基于车间底层设备信息化的制造执行系统

基于车间底层设备信息化的制造执行系统——基于机械加工车间物联网的生产任务的实时控制
1.概述
企业的底层生产设备的信息化对提高产品的市场竞争力、强化企业的内部管理有重大意义，但是这项工作又面临难以克服的困难而很少真正得到实现。

首先，生产车间有大量的传统设备，不具备信息化的基本条件，其次部分新型自动化设备，有数据交换的接口，但是标准不一，集成困难，连网不方便。

企业的信息化缺少底层数据的支持而成了残缺的信息化，没有根基的信息化。

底层设备的信息形式多样，来源各异。

车间管理人员和检验人员每天用大量的时间填写报表，再输入到计算机中。

由于数据太多，只能对部分数据进行处理，而有关开完工时间、检验调试过程、设备的状态等等极具分析价值的数据无暇记录。

底层数据的采集困难使得ERP的生产计划只能离线产生而不具备操作性，质量分析难以深入。

本成果针对数控设备和普通设备采取不同的数据感知方法，做到自动的双向无缝的传输数据，不仅使生产状态信息及时传输给管理层，而且将管理层的调整和控制指令下传到每台设备上，将全部设备的程序传输、状态监控、生产数据采集、优化排产等功能集成在一起，在较大程度上提高了资源的利用率。

本成果开发了智能数据采集器，分别从以太网口、智能数据采集器获取数据，利用电流模式和数控程序宏指令辨识和获取机床的加工状态信息，不受数控系统或厂家型号的限制，既可得到加工信息，又可以收发数控程序。

研究成功了基于RFID和无线网络的数据双向传输系统，将每个加工任务绑定在RFID
卡上，无线数据终端绑定在设备上，自动记录加工、检验、调试发生的时间和所在的设备并在现场输入加工的质量数据，显示本台设备的生产指令等信息。

根据采集到的实际加工时间、设备状态等信息，自适应地重构生产计划，保证生产目标的实现；同时，根据实际加工工时更新原来安排的工时定额。

建立了生产在制定能力计划时根据设备的实时状况来选择设备，将并行异质等效设备列入选择范围。

通过四维算法进行计划的优化重构。

进一步挖掘现有设备的潜力。

2.功能模块
生产执行系统包括车间生产计划和调度、生产过程监控、生产任务查询、数据采集、质量检测与控制、物料跟踪、原辅料消耗控制、成本管理、统计分析、人力资源管理、Web服务等功能：
生产计划和调度：根据生产的现状将上层的生产计划转化为车间的作业计划，制定各个工作中心的任务作业顺序、开工和完工时间、生产准备要求等，对设备能力进行平衡。

生产过程控制：根据生产工艺控制生产过程，可通过连接设备控制系统实现自动投料控制，监控在制品、成品和物料的生产状态和质量状态，并支持订单取消、产品改制、加装、分批、返工、补料等事务的处理，实时统计车间采集数据。

该模块还包括通过数据终端双向提醒和报警功能，提醒管理者和操作者及时处理紧急事务。

数据采集：主要采集两种类型的数据，一种是基于自动识别技术（RFID、BarCode）的数据采集，主要应用于离散行业的装配数据采集，另一类是基于设备的自身数据采集，主要应用于自动控制设备如数控机床或流程自动化设备的物料信息采集。

该功能在于设置参数，管理数据传输，查看设备状态等。

质量检测与控制：基于全面质量管理的思想，从底层开始对产品的生产过程进行质量记录和分析，并严格控制和预防重大质量事故，有效地防止不良品的流动，降低不良品率。

物料追踪：根据物料的批次信息，追踪到所有使用了该批次物料的成品，也支持从成品到原料的逆向追踪，查清全部生产过程的信息，以适应行业的召回制度，协助制造商把损失最小化、更好地为客户服务。

原辅料消耗控制：记录和管理车间原辅材料的入库和领用，控制耗材的浪费，降低生产成本，实现全面的制造资源管理。

成本管理：输入间接成本、自动汇集直接成本，制定标准成本，计算每批任务的实际成本，统计没到工序的成本。

人力资源管理：管理车间人员台账，记录考勤信息，管理业绩数据，计算工资收入。

统计过程分析（SPC）：该模块帮助企业稳定生产过程和评估过程能力。

通过监测过程的稳定程度和发展趋势，及时发现不良或变异，以便及时解决问题；通过过程能力指数评估，明确过程中工作质量和产品质量达到的水平。

众多的经过合理设计和优化的报表，为管理者提供迅捷的统计分析和决策支持，实时把握生产中的每个环节。

Web服务：通过web网页跟踪订单的执行情况，查询车间的资源利用状况，展示企业的产品生产的技术实力和管理水准，同时根据登陆的权限，提供生产调整或信息交流的窗口，无论在厂还是出差旅行都可以通过上网进行查询和管理。

