应用于离散型制造业智能车间的制造执行系统MES研究与工程应用

吴宇豪　朱华

摘  要：阀门工厂属于离散型制造业的一种典型工厂，生产涉及加工、装配、检测等工艺过程，体现多品种小批量的特点，对人员、物料、设备管理的实时性要求较高。为提高效率，降低库存，方便追溯质量，在车间使用制造执行系统（Manufacturing Execution System，以下简称MES）进行优化管理至关重要。文章依据某阀门工厂的生产流程和管理要求，基于微服务架构，针对性的开发出库存管理、生产排程、电子看板、人力资源管理、设备管理、质量管理等功能模块。实践证明，该软件系统很好地满足了生产过程所涉及的業务功能的管控需求，提升了生产效率，实现了生产过程的透明化和精益化，为建成数据驱动的智能工厂打下了良好的基础。

关键词：离散型制造;制造执行系统;微服务架构;软件系统

中图分类号：TQ630.7 文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2019）31-0024-05

Abstract： The valve factory is a typical factory in intermittent manufacturing. It involves machining， assembling and testing processes. This process shows the characteristics of mass varieties and small batches. It is very important to use manufacturing execution system （MES） for improving efficiency， minimizing inventory and managing quality. Based on themicro-service architecture， MES software has been pertinently developed for a valve factory， and it has some key functional modules such as inventory management， advanced planning and scheduling， electronic signage， human resource management， equipment managementand quality management etc. Practice has proved that this software system satisfies the management and control needs of the lean producingand lays a good foundation for building a data-driven intelligent plant.

Keywords： intermittent manufacturing; manufacturing execution system; microservice architecture; software

1 概述

当前阀门工厂的运营模式是按订单订制生产，外购原辅料、零部件、成品等都体现出离散型制造业多品种、小批量的特点，这对生产过程中的库存管理、排产、人员以及质量管理的实时性提出了较高的要求[1-3]。目前大部分中小型工厂的管理工作都依赖于人工，这不仅制约了工作效率，也无法实现生产管理流程的数据化和透明化，急需建立基于数据驱动的智能工厂管理模式[4-6]。制造执行系统（以下简称：MES）是将现代信息化技术应用于生产车间制造过程管理的一种解决方案，可以有效连接上层生产管理系统（比如ERP系统）与车间的现场控制[7-10]。

本文以阀门工厂为研究对象，首先对工厂业务的流程和管理需求进行梳理，理清内部逻辑关系，然后在微服务架构下开发各功能模块和软件系统。在工厂上线后，运行结果表明，该MES软件系统的库存、排程、看板、人员、设备和工具、质量分析等功能模块符合生产过程管理的需求，实时性强，人机交互良好，操作简便，为实现智能工厂奠定了良好的信息化基础。

2 MES软件架构

MES作为连接工厂计划层和车间层执行系统的中间层，不同的企业对MES的功能要求是不同的，具有订制性的特点。为了让系统能提供快速模块化选配能力，本文采用层次化、模块化、可插拔的体系架构，通过现有模块的选配、替换和扩展，可以提供快速满足用户订制需求的能力，同时如果客户需求调整，软件功能也可相应灵活调整。本文的软件基础平台提供了非常好的复用性，并为功能扩展提供插槽，可以非常低的价格获得升级带来的好处。基于以上提供的个性化定制层，通过基于平台之上可复用资源库的组件选配、系统建模、二次开发扩展，提供满足个性需求的能力。基于微服务架构，将应用程序的不同功能单元（本文称之为微服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来，使模块保持良好的内聚性，模块间松散相关，使得系统具有良好的复用性、集成性、可移植性。本文MES的架构如图1所示。集群基于通用Linux 操作系统，通过容器化实现了服务的解耦，工艺文件等公司资料存放在分布式文件系统glusterfs中，投屏基于websoket进行数据的更新，由tomcat对外提供web的服务。

3 MES功能模块开发

根据对阀门工厂的业务流程分析，结合该工厂的特殊需求，比如考勤、工时统计、工具管理等，本文确定MES软件的功能点主要包括：用户管理模块、考勤模块、基础数据模块、设备管理模块、生产管理模块、工具管理模块、投屏模块等。细节要求如图2所示。

3.1 用户模块

用户模块主要分为用户管理和角色管理，如图3所示。用户管理用于维护员工的个人信息，角色管理每个员工的权限，不同角色可以根据权限来访问MES的不同功能模块并进行相应的操作。

