智慧工廠實驗平臺的MES軟件系統(tǒng)介紹

近年來，隨著智能制造在國內外的迅速發(fā)展，智能設備的設計與研發(fā)越來越受到企業(yè)和學術 界的追崇。為了更加靈活、準確和及時的提高對生產(chǎn)線的合理配置，提升設備的運轉效率和質量，因此，設計了針對智慧工廠實驗平臺的MES軟件系統(tǒng)，來改善生產(chǎn)管理水平，提高質量控制能力和現(xiàn)場監(jiān)控能力。

隨著工業(yè)4.0和智能制造在國內的研究和應用越來 越廣泛，國內中小型制造企業(yè)越來越重視信息化工作。 先進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)對企業(yè)具有良好作用。然而，計劃管理系統(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展到計劃層，在計劃層和控制層出現(xiàn)了“信息孤島”現(xiàn)象，導致 企業(yè)制定的計劃得不到準確的執(zhí)行。從中可以看出計劃 管理系統(tǒng)在制定計劃的時候不能夠實時地獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，導致在制定計劃的時候缺少對現(xiàn)場狀況的分析。當 企業(yè)的內外環(huán)境變化時，生產(chǎn)現(xiàn)場也無法得到及時的指 令來進行調整。針對這個問題，可以發(fā)現(xiàn)計劃層和控制 層缺乏有效的溝通和集成是導致計劃和生產(chǎn)脫節(jié)的真正 原因。這種脫節(jié)不利于提高企業(yè)的市場競爭力。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，實現(xiàn)上下層的雙向溝通與通訊，從而實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。

MES系統(tǒng)作為計劃層和控制層之間的執(zhí)行層，負責 管理車間生產(chǎn)和執(zhí)行計劃調度。制造執(zhí)行系統(tǒng)在一個統(tǒng) 一的集成平臺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)通過控制物料、設 備、人員、流程指令和設施在內的所有車間資源來提高制造競爭力，在統(tǒng)一的平臺上集成了物料管理、質量管 理、文檔管理和生產(chǎn)調度等相關功能。制造執(zhí)行系統(tǒng)的 功能充分的解決了計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)來提高計劃的實時性和靈活性，同 時又能改善生產(chǎn)線的運行效率。

1、智慧工廠實驗平臺

智慧工廠實驗平臺包含諸多的實驗設備，其三維 模型如圖1所示，其中配備有一臺測量儀、兩臺數(shù)控銑 床、機器人手臂、AGV、立體倉庫和輔助分揀等設備。智慧工廠實驗平臺主要是模擬刀刻印章的生產(chǎn)流程進行 全智能無人參與的生產(chǎn)制造。

圖1 智慧工廠實驗平臺三維模型

2、MES總體框架設計

該MES系統(tǒng)可整合上層的ERP系統(tǒng)和底層的FMS系統(tǒng)，并且可以實現(xiàn)對底層設備的實時監(jiān)控，其總體框架 如圖2所示。

圖2 MES總體框架圖

1）計劃層主要是進行生產(chǎn)計劃，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)實現(xiàn)，MES系統(tǒng)的主要功能 是對訂單進行管理、物料管理、設備管理、質量管理、 途程管理、資料管理和備份管理等。

3）控制層主要通過生產(chǎn)調度實現(xiàn)對設備狀態(tài)的反 饋和對生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集和存儲。

4）從圖2可以看出，針對智慧工廠實驗平臺的MES 系統(tǒng)整合了計劃層的訂單管理，MES更加方便快捷的了 解訂單的具體詳情，實現(xiàn)對訂單執(zhí)行的實時監(jiān)控。MES系統(tǒng)還通過和FMS系統(tǒng)之間的交互作用，實現(xiàn)對底層設備的監(jiān)管和對生產(chǎn)過程的控制。充分發(fā)揮MES系統(tǒng)作為執(zhí)行層的作用。

3、MES功能模塊設計

3.1 MES功能模塊組成

智慧工廠實驗平臺的特點是全工作流程無人參與， 實時的反饋生產(chǎn)狀態(tài)和設備狀態(tài)，只需要下發(fā)具體的生 產(chǎn)指令，智慧工廠實驗平臺就可以進行生產(chǎn)制造。根據(jù)其特點，確定MES系統(tǒng)設計目標是分析客戶訂單、分配 物料設備等資源和設計工藝流程，因此，將MES系統(tǒng)功 能設計成八個模塊，如圖3所示。