方便融入企业联盟，成为供应链的一环。

ERP/财务系统接口：本系统可实现与SAP 、ORACLE、用友、金碟等主流ERP系统无缝集成，也可根据用户需求提供二次开发，满足成长型企业个性化管理的需求。

普通机床数据终端普通机床
数据终端
普通机床
数据终端
无线网关
图1 本系统的网络结构图。

3.效益分析
本系统可以从两方面给企业带来效益。

（一）增强企业的市场竞争能力。

1）成本领先
明确产品的成本状况，有改进的目标，成本数据来源于实际生产过程和材料的领用。

本系统自动记录和输入实际制造成本的所有要素，所采集的数据包含时间、加工者、设备、材料，并依此分摊全部间接费用。

产品的成本还包括车间的非直接生产因素，如培训，设备维护，工装制造调试，现场管理等，用本系统可以将这些任务以发卡的形式作为类似于生产任务的形式布置下去，统计其实际的成本。

产品的总成本还包括质量成本，以前的生产不容易得到完整的质量成本数据，也无法将每批任务的检验费用、废品损失真正统计出来，但在这套系统中，每次检验都通过数据终端输入检验数据，批号，数量，缺陷类型，检验时间，检验者等全部自动输入数据库，且按照产品、批次、加工者等分类统计分析。

至此生产成本问题才能真正得到解决。

2）产品领先
当产品设计完成后如何尽快试制定型投放市场，是每个企业必须面对的问题，传统做法的困惑在于：生产和新品开发争资源，两头都很紧迫，但人力和设备有限；新品开发工艺不成熟，没有定额记录，生产检验人员不愿做，加重了管理负担。

在这套系统中，由于所有生产过程均实时记录，通过ERP的调度排产功能模块，很快就能找到最佳调度方案，提高设备利用率20%以上，相当于不购买设备而扩大了生产能力。

同时照实际记录新品开发的加工时间，也使合理评估生产者的绩效有了科学依据，管理者的指挥比较容易。

3）顾客亲密度领先
冠云公司的客户群是企业，客户也是市场竞争的参与者，对供货时间和数量，品种和质量的要求很高，希望供应商的计划与主机厂的计划高度匹配，信息透明，具备充分的可预测性和可调性。

本系统具备双运行模式，即可在厂内局域网内运行，也能够在互连网上登录查看，输入信息，客户可知道每批任务的进展情况，可与客户交流沟通，甚至可赋予客户一定的调整权限。

按照产业链优化的理论，构建虚拟企业、动态联盟，要解决快和廉的问题，只有将生产过程透明了（在安全前提下），才能面对瞬息万变的市场环境，做出及时的调整，这样在遥远地理位置的企业，可以身临其境般感受计划的一步步实现，才可以放心购买本公司的产品。

（二）优化企业管理
1）全面评估车间管理水平，创造更高的生产效益
本系统可以采集的数据不仅有生产进程的全部数据，也包括成本、质量、辅料、设备维护、培训等等实际数据，能够全方位地分析管理状况，鼓励车间管理者向可持续发展的方向进行全面管理。

2）为ERP提供强有力的数据支持
解决了ERP在生产管理方面的数据瓶颈，形成了生产计划和执行的闭环，消除了巨大的实时数据的采集压力，使ERP的投资价值得到体现。

应用情况：在4家企业运行了多年，在基本不增加资源的情况下生产效率提高10%~20%，按时交货率从63％左右提高到85％以上。

近三年企业总计新增利润3089万元，税收1192万元，节约人力资源成本75万元。

另外还产生了节约编程时间、保护设备、提升管理水平的效果。

4. 技术特点
1）数据终端和基站之间的无线通讯采用zigbee技术传送数据，该技术具有自动组网功能，每个数据终端均可传送自己的数据，同时又可以传输其它数据终端的数据，不仅传输快、成本低，而且数据终端越多传输越可靠。

2）采用RFID作为事件数据媒介，具有不怕脏污、不怕高温、不怕机械损毁的特点，而且可以循环使用，管理比较容易。

3）生产现场与MES数据库自动地随时双向传输数据，还能够传递通知、提醒等信息。

4）本系统与自动控制设备（如数控机床）集成在一起，构成完整的底层设备生产监控系统，传递生产或控制指令，并与生产现场进行实时信息交流。

5）本系统提供C/S运行软件，在车间局域网内实现快速的数据传送，同时又提供web 服务模式，用户可以用计算机、手机、ipad等平板电脑等上网跟踪订单执行情况，传输计划调整指令，查询订单质量状况。

5.项目信息
授权发明专利：
数控机床刀具的在线管理方法发明专利中国201010129780.1
车间加工设备群加工运行优化的方法发明专利中国200910031198.9 正在申报的发明专利有6项
技术创新点如下：
1）数控加工监控技术
技术发明点1：智能数据采集器
技术发明点2：在线刀具管理系统
2）基于无线网络的生产信息双向数据传输
技术发明点1：现场生产数据采集系统
技术发明点2：无纸化车间质量信息反馈
3）自适应在线优化排产系统
技术发明点1：自适应在线优化排产系统控制
技术发明点2：四维算法是最优控制器使用的优化算法
技术发明点3：等效设备的选择
技术发明点4：分批和合批理论和方法，
技术发明点5：设备选取和能力平衡法。

项目负责人陈进，1958年10月生。

江南大学机械学院教师，副教授，博士后，主要从事制造自动化、ERP软件定制和开发等。

曾在科研院所、家电企业、机械加工企业担任过技术骨干，开发的MES和ERP软件被多家企业使用。