数字化精冲车间MES系统的研究与开发

文/苏子宁，孙勇，彭群，王俊·北京机电研究所

数字化精冲车间MES系统的研究与开发

文/苏子宁，孙勇，彭群，王俊·北京机电研究所

苏子宁,工程师,主要从事锻造生产线设计、调试工作，负责与参与完成齐齐哈尔车辆集团6300t锻造生产线控制系统、蒂森克虏伯锻造生产线控制系统、桂林福达锻造生产线12500t快速换模控制系统等项目。

精冲即精密冲裁，是一种先进的金属塑性成形加工技术，利用精冲技术可将板料冲制成尺寸精度高、冲切面光洁、形状复杂的零件。现精冲生产线多以生产汽车用的精冲件为主，生产线流程较长，设备较多，年产量巨大。目前，生产线的生产管理、库存管理、计划的编制和执行跟踪、质量追溯仍大多依赖手工方式进行，效率低、优化难、反应慢，严重影响了精冲企业的生产效率、经济效益和市场竞争力。

通过在精冲工厂实施MES，可提高生产过程现场数据采集、生产监控水平及计划执行能力，提升生产透明度，大幅改善产品的追溯能力，实现制造过程生产计划、物料跟踪、质量控制、工艺管理、统计分析等业务的协同，实现对生产过程的优化管理。

软件架构

精冲MES系统灵活采用B/S和C/S混合结构，其中车间内操作采用C/S下的客户端访问方式，以确保软件的访问速度；远程采用B/S下的浏览器访问，为不同用户提供了最大的灵活性。

整体软件架构包括MES数据库、MES业务系统与现场终端三部分，如图1所示。

图1 MES软件架构示意图

其中，MES数据库用以存储MES系统的基础主数据和业务功能数据及业务统计数据，部署在MES服务器上。当前选择数据库系统为SQLServer。MES业务系统为运行在MES服务器中的主程序，包括订单管理、生产排产、生产管理、物料管理、基础数据、员工管理等主要业务功能，以及用户权限管理等系统功能。现场终端由访问终端、电子看板、条码标签设备及手持终端组成。

开发技术

单机采集设备程序调整修改

现场单机采集设备程序调整修改，选择西门子工控编程软件Siemens STEP7，调整修改程序以便于同MES系统工业数据库通过数据接口实现数据传输。

MES主系统程序开发

在MES主系统（服务器端和客户端）及电子看板开发上，选择了微软的.net框架和C#开发语言，界面设计开发环境使用Visual Blend 2013，程序开发界面使用Visual Studio 2013。在Web系统开发上，采用了成熟的Java Web来进行开发，保证MES系统的稳定性、灵活性和展示效果。

数据库选择

系统数据平台采用 SQL Server 2008，确保业务的连续性，提高应用程序的可靠性，可集成任何数据。

系统通过工业数据库与单机采集设备进行数据传输，工业数据库支持工业设备数据的实时存储与访问、历史存储与访问、工业过程计算。工业数据库的软件模型如图2所示。

图2 软件模型示意图

MES系统功能与设计

生产数据采集

通过条码扫描、传感器采集与人工录入相结合的方式，对生产过程中的生产批次、工序、产品名称、操作人员、生产设备、时间等数据进行实时、准确、客观地采集，与传统的纯手工录入方式相比较，提高了采集的实时性、精确性、工作效率及延伸性，降低了采集过程中人为录入产生的错误几率。

订单管理

通过对数据库的关联，设置订单维护、添加、查询、编辑等功能，实现对订单数据的管理。

物料库存管理

通过物资管理，企业可以在生产过程中，对本企业所需物资的采购、使用、储备等行为进行计划、组织和控制,从而以降低企业生产成本。

成品库存和追溯

记录产品生产的全过程，可根据产品的编号进行数据追踪，包括：产品的生产批次、订单编号、产品名称、产品数量、原材料信息、生产工序、生产时间、生产设备、生产批次和操作人，实现生产过程的透明化和可追溯。

