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作者：

沈陽中科博微科技股份有限公司 劉峻瑋

上海開米科技有限公司 于文，胡紅新

中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點實驗室，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，中國科學(xué)院機器人與智能制造新研究院 王宇

摘要：本文針對日化行業(yè)在生產(chǎn)制造過程中柔性制造技術(shù)和智能化生產(chǎn)管控技術(shù)的研究與應(yīng)用，設(shè)計了一套個性化洗滌用品與服務(wù)智能制造MES系統(tǒng)方案，對該方案的設(shè)計做了詳細(xì)描述。在生產(chǎn)車間部署實施后，對車間日常生產(chǎn)中的產(chǎn)品追溯、物料管控、設(shè)備運營監(jiān)控、質(zhì)量管理等方面進(jìn)行了測評，驗證了該MES系統(tǒng)方案的優(yōu)勢，實現(xiàn)了整體產(chǎn)線的靈活性，提升柔性生產(chǎn)以及快速重構(gòu)能力，提高了生產(chǎn)效率，降低成本，滿足企業(yè)實際需求。

關(guān)鍵詞：個性化洗滌用品；服務(wù)智能制造；MES系統(tǒng)

Abstract:Aiming at the research and application of flexiblemanufacturing technology and intelligent production managementand control technology in the production and manufacturing processof daily chemical industry, this paper designs a set of personalizedwashing products and services Intelligent Manufacturing MES systemscheme, and describes the design of the scheme in detail. After thedeployment and implementation of the production workshop, theproduct traceability, material control, equipment operation monitoringand quality management in the daily production of the workshop areevaluated, which verifies the advantages of the MES system scheme,realizes the flexibility of the overall production line, improves theflexible production and rapid reconstruction ability, improves theproduction efficiency, reduces the cost, and meets the actual needs ofthe enterprise.

Key words: Personalized washing products; Service intelligentmanufacturing; Manufacturing execution system

1　引言

MES系統(tǒng)是智能制造的核心，MES系統(tǒng)的主要任務(wù)是對智能制造進(jìn)行過程管控，生產(chǎn)制造的整個流程都離不開MES系統(tǒng)。個性化洗滌用品與服務(wù)智能工廠建設(shè)將全面提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時日化用品智能制造是《中國制造2025》重點支持方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和行業(yè)示范作用。

努力探索個性化洗滌用品與服務(wù)智能工廠新模式，實現(xiàn)少（無）人化作業(yè)，用自動化、信息化、智能化改造現(xiàn)有生產(chǎn)方式和管理方式，提升洗滌用品的環(huán)保水平，提升產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性迫在眉睫。

2　MES系統(tǒng)建設(shè)方案

通過MES系統(tǒng)在個性化洗滌用品與服務(wù)智能制造中的研究與應(yīng)用，最終完成企業(yè)智能工廠的建設(shè)，實現(xiàn)六大智能體系為總體目標(biāo)。

（1）實時準(zhǔn)確同步的生產(chǎn)計劃體系

考慮各種相關(guān)約束條件及資源條件，排產(chǎn)到天和工序，進(jìn)一步可精確到時序，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行計劃調(diào)整和場景模擬，并將確定的生產(chǎn)計劃分解推送到車間各工作崗位及各相關(guān)部門。

（2）及時準(zhǔn)確的物料拉動體系和物料管控體系

原材料庫和半成品庫管理，按日生產(chǎn)計劃發(fā)料。拉動生產(chǎn)所需物料同步供應(yīng)，降低因缺料導(dǎo)致的停產(chǎn)損失和現(xiàn)場物料積壓導(dǎo)致的生產(chǎn)浪費。對廢品、定點物料進(jìn)行管控，進(jìn)行物料投入產(chǎn)出核算。

（3）實時透明的生產(chǎn)監(jiān)控體系

電子操作指導(dǎo)指示生產(chǎn)，生產(chǎn)過程多方式防差錯，質(zhì)量監(jiān)控和報警，各類可視化看板展示生產(chǎn)過程，實時透明，且可追溯生產(chǎn)過程人、機、料、法、環(huán)各因素。系統(tǒng)進(jìn)一步延伸至現(xiàn)場施工安裝過程（視為工序）的追溯。

（4）智能化的設(shè)備運營體系

監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及工藝參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，異常狀態(tài)報警及維修呼叫，周期性及緊急設(shè)備維保、點檢，并對異常問題閉環(huán)關(guān)閉。建立與設(shè)備之間的集成方案，并給出設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范。

