智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MES軟件系統(tǒng)介紹

近年來(lái)，隨著智能制造在國(guó)內(nèi)外的迅速發(fā)展，智能設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)越來(lái)越受到企業(yè)和學(xué)術(shù) 界的追崇。為了更加靈活、準(zhǔn)確和及時(shí)的提高對(duì)生產(chǎn)線的合理配置，提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和質(zhì)量，因此，設(shè)計(jì)了針對(duì)智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MES軟件系統(tǒng)，來(lái)改善生產(chǎn)管理水平，提高質(zhì)量控制能力和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控能力。

隨著工業(yè)4.0和智能制造在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用越來(lái) 越廣泛，國(guó)內(nèi)中小型制造企業(yè)越來(lái)越重視信息化工作。 先進(jìn)的管理思想和管理系統(tǒng)相繼被中小型企業(yè)引入，包括以MRP、MRPII和ERP為代表的計(jì)劃管理系統(tǒng)和以 DNC、PLC和SCADA為代表的工業(yè)控制系統(tǒng)，這些系 統(tǒng)對(duì)企業(yè)具有良好作用。然而，計(jì)劃管理系統(tǒng)不能夠拓 展到底層控制系統(tǒng)，而底層控制也不能向上擴(kuò)展到計(jì)劃層，在計(jì)劃層和控制層出現(xiàn)了“信息孤島”現(xiàn)象，導(dǎo)致 企業(yè)制定的計(jì)劃得不到準(zhǔn)確的執(zhí)行。從中可以看出計(jì)劃 管理系統(tǒng)在制定計(jì)劃的時(shí)候不能夠?qū)崟r(shí)地獲取現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在制定計(jì)劃的時(shí)候缺少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的分析。當(dāng) 企業(yè)的內(nèi)外環(huán)境變化時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也無(wú)法得到及時(shí)的指 令來(lái)進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)劃層和控制 層缺乏有效的溝通和集成是導(dǎo)致計(jì)劃和生產(chǎn)脫節(jié)的真正 原因。這種脫節(jié)不利于提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。信息化 的發(fā)展使企業(yè)發(fā)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）可以解決兩者 之間的脫節(jié)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)上下層的雙向溝通與通訊，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。

MES系統(tǒng)作為計(jì)劃層和控制層之間的執(zhí)行層，負(fù)責(zé) 管理車間生產(chǎn)和執(zhí)行計(jì)劃調(diào)度。制造執(zhí)行系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng) 一的集成平臺(tái)上提供了車間管理和控制功能，有效提升企業(yè)的車間管理能力。制造執(zhí)行系統(tǒng)通過(guò)控制物料、設(shè) 備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有車間資源來(lái)提高制造競(jìng)爭(zhēng)力，在統(tǒng)一的平臺(tái)上集成了物料管理、質(zhì)量管 理、文檔管理和生產(chǎn)調(diào)度等相關(guān)功能。制造執(zhí)行系統(tǒng)的 功能充分的解決了計(jì)劃層和控制層之間的矛盾，充分利用上下層之間的數(shù)據(jù)來(lái)提高計(jì)劃的實(shí)時(shí)性和靈活性，同 時(shí)又能改善生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含諸多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其三維 模型如圖1所示，其中配備有一臺(tái)測(cè)量?jī)x、兩臺(tái)數(shù)控銑 床、機(jī)器人手臂、AGV、立體倉(cāng)庫(kù)和輔助分揀等設(shè)備。智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是模擬刀刻印章的生產(chǎn)流程進(jìn)行 全智能無(wú)人參與的生產(chǎn)制造。

圖1 智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維模型

該MES系統(tǒng)可整合上層的ERP系統(tǒng)和底層的FMS系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其總體框架 如圖2所示。

圖2 MES總體框架圖

1）計(jì)劃層主要是進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃，其包含ERP/ MRPII等上層管理系統(tǒng)，提供各種生產(chǎn)信息，如物料、 產(chǎn)品和人力資源等信息。

2）執(zhí)行層由MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，MES系統(tǒng)的主要功能 是對(duì)訂單進(jìn)行管理、物料管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、 途程管理、資料管理和備份管理等。

3）控制層主要通過(guò)生產(chǎn)調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的反 饋和對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。

