电缆行业生产过程监视MES系统解决方案

对电缆行业制造车间生产过程监视系统进行了研究,结合电缆行业订单的定制型、多品种、成本高、利润薄等特点,以企业业务流为主线,分析电缆生产车间加工的各个环节,提出了从

对电缆行业制造车间生产过程监视系统进行了研究,结合电缆行业订单的定制型、多品种、成本高、利润薄等特点,以企业业务流为主线,分析电缆生产车间加工的各个环节,提出了从基础数据管理、订单任务排产、生产进度监视、生产看板发布、质量追溯等几方面的应用解决方案。通过在典型电缆企业的应用,实现了电缆生产任务排产和生产过程信息全过程的实时监视,生产全过程的无纸化办公,大幅提高了企业的生产效率。 
 
制造执行系统(MES)由美国先进制造研究机构AMR于90年代初提出的,其定义如下:由一组共享数据的程序所组成的、通过布置在生产现场的专用设备对从原材料上线到成品入库的生产过程进行实时数据采集、控制和监控的系统。MES控制包括物料、设备、人员、品质、工艺、流程指令和设施在内的所有工厂资源,提供了一种系统地在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度、设备管理、制造物流等功能的方式,从而实现企业实时化的信息系统。MES系统实时接受来自企业资源规划系统(ERP)的工单、BOM、制程、供货方、库存、制造指令等信息,同时把生产方法、人员指令、制造指令等下达给人员、设备等控制层,再实时把生产结果、人员反馈、设备操作状态与结果、库存状况、质量状况等动态反馈给ERP系统,因此MES系统建立起了制造企业的过程控制系统(PCS)和ERP之间的桥梁。
随着工业4.0和智能制造时代的到来,国内外的制造型企业对MES的应用越来越重视,面向制造型行业的生产制造执行系统的推广是一个必然的趋势.电缆行业其特殊的行业特点:定制型、多品种、成本高、利润薄等,无法再按照传统人 工纸质化的形式来实施生产,必须实施精细化管理。同时,网络技术在工业控制领域内的越来越成熟的应用,使得MES在制造型企业的实现变得越来越容易。即依托网络技术和智能制造技术,实时动态地对生产车间生产过程进行信息化的生产监视与管理。


1 电缆生产过程存在问题分析
某电缆生产企业的实际生产车间现状如下:
a.生产任务的排产、下发、监视、质量管理都采用人工纸质化的管理模式,生产任务的一级排产在其已有的独立系统完成,然后排产单下发到生产车间,生产技术人员根据生产现场的实际生产的情况来进行二级排产,最后完成纸质派工单的人工下发;

b.生产任务的监视方式是车间现场的工人不时到各生产机台去收集订单的生产信息,之后根据实际的生产任务整理出当时的生产进度,完成生产任务的监视,并上报给企业管理层;

c.质量管理是质量部人员根据生产工艺的规定和现场实际生产情况,定时检查或抽检,进行人工纸质化的质量分析,具有一定的被动性,无法保证生产订单质量信息的实时可视化监视。
可以看出:生产的全部过程都是采用人工采集、纸质化分析完成的,实时性差,效率低,排产周期长,不够灵活,缺乏科学的管理。


2 电缆生产MES网络结构设计
电缆生产制造执行系统包含底层的PCS系统和上层的MES系统.PCS系统采用西门子S7—200/S7—300 PLC连接现场生产设备机台,并采集实时数据;区域工作站使用winCC收集S7—300的生产数据,实时监视各设备的生产状况,并提供OPC Server接口;MES系统安装在生产监控中心的计算机上,包含一个OPC Client模块,与WinCC提供的OPC Server通信,获取PCS的实时生产数据;同时,通过LED大屏看板,把生产过程信息和订单进度情况发布到生产看板上,方便实时掌握生产情况。


3 MES软件设计
对于制造执行系统,接收到一个生产订单,须将其分解具体到生产设备,才能进行生产。每个生产任务都有一个特定工艺流程和相应工艺配方。工艺流程是一系列工序的有序集合,没有指明怎么生产。每一道工序下又包含一个或多个设备,每个设备的生产参数和原材料都应有明确规定,才能进行生产。
在软件设计之初,必须明确原子级元素(生产机台以及对应参数),然后对这些元素像搭积木一样构成生产业务流程.在MES中,先录入一些基本参数并配置好一些常用的生产工艺流程和生产配方,制成模板,方便以后任务分解。根据以上设计思路,一个典型MES软件包含系统设置、数据采集、基础数据、订单排产、生产监控、看板发布、质量跟踪等模块。

3.1 系统设置模块
该模块设置软件的一些基本信息,如软件名称、软件Logo、功能模块管理、OPC(OLE for process contr01)参数、生产看板系统显示属性(字体、颜色、刷新方式)等设置。

3.2基础数据模块
生产订单分解需要大量基础数据的支持,包括设备信息及参数信息、工序信息、工艺流程信息、物料信息、人员信息等。在这些数据中,有的是原子级数据(设备信息、工序信息、人员信息、物料信息),有的是原子级数据的组合,即非原子级数据(工艺流程、工艺参数、配方)。对于原子级数据,可以直接从ERP中获取,也可以手工录人。对于非原子级数据,在该模块中,组合一些常用模板,方便订单分解。

3.3数据采集模块
OPC采用COM/DCOM技术,主要的作用是屏蔽PCS层的硬件。由于各硬件厂商的通讯协议不相同,国际OPC基金会提出一个通用的数据采集接口,统一数据采集接口。0PC标准以微软公司的0LE(object 1inking and embedding)或Active X、COM(部件对象模型)和DCOM(分布式部件对象模型)技术为基础,包括一整套接口、
属性和方法的标准集,用于过程控制和制造业自动化系统,为应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。0PC分为OPC Server和OPC C1ient。

