工艺管理模块和计划排产管理模块共同构成Main-MES层，负责同企业级的ERP/MRPII和工艺设计管理系统（CAPP、CAD/CAM）集成；需求管理模块、资源管理模块和现场管理模块构成FMS-MES层，同工装管理系统和底层设备层进行集成。

3　系统实例

为了验证本文所设计生产管理模型的有效性，本团队在同四川普什宁江机床有限公司共同承担的国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中，以宁江机床厂原有的FMS80柔性线为基础，将MES融入其中，开发了基于MES的FMS生产管理系统。

3.1宁江FMS与MES的融合

宁江机床厂的FMS-80系统有由4台精密卧式加工中心及清洗机、托板库、上下料台、运输小车等组成。宁江的FMS-80柔性线与企业上层的ERP、CAPP系统和工装系统的通信，基本上是靠人工信息的传递来完成，集成化程度和自动化程度低，效率低下。

为了提高FMS80线的运行效率，本团队将MES技术融入其中，开发了如前文所述的包含Main-MES和FMSMES两层的基于MES的FMS生产管理系统，完成与ERP、CAPP、CAD/CAM和工装系统无缝集成。集成技术的具体实现如图9所示。

图1　基于MES的两层结构FMS管理系统

图2　系统总体框架图

图3　FMS-80柔性线集成技术实现

图3中，从ERP系统获取的生产订单和反馈生产计划可能存在定程度的修，因此采用Excel中间文件集成方式。工装管理系统和FMS生产管理系统部署于同服务器上，所以可以将二者数据库合并，采用数据库直连的方式。与CAPP、CAD/CAM集成则是通过包含工艺数据和工艺卡片的工艺文件。FMS生产管理系统可以通过直接操作现场控制PC的数据库，下达具体到工序级的排产计划；现场资源的使用情况和零件的加工状态信息，会实时以XML文件的形式传送给FMS生产管理系统，然后解析生成相应的数据库信息。

3.2系统运行验证

本文所设计的基于MES无缝集成的FMS生产管理系统已在宁江机床厂试运行，下面以宁江机床厂2015年9月份和10月份FMS80生产线上的8种零件订单验证了系统模型的可行性和有效性。零件详情如表1所示。

表1　FMS80线上8种零件

计划管理模块同ERP等企业级管理系统相互通信，从公司ERP系统获取关于FMS80线上8种零件计划的基础数据，图4是计划管理的界面图。

图4　计划管理

排产管理模块是结合计划、工艺和现场资源进行的，自动生成排产的甘特图，如图5所示。

图5　计划排产

现场管理模块可以实时获得零件的加工状况和现场资源的使用状况，反馈给排产管理、资源管理等模块，进而优化排产，形成生产闭环，图6为现场加工中心的负荷图，横轴代表时间，纵轴代表加工中心的工作时间，单位为小时。

4　结论

本文提出的基于MES无缝集成的FMS生产管理系统，由Main-MES和FMS-MES两层构成，与企业级的ERP、CAPP、CAD/CAM系统和工装系统有效集成，实现了企业层与底层柔性生产线的无缝连接，打破了传统FMS的信息孤岛，提高了FMS的运行效率，优化了企业管理策略，并在四川普什宁江机床有限公司的FMS80柔性线上得以成功实施。当然，该系统还存在些不足，在日后的研究中会继续完善。

图6　机床负荷

参考文献：

[2] 张超勇,饶运清,李培根,等.求解作业车间调度的种进遗传算法[J].计算机集成制造系统,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.

作者简介：武韶敏（1991 -），男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为数字化制造。

基金项目：国家科技重大专项（2012ZX04011-031）

收稿日期：2015-11-02

中图分类号：TP278

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)03-0011-04