计划管理

系统采用方便直观的形式，以即时和实时的方式展示了真实的生产计划。所有生产订单、产品信息、生产批次、工序计划通过列表形象直观地展示出来。系统内具有多种排产方式，可最大程度地满足精冲行业多设备多工序的排产要求。图3所示是一种计划排产流程图。

统计分析

通过对排产计划、生产执行、物料库存等信息的统计分析及查询功能，提供丰富的图表，使企业能够从海量数据中提取出需要的数据，从而为企业做出科学的决策提供重要的依据。同时，提高了统计效率，降低管理成本，减少日常报表。

基础数据管理

MES系统的基础数据管理包括：工艺规范管理、下料规范管理、设备管理、物料管理、产品基础数据管理、工艺基础数据管理及工艺路径基础数据管理等几个功能。

(1)工艺规范管理。对产品的工艺规范进行管理，包括工艺规范名称、产品名称、下料速度、精冲速度、去毛刺速度、振动速度、质检打包速度、包装件数、包装净重等工艺规范信息的维护。

图3 计划排产流程

(2)下料规范管理。对产品的原材料信息及下料参数进行管理，包括产品名称、物料名称、规格、厂家、下料宽度、厚度公差等下料标准参数。

(3)设备管理：对车间的生产设备信息进行管理，包括主生产设备名称、型号、出厂日期、维护负责人等设备台账信息的维护，设备故障历史记录查询，设备维护记录查询等。

(4)物料管理。对原材料入库信息进行管理，包括物料名称、物料编码、安全库存量等基础信息的维护。

(5)产品基础数据管理。对产品基础数据信息进行管理，包括产品名称、面料材质、厚度、尺寸参数等基础信息的维护。

(6)工序基础数据管理。可对产品生产过程中的所有工序进行设置。

(7)工艺路径基础数据管理。可针对不同型号产品、不同生产方式的工艺路径进行设置。

能源管理

精冲车间主要能源消耗为电能，实现电能消耗的统计分析可以实现精冲车间精细化管理，降低生产成本。

⑴耗电统计。精冲车间的智能电表可采集获取每台设备的电能消耗计量数据，MES系统通过精冲车间无线网络与数据采集设备连接，通过一定的通讯协议，将获取的电能计量数据储存到MES工业数据库进行实时记录。

⑵耗电分析。耗电分析主要包括：为精冲车间提供电能流向分析、工序电能消耗分析、电能损失分析，为精冲车间实现电能平衡调度，减少电能浪费。

设备OEE统计分析

每一台设备都有自己的理论产能，OEE设备综合效率分析就是对设备的实际产能和理论产能进行比较，方便精冲车间宏观了解车间生产状况和生产信息，可以针对问题分析和改善生产状况，最大化地提高资源和设备的利用率，提高生产能力。

OEE统计分析需要关联已开发实现的功能模块的数据，如设备基础数据、产量统计、人员考勤等，综合这些基本数据完成对整个综合效率的分析。

用户权限管理

用户权限管理功能，指的是对不同用户的访问权限进行管理，包括角色管理和用户管理两部分。可定制表单组件通过业务层中的权限控制组件来配置表单的用户和角色。其中，表单权限可逐层细化到业务数据级、数据单元级、基本表单级和业务表单级，在不同层次上均可进行表单权限控制。

系统内置超级管理员Admin(密码Admin)，超级管理员登陆后，可以添加角色和基于某角色的用户。

结束语

通过精冲MES管理系统的实施，现场人员可全面、及时、准确地掌握生产进度、计划完成情况、设备运行情况、能耗情况、库存、生产质量等实时生产信息，辅助调度指挥决策对衡量生产绩效的关键指标，如关键设备作业率、准时交单率、工序间等待时间，进行统计、分析和评价，使生产节奏协调顺行，前后工序衔接有序，从而提高计划执行效率。