4）從圖2可以看出，針對(duì)智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MES 系統(tǒng)整合了計(jì)劃層的訂單管理，MES更加方便快捷的了 解訂單的具體詳情，實(shí)現(xiàn)對(duì)訂單執(zhí)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控。MES系統(tǒng)還通過(guò)和FMS系統(tǒng)之間的交互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的監(jiān)管和對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。充分發(fā)揮MES系統(tǒng)作為執(zhí)行層的作用。

3.1 MES功能模塊組成

智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)是全工作流程無(wú)人參與， 實(shí)時(shí)的反饋生產(chǎn)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，只需要下發(fā)具體的生 產(chǎn)指令，智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就可以進(jìn)行生產(chǎn)制造。根據(jù)其特點(diǎn)，確定MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是分析客戶訂單、分配 物料設(shè)備等資源和設(shè)計(jì)工藝流程，因此，將MES系統(tǒng)功 能設(shè)計(jì)成八個(gè)模塊，如圖3所示。

圖3 MES系統(tǒng)功能模塊

1）基礎(chǔ)資料模塊。主要是人員管理、角色管理、 權(quán)限管理和密碼管理四個(gè)子模塊。人員管理子模塊實(shí)現(xiàn) 對(duì)人員的信息進(jìn)行管理，包括添加、刪除和修改人員信息;角色管理子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)角色信息的管理，也提供對(duì)

角色的添加、刪除和修改功能;權(quán)限管理子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì) 權(quán)限信息的管理，也提供對(duì)權(quán)限的添加、刪除和修改功 能;密碼管理子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)人員密碼的修改功能等。

2）訂單管理模塊。訂單管理的訂單來(lái)源于客戶訂 單，主要將訂單信息附帶的產(chǎn)品信息進(jìn)行分析，查找產(chǎn) 品所需要的物料和設(shè)備信息。

3）設(shè)備管理模塊。主要是設(shè)備編碼管理、機(jī)床管 理和AGV管理三個(gè)子模塊。設(shè)備編碼管理子模塊主要是 實(shí)現(xiàn)與底層FMS調(diào)度軟件進(jìn)行設(shè)備編碼統(tǒng)一，方便設(shè)備 的調(diào)度和管理，以及對(duì)具體的設(shè)備信息反饋;機(jī)床管理 子模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控銑床信息的狀態(tài)監(jiān)控;AGV管理子模塊目的是實(shí)現(xiàn)RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）信息的反 饋來(lái)追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程等。

4）物料管理模塊。主要是物料信息、倉(cāng)位信息、 產(chǎn)品信息和BOM表四個(gè)子模塊組成。物料信息子模塊 存放物料的詳細(xì)信息，包括物料編號(hào)、物料名稱、物料數(shù)量和供應(yīng)商等信息;倉(cāng)位信息子模塊是對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)產(chǎn) 品的位置和輔助揀選的物料位置信息的確定;產(chǎn)品信息 子模塊是對(duì)產(chǎn)品具體信息的描述;BOM表是產(chǎn)品物料 清單的生成等。

5）途程管理模塊。主要是工藝流程、工藝卡和 SOP三個(gè)子模塊組成。三個(gè)子模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生成 流程的設(shè)計(jì)和將流程信息的細(xì)化，以便下發(fā)給調(diào)度軟件 FMS能夠有條不紊的進(jìn)行生產(chǎn)。途程管理是智慧工廠實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)最核心的功能模塊。

6）質(zhì)量管理模塊。主要是包括生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量 監(jiān)控模塊和生產(chǎn)結(jié)束后的報(bào)表分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中的故 障監(jiān)控和分析。

7）資料管理和備份管理模塊。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中 使用的資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要數(shù) 據(jù)的備份功能。

3.2 MES功能設(shè)計(jì)特點(diǎn) 上述智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MES系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)采用人機(jī)料法環(huán)的特點(diǎn)將MES設(shè)計(jì)成基礎(chǔ)資料、設(shè)備管理、物料管理、途程管理和其他管理，充 分體現(xiàn)對(duì)整個(gè)流程的全面質(zhì)量管理。