3.2 考勤模块

应用人脸识别技术，在MES中设置考勤功能。根据厂家的特别需求，配置相应字段信息，每小时考勤一次，记录考勤结果，并在大屏上进行展示。对规定时间内未完成人脸识别考勤认证的员工，做考勤异常报警提示。通过服务器串口外接一个短信猫池设备，给管理员或者设定的用户发送考勤异常报警短信。其功能如图4所示。

工人从“入口考勤机”考勤进行入车间登记，从“出口考勤机”进行出车间登记。中途整点考勤可以在任一整点考勤机上进行考勤，信息在系统内共享。整点考勤人员范围包括，在系统配置的时间段内，在入考勤机上考勤过的但没有在出考勤机上考勤过的人员。整点考勤的时间范围包括，系统配置的时间段内的整点时间。对在考勤时间范围内，对需要考勤的人员进行整点考勤，对缺勤人员进行告警处理。对于考勤机中的无效的离职人员，应及时进行数据的删除和维护。

3.3 基础数据模块

基础数据模块是定义不同型号的产品BOM表及内部零部件的装配关系的关键环节。首先对产品的型号相关数据进行录入，成品可配置多个子零件的半成品，半成品配置多个毛坯或者原材料。对产品型号进行生产工序配置，将工艺文件绑定在产品的具体工序上，并在每道工序上关联车间属性、设备、人员、工时等基本信息。此外，此模块中还包括了物料库存管理功能，可以实时反映物料流水情况。功能如图5所示。

3.4 设备管理模块

该模块功能主要包括：机台设备添加，机台设备可生产产品工序配置，机台设备可操作员工配置以及机台设备标准工时维护。设备标准工时维护是按每生产一件产品多少小时来统计的。界面如图6所示。

3.5 生产管理模块

生产管理第一步是生产订单的管理，主要通过手动的方式录入生产订单，其中包括生产车间、产品型号、产品特殊性说明等[11]。也可以通过中间表的方式，从ERP系统中自动对接。第二步是订单结果确认，主要通过扫码方式对订单结果确认，在条件允许的情况下对不合格订单信息进行录入，并对订单生产进行跟踪，结果显示在大屏上。界面如图7所示。

生产订单到工單的拆分是系统自动完成的，操作人员只需要在对应的生产计划条目上点击拆工单，即可自动生成该计划的工单。主要过程为，取得生产计划中产品信息，包括产品编码、产品代号、计划数量，根据产品编码与工序管理中的产品编码关联，生成工单信息。整理成代码逻辑如下：

for each product in productplan

for each product in procedure

{

if（product.valid==ture）

generate worksheet;

}

for each end

for each end;

工单拆分之后，就可以根据需要进行派工，其过程为：取得工单中产品信息、计划数量、已生成数量，根据产品编码与机台设备工时管理中的工时定额和操作工信息，生成派工单信息。其中零件的派工数量以当前机台的工时定额，以及前一道工序的已完成数量和当前的派工数量之和作为参考进行派工。对于产品的工单，完成后，需要扣除拆工单中对应零件的已使用数量。另外根据机台工时配置和完成数据，生成员工工时数据。派单如图8所示。

3.6 工具管理模块

工具管理包括劳动工具和工装夹具的出借和回收流程，通过对工具进行赋码，在使用过程中读码对工具进行实时管理，管理人员可以在系统中实时查询工具使用情况。利用基础数据模块中的工时工具管理菜单定义工序中的各种工具。

3.7 智能投屏模块

车间管理员投屏与机台进行绑定，对产线的实际排产信息和机台完成量进行显示，同时展示产品的工序和工艺文件[12]。工艺文件投屏和车间大屏的画面构成如图10和图11所示。

通过查看当前时间段的派工单，找到对应机台信息，显示到对应的投屏，存在多个机台显示在一个投屏的情况，此时通过遥控器左右键切换到不同机台。智能投屏操作系统如图12所示。

4 结束语

十九大报告100项任务中指出：推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。工业互联网已经上升为国家战略。MES作为生产管控类的工业软件，是工业互联网平台重要的组成部分。满足离散型制造业用户大规模个性化定制和柔性生产的要求，是MES的发展趋势。本文针对阀门工厂的实际业务需求和流程，基于微服务架构，针对性的开发出库存管理、生产排程、电子看板、人力资源管理、设备管理、质量管理等功能模块。系统运行状态表明，该系统很好地满足了生产过程所涉及的业务功能的管控需求，特别是排产、工时统计、工具管理、考勤等，提升了生产效率，实现了生产过程管理的透明化和精益化，为建成数据驱动的智能