（5）持續(xù)優(yōu)化的質(zhì)量控制體系

異常趨勢QPC（質(zhì)量和過程控制）報警及問題閉環(huán)，質(zhì)量分析改善。建立快速、高效、全過程的質(zhì)量反饋、處理、跟蹤、閉環(huán)機制，不接收、不制造、不傳遞質(zhì)量問題產(chǎn)品，及時有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（6）準(zhǔn)確客觀的績效評價體系

收集有效數(shù)據(jù)，設(shè)置符合公司大政方針的考核模型，對于班組績效展開客觀準(zhǔn)確的評價，并能夠與HR系統(tǒng)等銜接，及時推送至各責(zé)任者，穩(wěn)步提升績效水平。MES系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MES系統(tǒng)體系架構(gòu)

3　MES系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集層利用實時數(shù)據(jù)庫采集現(xiàn)場設(shè)備、人員、物料、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)采集到的數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)持久層利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫歸檔數(shù)據(jù)的存儲并支持實時查詢，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫可采用S QLServer、MySQL等主流產(chǎn)品。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)MES的業(yè)務(wù)邏輯，處理人、機、料、法環(huán)節(jié)的實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，是MES系統(tǒng)的核心。

（4）服務(wù)交互層采用訂閱/發(fā)布消息的模式將生產(chǎn)事件和用戶操作信息在瀏覽器與服務(wù)器間進(jìn)行傳遞。

（5）展現(xiàn)層實現(xiàn)人機交互界面，應(yīng)用多媒體編程技術(shù)以多種形式呈現(xiàn)信息，并提供人性化的操作界面，對于操作過程比較復(fù)雜的客戶端采用胖客端應(yīng)用，對于生產(chǎn)統(tǒng)計分析等主要以瀏覽查詢?yōu)橹鞯膽?yīng)用要求豐富的信息表現(xiàn)形式。MES系統(tǒng)的分層架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

4　MES系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

（1）軟件系統(tǒng)的開發(fā)框架采用SSM框架（Spring+ Spring MVC + Mybatis）。服務(wù)端軟件的中間層基于Spring框架搭建，MVC基于Spring MVC框架搭建，數(shù)據(jù)持久層基于Mybatis框架搭建。

（2）軟件的開發(fā)語言使用Java語言。前端界面以HTML5、CSS3、JavaScript為基礎(chǔ)，利用專業(yè)的企業(yè)應(yīng)用開發(fā)框架Bootstrap開發(fā)。移動端使用HTML5技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。前端與服務(wù)端通過Ajax技術(shù)實現(xiàn)信息通信和數(shù)據(jù)傳遞。

（3）模塊間消息的傳遞采用訂閱/發(fā)布的模式。訂閱/發(fā)布模式的消息傳遞方式是一種靈活有效的、基于事件的消息交換組合模式，具有異步、松耦合、多點通信的特點，能輕松地把各組件有機地聯(lián)系起來，使發(fā)生通信的各方在松耦合的情況下就能相互交互。這一信息傳遞方式使得各個功能模塊松耦合，減少維護更新成本，便于系統(tǒng)的維護更新。

（4）數(shù)據(jù)庫采用MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫，持久層框架采用Mybatis輕量級框架，使系統(tǒng)的設(shè)計更清晰、更易維護、更易單元測試，SQL和代碼的分離，提高了可維護性。

5　MES系統(tǒng)的功能模塊及描述

MES系統(tǒng)負(fù)責(zé)企業(yè)從車間訂單下達(dá)到產(chǎn)品完工整個生產(chǎn)過程中人、機、料、法、環(huán)、測六大環(huán)節(jié)的信息采集、生產(chǎn)管控，對車間生產(chǎn)實時事件做出快速響應(yīng)，與其他信息化系統(tǒng)實現(xiàn)高度集成和高效協(xié)同，向企業(yè)決策支持提供相關(guān)生產(chǎn)活動的重要數(shù)據(jù)。形成“計劃—執(zhí)行—控制”三位一體的企業(yè)運營管理平臺，為智能制造奠定基礎(chǔ)。結(jié)合需求調(diào)研與分析，開米科技MES系統(tǒng)共開發(fā)12個功能模塊，如圖3所示。

