4008-0537-07
面對快速變化的市場環(huán)境，現(xiàn)代制造企業(yè)都在加大信息化的發(fā)展，制造業(yè)趨于智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化，企業(yè)非常關(guān)注生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以便于提高生產(chǎn)排產(chǎn)的效率，實(shí)現(xiàn)制造過程的可追溯等功能。
傳統(tǒng)的車間管理系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)管理需求時(shí)，只能在電腦客戶端進(jìn)行生產(chǎn)管理，無法滿足實(shí)時(shí)預(yù)警、信息推送、靈活記錄生產(chǎn)信息的需求，隨著移動(dòng)終端智能化的不斷普及，現(xiàn)代制造企業(yè)對生產(chǎn)管理的靈活性提出了更高的要求。
本文以某汽車零部件加工車間為背景，從車間的實(shí)際出發(fā)，建立了基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠通過Android手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)對整個(gè)車間生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。
1 系統(tǒng)需求
經(jīng)過對該企業(yè)車間詳細(xì)調(diào)研和仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)目前車間生產(chǎn)管理方面存在的主要問題如下：
(1)數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成困難：各車間的協(xié)同作業(yè)和各業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)不能共享，無法確保企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)一致、準(zhǔn)確，各相關(guān)部門之間形成“信息孤島”，且生產(chǎn)數(shù)據(jù)依靠人工管理，工作繁重，工作效率低下。
(2)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集不完善：生產(chǎn)管理人員無法對關(guān)鍵零部件加工過程中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、加工時(shí)間、質(zhì)檢情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，數(shù)據(jù)采集需要人工記錄才能輸入電腦，數(shù)據(jù)的完整性和可靠性得不到保障，管理效率低下。
(3)無法完成質(zhì)量分析與追溯：生產(chǎn)管理混亂，缺乏質(zhì)量追溯，不能有效提供物料實(shí)際加工的狀態(tài)信息，無法追溯特定批次零件使用的毛坯批次以及每個(gè)零件具體批次的生產(chǎn)過程，無法跟蹤生產(chǎn)訂單的實(shí)際進(jìn)度情況，導(dǎo)致不能提供準(zhǔn)確的交貨時(shí)間。
(4)物料管理落后：物料庫存管理方式落后，不能準(zhǔn)確、及時(shí)的提供物料庫存信息，造成物料積壓、呆滯、短缺，不僅占用資金最大，有時(shí)還會影響正常生產(chǎn)。
針對該企業(yè)存在的以上問題，設(shè)計(jì)了基于MES的離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)可及時(shí)反饋訂單狀態(tài)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程、實(shí)時(shí)物料BOM等數(shù)據(jù)給管理人員，為決策者的決策提供相關(guān)依據(jù)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
車間生產(chǎn)管理監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S+B/S體系結(jié)構(gòu)，采用手持PAD、手持RF設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，使用系統(tǒng)服務(wù)器完成本系統(tǒng)應(yīng)用程序的管理、維護(hù)和運(yùn)行，從而極大增強(qiáng)系統(tǒng)的集成性和可維護(hù)性。生產(chǎn)車間配備兩塊電子看板，分別用來顯示整個(gè)車間生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
客戶端由用戶管理模塊，生產(chǎn)值息管理、作業(yè)調(diào)度管理、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理組成。用戶管理模塊含有一個(gè)超級管理員，超級管理員可以指定登錄人員的權(quán)限，從而保證系統(tǒng)的安全性；統(tǒng)計(jì)分析模塊可以對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，形成柱狀圖和曲線圖，使數(shù)據(jù)圖形化，更有利于數(shù)據(jù)的分析；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊包含了員工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等信息，加快了車間管理效率?？蛻舳斯δ芙Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
客戶端功能結(jié)構(gòu)圖
圖2 客戶端功能結(jié)構(gòu)圖
2.2 MES數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能在于將采集終端采集的相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并且使數(shù)據(jù)庫能夠被遠(yuǎn)程終端訪問。數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心部分，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)庫中的表能覆蓋所有需要的信息的同時(shí)，還要清楚反應(yīng)表的關(guān)系。本系統(tǒng)采用SQL Server 2008R2作為MES服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。