2）訂單的細(xì)化處理，通過(guò)對(duì)訂單的細(xì)化可以更加 快速高效的獲取訂單中產(chǎn)品的詳細(xì)信息，方便后期的物 料設(shè)備選取和管理。

3）MES系統(tǒng)處于上層計(jì)劃層和底層控制系統(tǒng)之 間，其囊括了上層的部分功能和底層的部分功能，更加 靈活的實(shí)現(xiàn)與上下層之間的銜接。

4）MES系統(tǒng)與底層FMS調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行銜接，充分 的利用FMS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度特點(diǎn)解決了MES在B/ S架構(gòu)下的效率問(wèn)題。

4.1 軟件框架技術(shù)

智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MES系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式， 可實(shí)現(xiàn)多用戶異地訪問(wèn)和控制。

MES系統(tǒng)軟件框架采用SSH框架（Spring框架+Structs框架+Hibernate框架）技術(shù)，該框架將用戶界 面、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的處理三個(gè)部分分離，降低各個(gè)層 次間冗余度和耦合度，并且能夠提高M(jìn)ES系統(tǒng)的擴(kuò)展 性。該MES系統(tǒng)根據(jù)SSH框架特點(diǎn)將其分為Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層三個(gè)層次。

Web層是用戶界面層，提供供用戶操作的可視化界 面。Web層采用Structs框架管理各個(gè)頁(yè)面之間的邏輯， 并提供控制類（AcTIon類）來(lái)處理頁(yè)面之間的數(shù)據(jù)傳遞 和頁(yè)面與業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞。Web層的頁(yè)面采用JSP 語(yǔ)言編寫(xiě)的jsp頁(yè)面，頁(yè)面自身內(nèi)部邏輯采用JavaScript（Jqurey類和Ajax技術(shù)等）腳本語(yǔ)言和HTML語(yǔ)言等來(lái) 實(shí)現(xiàn)。

業(yè)務(wù)邏輯層是后臺(tái)對(duì)頁(yè)面數(shù)據(jù)處理層，其包括服務(wù) 類（Service）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象（DAO）和簡(jiǎn)單Java對(duì)象（POJO）。服務(wù)類為Structs框架的控制類（AcTIon類） 提供業(yè)務(wù)邏輯的操作方法，是Web層傳遞數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù) 的接口。數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象（DAO）為Service類提供數(shù)據(jù)的 增、刪、改和查等操作方法。簡(jiǎn)單Java對(duì)象（POJO）是 DAO和Service類操作的對(duì)象，它將數(shù)據(jù)庫(kù)中表一一映射成一個(gè)個(gè)POJO對(duì)象，這樣DAO和Service類對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的 操作就轉(zhuǎn)換成對(duì)POJO對(duì)象的操作。

數(shù)據(jù)層是使用Hibernate框架，該框架實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù) 服務(wù)器進(jìn)行連接，并封裝對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的方法，這些方 法可以供DAO進(jìn)行調(diào)用。

Spring框架是全方位的整合框架，主要是將以上三 個(gè)層次進(jìn)行整體配置和融合，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)子框架的組 合，也可實(shí)現(xiàn)子框架之間相互獨(dú)立。使MES系統(tǒng)軟件的 三個(gè)層次更好的協(xié)同工作。

4.2 MES和FMS集成

MES軟件和FMS軟件的集成的業(yè)務(wù)流程如圖4.2所 示?；玖鞒淌荕ES系統(tǒng)通過(guò)下發(fā)訂單，將工藝詳情和 訂單綁定在一起交給FMS軟件，然后FMS根據(jù)工藝詳情 與底層設(shè)備進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的監(jiān)管與控制， 并將生產(chǎn)狀態(tài)反饋給MES進(jìn)行分析處理。

MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)的集成主要是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù) 器作為中間橋梁，將兩者之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和交 互。MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括訂單 管理數(shù)據(jù)、材料管理數(shù)據(jù)、工藝管理數(shù)據(jù)和過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)四部分的數(shù)據(jù)。

訂單管理數(shù)據(jù)是在客戶訂單生成時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，主要包含客戶數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，客戶登錄系統(tǒng)后填寫(xiě)客戶 信息并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)端，客戶填寫(xiě)其訂單信息也會(huì)保存 到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便下發(fā)訂單時(shí)對(duì)訂單信息的查詢和對(duì)訂單狀態(tài)的追蹤。