圖3 MES系統(tǒng)功能模塊

1）基礎資料模塊。主要是人員管理、角色管理、 權限管理和密碼管理四個子模塊。人員管理子模塊實現(xiàn) 對人員的信息進行管理，包括添加、刪除和修改人員信息;角色管理子模塊實現(xiàn)對角色信息的管理，也提供對

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

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

3）設備管理模塊。主要是設備編碼管理、機床管 理和AGV管理三個子模塊。設備編碼管理子模塊主要是 實現(xiàn)與底層FMS調度軟件進行設備編碼統(tǒng)一，方便設備 的調度和管理，以及對具體的設備信息反饋;機床管理 子模塊主要是實現(xiàn)對數(shù)控銑床信息的狀態(tài)監(jiān)控;AGV管理子模塊目的是實現(xiàn)RFID（射頻識別技術）信息的反 饋來追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過程等。

4）物料管理模塊。主要是物料信息、倉位信息、 產(chǎn)品信息和BOM表四個子模塊組成。物料信息子模塊 存放物料的詳細信息，包括物料編號、物料名稱、物料數(shù)量和供應商等信息;倉位信息子模塊是對立體倉庫產(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三個子模塊組成。三個子模塊主要實現(xiàn)對產(chǎn)品生成 流程的設計和將流程信息的細化，以便下發(fā)給調度軟件 FMS能夠有條不紊的進行生產(chǎn)。途程管理是智慧工廠實 驗平臺最核心的功能模塊。

6）質量管理模塊。主要是包括生產(chǎn)過程中的質量 監(jiān)控模塊和生產(chǎn)結束后的報表分析，實現(xiàn)對生產(chǎn)中的故 障監(jiān)控和分析。

7）資料管理和備份管理模塊。主要實現(xiàn)對生產(chǎn)中 使用的資料進行統(tǒng)一管理，并且可以實現(xiàn)對一些重要數(shù) 據(jù)的備份功能。

3.2 MES功能設計特點 上述智慧工廠實驗平臺MES系統(tǒng)具有如下特點：

1）系統(tǒng)采用人機料法環(huán)的特點將MES設計成基礎資料、設備管理、物料管理、途程管理和其他管理，充 分體現(xiàn)對整個流程的全面質量管理。

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

3）MES系統(tǒng)處于上層計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 靈活的實現(xiàn)與上下層之間的銜接。

4）MES系統(tǒng)與底層FMS調度系統(tǒng)進行銜接，充分 的利用FMS系統(tǒng)的實時監(jiān)控和調度特點解決了MES在B/ S架構下的效率問題。

4、MES設計的關鍵技術

4.1 軟件框架技術

智慧工廠實驗平臺的MES系統(tǒng)采用B/S架構模式， 可實現(xiàn)多用戶異地訪問和控制。

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

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框架管理各個頁面之間的邏輯， 并提供控制類（Action類）來處理頁面之間的數(shù)據(jù)傳遞 和頁面與業(yè)務之間的數(shù)據(jù)傳遞。Web層的頁面采用JSP 語言編寫的jsp頁面，頁面自身內部邏輯采用JavaScript（Jqurey類和Ajax技術等）腳本語言和HTML語言等來 實現(xiàn)。

業(yè)務邏輯層是后臺對頁面數(shù)據(jù)處理層，其包括服務 類（Service）、數(shù)據(jù)訪問對象（DAO）和簡單Java對象（POJO）。服務類為Structs框架的控制類（Action類） 提供業(yè)務邏輯的操作方法，是Web層傳遞數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫 的接口。數(shù)據(jù)訪問對象（DAO）為Service類提供數(shù)據(jù)的 增、刪、改和查等操作方法。簡單Java對象（POJO）是 DAO和Service類操作的對象，它將數(shù)據(jù)庫中表一一映射成一個個POJO對象，這樣DAO和Service類對數(shù)據(jù)庫的 操作就轉換成對POJO對象的操作。