車間根據(jù)銷售計(jì)劃、訂單信息等制定生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)批次表和工序計(jì)劃表，通過計(jì)劃編制確定相應(yīng)的生產(chǎn)人員、設(shè)備及工藝，同時(shí)確定所需要的物料信息，把生產(chǎn)實(shí)績數(shù)據(jù)存入到生產(chǎn)實(shí)績表和成品入庫表，相應(yīng)的物料信息存入物料出庫表，根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求制定如圖3所示的系統(tǒng)信息模型。
系統(tǒng)信息模型示意圖
圖3 系統(tǒng)信息模型示意圖
3 關(guān)鍵模塊及技術(shù)分析
3.1 生產(chǎn)信息管理模塊
生產(chǎn)信息管理模塊包含生產(chǎn)訂單管理、物料與成品管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理。
(1)物料與成品管理。物料與成品管理主要為物料入庫管理、物料出庫管理和庫存查詢，物料入庫通過手持PAD掃描物料的二維碼，獲得物料相關(guān)信息，通過物料管理人員核對后存入數(shù)據(jù)庫。物料出庫時(shí)領(lǐng)料人通過生產(chǎn)訂單計(jì)劃領(lǐng)取物料，在所領(lǐng)取的物料上含有相關(guān)物料的二維碼信息，便于實(shí)現(xiàn)物料追溯。
(2)生產(chǎn)質(zhì)量管理。生產(chǎn)質(zhì)量管理主要記錄、跟蹤和分析產(chǎn)品及過程質(zhì)量數(shù)據(jù)，用以控制產(chǎn)品質(zhì)量，確定生產(chǎn)中需要注意的問題。質(zhì)量管理模塊功能主要分兩部分完成，一部分事數(shù)據(jù)采集客戶端，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入(檢驗(yàn)員在檢測零件時(shí)，通過手持設(shè)備上報(bào)質(zhì)檢結(jié)果），另一部分是通過客戶端，對質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息進(jìn)行維護(hù)，補(bǔ)錄未能在手持設(shè)備上錄入的信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的增刪、修改及查詢的基礎(chǔ)功能。
3.2 數(shù)據(jù)采集模塊
基于MES時(shí)離散型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用具有高度適應(yīng)性和可擴(kuò)充性的數(shù)據(jù)采集方式，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)手工錄入兩種方式。
(1)自動(dòng)采集
在零部件生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)采用無線固定RFID設(shè)備自動(dòng)采集生產(chǎn)加工信息。具體生產(chǎn)跟蹤流程是：車間生產(chǎn)工藝科根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃信息和操作人員信息下達(dá)生產(chǎn)指令后，在上線前進(jìn)行產(chǎn)品初始化關(guān)聯(lián)；操作人員在原材料上安裝RFID標(biāo)簽，然后讀取RFID信息，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品編號；在加過程中，系統(tǒng)自動(dòng)掃描RFID標(biāo)簽，記錄產(chǎn)品編號、加工時(shí)間以及操作員信息；在所有工序完成后，觸發(fā)MES報(bào)工和生成加工過程質(zhì)量檔案。生產(chǎn)跟蹤流程如圖4所示。
生產(chǎn)跟蹤流程圖
圖4 生產(chǎn)跟蹤流程圖
(2)手動(dòng)采集
考慮到設(shè)備、現(xiàn)場條件和成本等因素，并不是所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)都能做到自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，這就需要操作人員手動(dòng)錄入相關(guān)信息。本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程采用基于Android的手持PAD作為錄入工具，手持PAD和服務(wù)器之間基于Thrift框架通訊，可以實(shí)時(shí)錄入相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和物料數(shù)據(jù)，同時(shí)可以在PC客戶端錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和本地的無縫連接。
3.3 作業(yè)調(diào)度管理模塊
車間層的生產(chǎn)計(jì)劃主要是參考SFC系統(tǒng)內(nèi)下達(dá)的《月度生產(chǎn)計(jì)劃要求》，結(jié)合SAP系統(tǒng)產(chǎn)生的《月度產(chǎn)品均衡生產(chǎn)計(jì)劃》來確定車間生產(chǎn)的主計(jì)劃，進(jìn)而排出周生產(chǎn)計(jì)劃，最后確定生產(chǎn)班次、生產(chǎn)設(shè)備與操作人員。本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口模塊從外部系統(tǒng)導(dǎo)人生產(chǎn)工單，并對外部系統(tǒng)的訂單及撤單信息等進(jìn)行同步調(diào)整更新，以便及時(shí)調(diào)整車間實(shí)際業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)查詢或反饋現(xiàn)場信息。