OPC Server由SCADA软件提供并实现,OPC Client作为MES系统的一个模块,采集PCS的数据。OPC server软件大多由PLC等硬件提供商实现,OPC Client软件由应用软件实现.本系统为了兼容大多数的PLC等硬件,利用OPC采集过程实时数据.数据采集模块实时显示从OPC Server采集来的数据,OPC Client用动态连接库类实现,放在后台线程中,随系统软件运行,周期 性从PCS采集数据.表1所示为2015-04-23日采集的部分数据,品质均良好 。
 
表1 MES采集OPC数据 
表1 MES采集OPC数据 
 
3.4订单排产模块
订单排产采用人工排产或自动排产的方式。每个任务都可匹配在基础数据模块定义好的工艺流程和工艺配方模板,并可在模板基础上修改参数,达到定制要求。在配置生产配方之后,可进行生产任务的排产,确定每道工序机台的计划开始时间、计划结束时间、加工要求、加工内容等,如图1所示。在生产计划列表中点击该生产计划的某一道工序,在界面右边中可以进行相应计划开始时间、计划结束时间、加工要求、加工内容的设置,为生产派工做准备。
图1 订单排产生产计划  
图1 订单排产生产计划 
 
3.5生产监控
在生产过程中,无法做到生产任务进度的自动化管理,须要人工确认生产进度信息,如图2所示,点击图2中方块,会在其右边显示当前的工艺路线、工序名称、计划开始时间、计划结束时间、实际开始时间、实际结束时间等具体的生产信息。现场操作人员,在该工序开始的时候,点击相应工序开始按钮,结束时,点击相应工序的结束按钮,系统就会自动录入当前工序的实际开始开始和实际结束时间,还可以通过作业甘特图实时观看订单生产进度 。
订单生产工序监控 
图2 订单生产工序监控

3.6生产看板发布
生产看板系统作为MES模块的一个重要的功能,可以将生产任务重要参数,如订单编号、客户名称、计划生产长度、实际生产长度、当前工序、当前机台等信息显示到LED大屏上。系统可以定制选择显示的列,灵活配置须要重点关注的生产信息,并结合不同的LED大屏物理尺寸和分辨率进行适应性匹配。此外,在大屏的顶部,可以发布自定义通知信息,一屏多用。

3.7质量跟踪模块
制造业一直非常重视产品质量,特别是近几年频繁出现的质量问题事件和产品召回事件,各制造型企业越发重视产品质量跟踪与追溯.质量跟踪模块通过自动和人工的方式采集物料(原材料、半成品、成品)、人员、设备、工艺、环境、测量等信息,并存人数据库系统。

在企业生产过程中发现产品质量问题时,从存在质量问题的最终产品出发,反向追溯该问题产品的生产过程,通过调取该产品生产过程中的所有影响产品质量形成的要素信息,检测、分析出问题的根源,为产品质量问题的诊断提供帮助。在确定了问题产品的根源后,可以通过对质量数据的标识,从存在问题的批次原料或部件出发,利用正向追溯去找到受到同样影响的具有潜在质量缺陷的最终产品,有利于防止问题产品或部件的召回,避免给企业和客户造成损失。


4 MES应用软件设计关键技术
4.1 XML技术
即可扩展标记语言(XML)是一套定义语义标记的规范,其目标是能够定义计算机和人都方便识别的数据类型。XML应用特别灵活,它不像数据库那样,数据结构固定,不利于数据的扩展,又因其特定的格式规范,使得在数据查询方面极其方便。XML在存取结构可变的小数据方面有数据库无法比拟的优势。在MES中,由于须要保存的数据结构复杂,且格式不固定,把这些数据存人数据库中有困难,但可以很容易存储在XML中。利用文档对象模型(DOM)可以方便读写XML文件;因此,使用XML文件保存模块信息,系统实现了模块的灵活可配置,保证了MES软件的可扩展性.

4.2反射机制技术
XML与反射技术的配合,让软件的灵活性和扩展性的实现成为可能.反射主要是指程序可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力,是实现各种设计模式的重要技术。在系统应用中,XML文件中保存类的相关信息以及各种类之间的关系,在程序启动时,通过DOM读取XML中的类之间的关系信息,在使用某个类时,通过XML读取该类的配置信息,通过反射机制技术把该类实例化使用。

4.3值对象技术
面向对象开发语言提供一些通用容器类来存储数据,但这些通用容器类不适合数据结构定制高的场合。在实际的使用中,使用类来封装数据结构,它既可包含通用容器类,也可包含自定义数据结构。这些自定义类就是值对象(value object),这些值对象即可以保存数据,又有面向对象的特性,这样就便于数据的安全和扩展。
 
在软件中,值对象的应用表现在以下两方面:
a.值对象作为一个对象,有着灵活的封装性,程序将可以关系较为紧密且使用较多的数据封装在一起,安全性较好。程序中提供不同值对象相互转换的Data Convert类,使MES应用软件生产数据以不同的形式存在于程序中,方便使用。
b.一些配置信息和结构灵活的生产任务信息保存在XML文件中,往往这些数据须要整取整存,经I/O一次性读取和DOM解析之后,储存在一个值对象中,供程序使用。

5 结语
介绍了MES在电缆行业制造车间生产过程监视系统中的应用实现,包括基础数据、数据采集、订单任务排产、生产进度监视、生产看板发布、质量跟踪等几方面。MES软件对生产任务排产下发、生产过程实时监视,使生产过程透明化,很好地展示了生产进度情况,让现场生产人员、管理人员能清晰、直观地掌握每个订生产任务的生产执行情况,加强了生产计划的可执行性.通过在典型电缆企业的应用,系统能够有效地组织、协调、计划与控制企业的经营活动。 



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