基于移动终端的生产流程实时管控研究*

张 南，王德权

(1.辽宁对外经贸学院大数据研究院，辽宁 大连 116052；2.大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116023)

0 引言

对生产流程实时管理及动态监控，国内外进行了大量的研究。文献[1]以精益物流为指导思想，以生产能力、工艺时序、随机不确定性因素为约束条件，建立了组合优化排产模型。文献[2]提出了基于RFID的面向生产过程的物料实时跟踪与管理系统。文献[3]评估了多种离散制造业动态调度方案，确定最优方案。文献[4]识别和收集了离散制造业和流程制造业的复杂性驱动因素，确定了两种方法的评价标准，建立了评价模型。文献[5]提出了能动态反映车间生产进度、物料消耗情况、零件加工信息的多品种小批量机加车间的生产任务执行情况三维可视化动态监控系统，解决了机加工车间监控可视性低、生产进度信息实时性差等问题。

移动终端在生产现场中数据采集方面也得到了广泛应用。文献[6]应用RFID技术、ARM嵌入式技术、GPS技术及无线通讯技术设计了数据移动终端，并成功地应用于物流管理及资产管理。文献[7]应用Wi-Fi和3G无线通讯网络实现异构设备之间的跨平台访问,实现了车间移动信息交互。文献[8]开发了基于WIFI技术的离散制造业生产数据采集管理终端，实现了生产数据的实时采集。

本文在生产流程可视化及利用移动终端数据采集的研究成果的基础上，提出离散制造业生产流程实时管控方法。形成实时采集车间生产进度信息，清晰、直观、及时、高效的可视化显示，再根据数据及时地调整生产计划和分配制造资源的闭环控制。

1 生产流程实时管控系统流程

面向订单的离散制造业在生产过程中通常表现为多品种小批量的生产模式，通常有以下特点：

(1)产品结构：产品结构可以用树的概念进行描述,最终产品是由关系明确的固定个数的零件或部件组成。

(2)工艺流程：组成最终产品的每个零部件的工艺过程都有可能不一样，生产设备的布置不是按产品而是按照工艺。加工过程需要对所加工的物料进行调度，中间品需要进行搬运。

(3)生产计划：按订单组织生产，生产车间的计划很难预测，同时，产品制造过程中经常进行工艺过程变更。

鉴于以上特点，离散制造业的生产流程通常涉及到多个职能部门，生产过程的跨职能流程图如图1所示。设计部根据订单进行设计，生成产品结构树，确定产品结构，工艺部根据零件的图纸确定零件的加工工艺及标准工时，制定工艺路线卡片，制造部制定生产计划，生产车间根据生产计划有序生产，车间管理人员进行生产过程的整体监控。

图1 跨职能流程图

2 生产流程实时管控系统总体设计

2.1 生产流程实时管控方法

生产流程实时管控方法，包括生产计划动态制定及动态调整、工艺过程实时跟踪及追溯、生产数据实时可视化等。通过智能化、网络化、集成化和管理创新等技术，实现了利用移动终端实时采集、管理生产过程数据，提升了制造业企业的信息化、智能化水平，提高了企业的生产管理能力。对解决制造业企业的生产过程中的问题具有一定的应用价值，体现了智能制造的先进理念，能够助力制造业企业进行智能化升级改造以适应未来智能化、网络化的发展趋势。

2.2 生产流程实时管控特点

运用智能制造思想，同时根据离散制造业的生产特点，对现有生产流程进行智能化改进及完善，将制造系统中的生产计划、进度安排、物料流动、物料跟踪、过程控制、过程监视、质量管理、设备维护和信息管理等进行一体化集成，形成新的生产运作和管控模式。

主要体现为自动生成附有条形码和二维码的工艺过程卡片，且支持批量打印；根据制定的工艺及定额、计划完成时间、备料时间、工厂日历、车间设备情况等，自动生成生产计划；在各生产设备周围布置移动终端，实时采集生产过程数据，并保存到数据库中；生产过程数据同步在大屏幕、电子看板显示。