圖3 MES系統(tǒng)功能模塊

以生產(chǎn)訂單為主線，實現(xiàn)研發(fā)、工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、物料、營銷的業(yè)務(wù)協(xié)同；實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的信息化閉環(huán)，以及全產(chǎn)業(yè)鏈可追溯。

5.1　建模管理

建模是MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，其核心是針對不同的企業(yè)特點進(jìn)行系統(tǒng)底層的配置，幫助企業(yè)建立科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制造要素模型，包括人、機、料、法、環(huán)五要素，定義了對生產(chǎn)管理中的生產(chǎn)組織、生產(chǎn)布局、人員、生產(chǎn)時間、產(chǎn)品、物料、工藝路線等基本資料進(jìn)行管理的方案，讓MES系統(tǒng)的運行能夠與企業(yè)實際實現(xiàn)最佳的匹配，并為其他模塊提供基本的產(chǎn)品和相關(guān)信息，其定義的功能共享于其他應(yīng)用模塊。

5.2　生產(chǎn)計劃管理

銷售訂單經(jīng)過企業(yè)資源計劃（ E n t e r p r i s eResource Planning，ERP）后轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)訂單，生產(chǎn)計劃管理就是對經(jīng)過ERP設(shè)計后釋放生產(chǎn)的訂單進(jìn)行實時動態(tài)管理，以確保嚴(yán)格地按訂單交貨日期組織生產(chǎn)，按時進(jìn)行成品發(fā)貨。生產(chǎn)計劃管理包括生產(chǎn)工單管理、領(lǐng)料投料計劃、生產(chǎn)工單跟蹤、完工報工等功能，從工單下達(dá)生產(chǎn)到工單生產(chǎn)結(jié)案整個生產(chǎn)的全過程生命周期內(nèi)，工單的生產(chǎn)組織、調(diào)度、跟蹤管理等活動。

5.3　周轉(zhuǎn)庫管理

MES系統(tǒng)物料管控的范圍包括瓶子庫、蓋子庫、包材庫，是基于制造追溯和工廠庫存管理基礎(chǔ)上的更加精細(xì)化的車間級庫存管理方案，監(jiān)控了車間庫存物料出入庫、退料、實時消耗、盤點調(diào)整、原料批次制造追溯、物料報廢等整個的車間物料與ERP集成接口預(yù)留，集成后可自動根據(jù)工單和生產(chǎn)BOM進(jìn)行物料額定用量計算，并分配到相應(yīng)工位。

5.4　過程監(jiān)控管理

MES系統(tǒng)過程監(jiān)控包括了實時采集并監(jiān)控生產(chǎn)線各種數(shù)據(jù)；通過條碼掃描進(jìn)行信息的流轉(zhuǎn)；實時監(jiān)測當(dāng)日生產(chǎn)計劃、當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)、統(tǒng)計完工進(jìn)度情況、產(chǎn)品合格率等信息等；實時監(jiān)測線邊物料情況和在制品倉庫庫存情況。通過設(shè)定線邊缺料閾值實現(xiàn)缺料報警、提示；生產(chǎn)指令調(diào)度，例如調(diào)度AGV進(jìn)行物料配送；產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控，主要是利用控制圖、產(chǎn)品質(zhì)量控制計劃設(shè)定的閾值或上下限，結(jié)合灌裝包裝生產(chǎn)線實際情況，對裝備中的關(guān)鍵工序進(jìn)行實時監(jiān)控。

5.5　質(zhì)量管理

質(zhì)量管理功能主要對合成配料車間的液態(tài)成品質(zhì)量和灌裝包裝車間的制造產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效的管理工作。質(zhì)量管理目的在于：幫助企業(yè)規(guī)范質(zhì)檢操作和標(biāo)準(zhǔn)，防止問題產(chǎn)品出廠；幫助企業(yè)加強產(chǎn)品過程質(zhì)量控制，控制連續(xù)質(zhì)量問題；幫助企業(yè)實現(xiàn)完整的產(chǎn)品追溯；幫助企業(yè)加強產(chǎn)品質(zhì)量信息整合與分析應(yīng)用，持續(xù)推動質(zhì)量改進(jìn)。