材料管理數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)獨(dú)立的物料管理模塊，其 包含原材料信息、成品信息、倉(cāng)位信息和BOM信息， 這些信息都將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)端。在進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)時(shí) 查詢材料管理數(shù)據(jù)獲得物料的倉(cāng)位等信息，從而可以讓設(shè)備去具體的位置取或者放具體的材料。

工藝管理數(shù)據(jù)是在下發(fā)訂單時(shí)，將客戶訂單信息和 工藝流程信息綁定在一起后生成的工單信息，主要包含 工藝類數(shù)據(jù)和排產(chǎn)類信息，這些數(shù)據(jù)會(huì)被存入數(shù)據(jù)庫(kù)端供FMS系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是FMS系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)，主要包括任務(wù)處理數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)等。FMS系統(tǒng)不僅對(duì)底層部分設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還 會(huì)將底層狀態(tài)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)端，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)觸發(fā)器來(lái) 反饋給MES系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控和管理。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)，MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù) 設(shè)計(jì)主要包括MES系統(tǒng)特有的信息數(shù)據(jù)庫(kù)表和FMS系統(tǒng) 共用的設(shè)備控制數(shù)據(jù)庫(kù)表。MES系統(tǒng)的自身特有的數(shù)據(jù) 庫(kù)表主要包括用戶信息相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)表、訂單信息相關(guān)的 數(shù)據(jù)庫(kù)表以及物料信息相關(guān)的數(shù)據(jù)表;MES系統(tǒng)與FMS 系統(tǒng)共用的數(shù)據(jù)庫(kù)表主要包括各個(gè)設(shè)備的控制表，MES系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)備控制表獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和管理。

由于MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)之間部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)表的共享 和交互可能存在并發(fā)問(wèn)題，在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)必要 的數(shù)據(jù)表進(jìn)行了觸發(fā)器設(shè)計(jì)，通過(guò)觸發(fā)器設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制表的狀態(tài)信息發(fā)生改變時(shí)對(duì)應(yīng)MES系統(tǒng)監(jiān)控狀 態(tài)表可以直接獲取改變后狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí) 監(jiān)控功能。如下代碼是物料表內(nèi)實(shí)現(xiàn)庫(kù)存改變時(shí)對(duì)應(yīng)的可分配物料數(shù)據(jù)發(fā)生改變得觸發(fā)器代碼。

ALTERtrigger

［dbo］。［TRMaterTableUpdate］ on ［dbo］。［MaterTable］

afterupdateasifupdate（mtprecent） begin

updateMaterTablesetmtsum=（mtsum-1）wheremTId

=（selectmTIdfrominserted）

update MaterTable setmtsurpsum = （mtsum

-mtprecent）wheremtid=（selectmtidfrominserted） end

GO…

智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料管理、訂單管 理和工藝流程的下發(fā)等相關(guān)功能模塊，以及通過(guò)與FMS 的集成實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)的監(jiān)控和對(duì)產(chǎn)品的追蹤的功能。

如圖5所示為MES的訂單管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶訂單進(jìn)行工藝綁定等功能。 如圖6所示為MES的途程管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程的設(shè)計(jì)等功能。 如圖7所示為FMS通過(guò)RFID反饋進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)程的監(jiān)控模塊，以便對(duì)產(chǎn)品在生產(chǎn)中具體位置進(jìn)行追蹤。 如圖8所示為FMS系統(tǒng)對(duì)機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床加工狀態(tài)的監(jiān)控。

圖4 MES和FMS集成的業(yè)務(wù)流程

圖5 MES訂單管理模塊

圖6 MES工藝流程模塊

圖7 RFID監(jiān)控模塊

圖8 FMS機(jī)床監(jiān)控模塊

制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）是企業(yè)信息集成的紐 帶，作為計(jì)劃層和控制層橋梁，充分的發(fā)揮其執(zhí)行層的 特點(diǎn)，將上層和底層信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和交互。本系統(tǒng)充分利用其特點(diǎn)將其實(shí)施在智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，將上層的 管理和產(chǎn)品信息進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)換成底層控制信息，從而 使智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效運(yùn)行，使制造過(guò)程變得更 加可控和高效。