2.3 生产流程实时管控系统体系结构设计

基于移动终端的生产流程实时管控系统，管理端负责总体生产计划录入、工艺计划制定、工厂日历等基础数据维护，并拆分生产计划。分布在生产车间各个生产过程监控节点的移动终端负责实时采集生产过程信息，并进行有效整合、处理及分析，获取生产过程的实时动态信息，对生产过程进行实时的动态监控。

图2所示为基于移动终端的生产流程体系结构图，该体系结构包括计划层、执行层、控制层，其基本功能如下：

图2 基于移动终端的生产流程体系结构

(1)计划层：系统数据的入口。各职能部门数据的入口，包括录入订单的交货期，制定订单的总体计划等。同时计划层也包括录入基础数据(设备情况、工厂日历、操作工人情况等)。

(2)执行层：系统的核心层。从计划层接收总体生产计划，根据订单交货的总体计划、产品的设计结构树、所有零件的工艺计划、工厂日历等信息拆分零件的生产计划至各车间的生产设备，发出生产指令，下达生产计划。同时，监控总体生产流程、零件生产过程的实时监控，进行零件生产进度的追溯。同时通过灵活的可视化手段展现在电子看板上。

(3)控制层：安装在车间的移动终端设备，通过扫描枪实时采集生产过程数据。同时将对生产工艺进行实时的控制和调整，来实现物料、设备、人员和信息的“协同”。

生产过程中从下层系统接收现场的实时数据，对实时事件、实时数据进行及时的加工和处理，并向上层系统反馈生产计划的处理结果。

3 生产流程实时管控系统实现

系统实现了基于移动终端的生产流程实时全面的管控，监控整个生产流程，在满足约束条件的前提下，合理的为生产任务分配资源，确定各个零件的加工时间及加工设备；通过多移动终端并行，采集加工过程中涉及的数据。解决制造业企业所面临的生产计划难以制定、生产流程不可控等问题，助力企业生产管理信息化、智能化。系统功能组成如图3所示。

图3 基于移动终端的生产流程实时管控系统功能组成

3.1 移动终端设计

移动终端只需实现生产现场数据的采集及保存，因此只需要安装扫描枪，扫描条码，其他的负责逻辑在服务器端。从硬件的性能上，普通配置即可满足要求，因此选择普通的工业平板电脑(触摸屏)就能够满足通讯及数据采集的要求。

3.2 生产计划动态制定及动态调整

目前，离散制造业企业生产计划制定不够合理，因此，依据订单交货期、库存备料、车间设备加工能力、工人加工能力、零件的加工工艺、零件的加工工时、零件的重要性、瓶颈工序等约束条件，系统中最大化产能的智能生产计划制定算法。同时能够根据移动终端采集的实时的加工进度数据，动态、及时地调整生产计划以应对生产中的突发情况(设备故障、零件报废、临时加急零件等)。工艺过程卡见图4。

图4 工艺过程卡(附加二维码)

3.3 零件加工过程实时采集及追溯

在每个零件加工设备处，通过移动终端进行加工零件的零件扫描、工序扫描及加工工人的工号扫描，确定零件的加工工序及工时等数据，这些实时的加工工程数据，是整个生产流程中的零件、工序、工时、加工工人、物料实现快速追溯的基础数据。也是生产计划动态调整的重要数据支持。加工过程追溯界面如图5所示。

图5 加工过程追溯界面

3.4 生产过程管控可视化

动态的生成过程数据，通过移动终端、PC端、LED大屏幕、电子看板等形式展示出来，为领导层提供决策支持。决策的数据支持包括实时的订单完成度、生产任务执行度、在制零件数量、未完成零件工时、工序能力、零件质量等，如图6所示。

图6 生产过程可视化界面

4 结束语

本文是在制造业向信息化、智能化转型的背景下提出的，通过实现生产流程管理所涉及的多因素制约的生产计划制定及动态调度，零件加工进度实时跟踪追溯，生产过程数据实时采集等功能。进而实现了生产过程数据(生产工人、设备、零件、工序能力、加工进度等)的全面监控，改变制造业企业生产进度监控不力，决策缺乏数据支持的现状。