根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的特點(diǎn)，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫自動(dòng)定時(shí)獲取主生產(chǎn)計(jì)劃，然后在系統(tǒng)中自動(dòng)編制生產(chǎn)計(jì)劃；也可通過Web頁面手動(dòng)導(dǎo)入Excel生產(chǎn)計(jì)劃或根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，人工編制生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：
(1)統(tǒng)籌生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的統(tǒng)一規(guī)劃、可控及可追溯；
(2)實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)(SAP/SFC)生產(chǎn)計(jì)劃同步，包含生產(chǎn)計(jì)劃的導(dǎo)入功能；
(3)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)查詢，同時(shí)提供導(dǎo)出Excel功能；
(4)可同步更新生產(chǎn)工單的調(diào)整及拆分；
(5)通過與車間相關(guān)系統(tǒng)的集成和信息交互，可快速查詢到計(jì)劃調(diào)整和車間的執(zhí)行情況。
3.4 關(guān)鍵技術(shù)分析
(1)并發(fā)采集
在生產(chǎn)設(shè)備管理中，由于要對多臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就要求整個(gè)采集模塊滿足高并發(fā)的要求。實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的傳統(tǒng)方法是多線程技術(shù)，但是多線程意味著線程的調(diào)度時(shí)間和數(shù)據(jù)的切換時(shí)間會增加，綜合考慮之后，本系統(tǒng)采用線程池的方法解決高并發(fā)的問題。
初始時(shí)為線程池配置一個(gè)合適的線程容量，服務(wù)器程序在開始執(zhí)行時(shí)就創(chuàng)建N個(gè)并發(fā)子線程，當(dāng)連接的設(shè)備減少時(shí)，系統(tǒng)就將已經(jīng)完成任務(wù)的線程逐步銷毀，直到線程數(shù)目恢復(fù)到正常水平。同樣，當(dāng)連接的設(shè)備增加時(shí)，就要相應(yīng)的增加線程數(shù)目。線程池的主要優(yōu)點(diǎn)在于，降低了操作系統(tǒng)的額外開銷和服務(wù)器的延遲，數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。
數(shù)據(jù)采集流程
圖5 數(shù)據(jù)采集流程
(2)Android設(shè)備和服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸
基于JSON消息格式的Restful服務(wù)和基于SOAP消息格式的Web Service作為當(dāng)前流行的服務(wù)調(diào)用方式，其中常用的兩種數(shù)據(jù)傳輸方式是XML和JSON，然而XML的缺點(diǎn)在于相對體積太大，從而導(dǎo)致傳輸效率低，而JSON體積較小、新穎，但還不夠完善。本文采用由Facebook開發(fā)的遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用框架Apache Thrift（架構(gòu)圖如圖6所示），是一種采用接口描述語言定義并創(chuàng)建的服務(wù)，支持可擴(kuò)展的跨語言服務(wù)開發(fā)，所包含的代碼生成引擎可以在多種語言中，如C++、Java、Python、PHP、Ruby、Perl、Haskell、C#、Cocoa和Smalltalk等，創(chuàng)建高效、無縫的服務(wù)，其傳輸數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式，相對XML和JSON體積更小，對于高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量和多語言的環(huán)境更有優(yōu)勢。
Thrift整體架構(gòu)
圖6 Thrift整體架構(gòu)
圖中Code為業(yè)務(wù)邏輯單兀，MES Service Client/MES Service Processor是根據(jù)Thrift定義的服務(wù)接口文件生成的客戶端和服務(wù)器端代碼框架，MES Read()/Write()部分為根據(jù)Thrift文件生成代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。其余部分是Thrift的傳輸框架協(xié)議以及底層的I/O通信，使用Thrift可以很方便的定義服務(wù)并且選擇不同的傳輸協(xié)議和傳輸層而不用重新生成代碼。
(3)信息的推送
當(dāng)服務(wù)器采集到設(shè)備空余、設(shè)備故障、物料短缺等特定預(yù)警信息時(shí)，管理人員需要及時(shí)獲取這些信息。本系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議，使用Message broker作為代理服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)信息推送功能。由于Message broker的連接數(shù)有上限，在達(dá)到一定數(shù)量后無法連接，運(yùn)行本系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)管理者數(shù)目較少，且服務(wù)器獨(dú)立，一般不會超過Message broker的連接上限，因此本方法合理實(shí)用。
4 結(jié)論
本文針對某汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)車間所存在的生產(chǎn)管理問題，利用RFID技術(shù)和Apache Thrift框架，設(shè)計(jì)了此生產(chǎn)車間管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可較好的解決傳統(tǒng)管理信息零散、數(shù)據(jù)冗余、信息反饋速度慢、信息滯后乃至信息造假的問題，與傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)相比，本文提出的基于Android客戶端的使用不僅讓管理更加靈活，而且推送功能使得管理更加靈活，極大的提高了生產(chǎn)企業(yè)的管理效率和車間的生產(chǎn)效率。