5.6　設(shè)備管理

設(shè)備管理功能主要對合成配料車間和灌裝包裝車間的制造單元設(shè)備進(jìn)行有效的管理工作。目的在于：幫助企業(yè)建立完整的設(shè)備基礎(chǔ)檔案；幫助企業(yè)規(guī)范設(shè)備預(yù)防性點檢和保養(yǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升設(shè)備保障能力和使用壽命；幫助企業(yè)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控；幫助企業(yè)建立設(shè)備OEE（設(shè)備綜合效率）分析，提升設(shè)備利用率。其中，設(shè)備檔案、設(shè)備點檢、設(shè)備維修、設(shè)備保養(yǎng)為通用功能模塊，MES系統(tǒng)提供靈活的軟件平臺，由企業(yè)相關(guān)人員完成設(shè)備參數(shù)、表單設(shè)計、工廠事件的自定義配置和管理；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控為平臺基于合成車間成品罐、灌裝包裝生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

5.7　人員管理

MES系統(tǒng)人員管理功能的目標(biāo)：規(guī)范員工崗位資質(zhì)管理，保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全；加強員工考勤與實際工時管理，規(guī)范勞動紀(jì)律；細(xì)化生產(chǎn)人員生產(chǎn)效率、質(zhì)量統(tǒng)計，為人員績效考核提供依據(jù)；提供量化數(shù)據(jù)，建立公平考核機制。

5.8　系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成的方法有很多，本項目采用中間數(shù)據(jù)庫+Restful API方式與各信息化系統(tǒng)（Java、C#等高級語言開發(fā)）進(jìn)行交互；采用中間數(shù)據(jù)庫+OPC方式與各組態(tài)軟件系統(tǒng)（PLC、WinCC、SCADA）進(jìn)行交互；采用儀表數(shù)據(jù)采集模塊與動力輔助車間各儀器儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

5.9　看板管理

看板具有強大的實時分析引擎和豐富的分析內(nèi)容，因此能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的集成；而且當(dāng)系統(tǒng)中有用戶需要可操作性智能時，隨時可以為其提供。通過看板內(nèi)容，可以縱觀整個車間系統(tǒng)，監(jiān)控生產(chǎn)過程是否違反六西格瑪或其他標(biāo)準(zhǔn)，找出問題根源，在必要時采取措施予以糾正。根據(jù)特定的組織需求可以配罝看板中顯示的關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）；警報可用于提高績效,從而實現(xiàn)卓越制造。企業(yè)將會根據(jù)目標(biāo)來進(jìn)行生產(chǎn),每年節(jié)約的生產(chǎn)成本和提高的產(chǎn)品質(zhì)量都將高于行業(yè)的平均水平。

5.10　手持終端管理

滿足個性化自定義業(yè)務(wù)操作、信息錄入、查詢等移動需求，具體需要實現(xiàn)的移動端的錄入、查詢功能，無紙化目標(biāo)在項目藍(lán)圖設(shè)計階段定義。

6　MES系統(tǒng)工作流程

總體業(yè)務(wù)流程描述了MES系統(tǒng)每個功能模塊間是如何協(xié)同、配合完成生產(chǎn)過程執(zhí)行管理的，可以讓客戶對MES系統(tǒng)的功能作業(yè)有一個直觀的認(rèn)識和感受。

MES系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 MES系統(tǒng)工作流程

7　應(yīng)用效果

MES系統(tǒng)在個性化洗滌用品與服務(wù)智能制造中的研究與應(yīng)用，為開米實現(xiàn)了智能制造新模式應(yīng)用，可實現(xiàn)個性化的產(chǎn)品與服務(wù)，提升開米品牌的知名度和美譽度。通過項目實施運行，顯著提高生產(chǎn)效率20%以上，降低企業(yè)運營成本20%以上，縮短產(chǎn)品研制周期30%以上，降低產(chǎn)品不良率20%以上，能源利用率可以提高10%左右。同時開米公司將成為洗滌行業(yè)智能化應(yīng)用的示范企業(yè)，提高行業(yè)的先進(jìn)制造水平，帶動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)型升級。通過提高洗滌行業(yè)企業(yè)的技術(shù)裝備水平，縮短行業(yè)技術(shù)裝備與國外的差距，帶動輕工行業(yè)裝備制造商的快速發(fā)展。

本項目受工信部智能制造專項項目“個性化洗滌用品與服務(wù)智能化制造新模式”資助。

作者簡介：

劉峻瑋（1990-），男，遼寧沈陽人，工程師，本科，現(xiàn)就職于沈陽中科博微科技股份有限公司，從事信息管理與信息系統(tǒng)相關(guān)研究。

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摘自《自動化博覽》2021年10月刊