數(shù)據(jù)層是使用Hibernate框架，該框架實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫 服務器進行連接，并封裝對數(shù)據(jù)庫操作的方法，這些方 法可以供DAO進行調用。

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

4.2 MES和FMS集成

MES軟件和FMS軟件的集成的業(yè)務流程如圖4.2所 示?；玖鞒淌荕ES系統(tǒng)通過下發(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 與底層設備進行交互，實現(xiàn)對底層設備的監(jiān)管與控制， 并將生產(chǎn)狀態(tài)反饋給MES進行分析處理。

MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)的集成主要是通過數(shù)據(jù)庫服務 器作為中間橋梁，將兩者之間的數(shù)據(jù)信息進行處理和交 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)和過程實時數(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)后填寫客戶 信息并保存到數(shù)據(jù)庫端，客戶填寫其訂單信息也會保存 到數(shù)據(jù)庫，方便下發(fā)訂單時對訂單信息的查詢和對訂單狀態(tài)的追蹤。

材料管理數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)獨立的物料管理模塊，其 包含原材料信息、成品信息、倉位信息和BOM信息， 這些信息都將存儲在數(shù)據(jù)庫端。在進行工藝流程設計時 查詢材料管理數(shù)據(jù)獲得物料的倉位等信息，從而可以讓設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，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)會被存入數(shù)據(jù)庫端供FMS系統(tǒng)進行調用。

過程實時數(shù)據(jù)是FMS系統(tǒng)對底層設備監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)，主要包括任務處理數(shù)據(jù)、設備管理數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)等。FMS系統(tǒng)不僅對底層部分設備進行實時監(jiān)控，還 會將底層狀態(tài)信息存入數(shù)據(jù)庫端，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器來 反饋給MES系統(tǒng)進行設備監(jiān)控和管理。

4.3 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)智慧工廠實驗平臺的特點，MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 設計主要包括MES系統(tǒng)特有的信息數(shù)據(jù)庫表和FMS系統(tǒng) 共用的設備控制數(shù)據(jù)庫表。MES系統(tǒng)的自身特有的數(shù)據(jù) 庫表主要包括用戶信息相關數(shù)據(jù)庫表、訂單信息相關的 數(shù)據(jù)庫表以及物料信息相關的數(shù)據(jù)表;MES系統(tǒng)與FMS 系統(tǒng)共用的數(shù)據(jù)庫表主要包括各個設備的控制表，MES系統(tǒng)可以通過設備控制表獲取設備的狀態(tài)信息，從而實 現(xiàn)對設備的監(jiān)控和管理。

由于MES系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)之間部分數(shù)據(jù)庫表的共享 和交互可能存在并發(fā)問題，在進行數(shù)據(jù)庫設計時對必要 的數(shù)據(jù)表進行了觸發(fā)器設計，通過觸發(fā)器設計可以實現(xiàn)設備控制表的狀態(tài)信息發(fā)生改變時對應MES系統(tǒng)監(jiān)控狀 態(tài)表可以直接獲取改變后狀態(tài)，從而實現(xiàn)對設備的實時 監(jiān)控功能。如下代碼是物料表內實現(xiàn)庫存改變時對應的可分配物料數(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…

5、MES實現(xiàn)

智慧工廠實驗平臺MES系統(tǒng)實現(xiàn)物料管理、訂單管 理和工藝流程的下發(fā)等相關功能模塊，以及通過與FMS 的集成實現(xiàn)對狀態(tài)的監(jiān)控和對產(chǎn)品的追蹤的功能。

如圖5所示為MES的訂單管理模塊，實現(xiàn)對客戶訂單進行工藝綁定等功能。 如圖6所示為MES的途程管理模塊，實現(xiàn)對工藝流程的設計等功能。 如圖7所示為FMS通過RFID反饋進行生產(chǎn)進程的監(jiān)控模塊，以便對產(chǎn)品在生產(chǎn)中具體位置進行追蹤。 如圖8所示為FMS系統(tǒng)對機床狀態(tài)的實時顯示模塊，可以實現(xiàn)對機床加工狀態(tài)的監(jiān)控。

圖4 MES和FMS集成的業(yè)務流程

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機床監(jiān)控模塊

6、 結論

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