面向CPS的制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了研究，打造出了虛實(shí)融合、具有CPS 特色的智能化 MES， 從生產(chǎn)調(diào)度、物流、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、制造協(xié)同等維度，對(duì)制造系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集并進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地提煉、挖掘及分析，從而抽取出可供企業(yè)自主決策所需的信息。實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界之間的業(yè)務(wù)閉環(huán)管理。本文旨在搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行可行性、合理性、完整性、正確性及可操作性應(yīng)用驗(yàn)證。
1 面向CPS的MES技術(shù)方案
面向CPS的MES系統(tǒng)針對(duì)制造過程中需求變更頻繁、質(zhì)量追溯難、設(shè)備利用率低等難題，圍繞生產(chǎn)調(diào)度、物流、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、制造協(xié)同等維度，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界之間的感知-分析-決策-執(zhí)行的閉環(huán)管理，優(yōu)化車間計(jì)劃的排程方式，提升過程控制能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯，切實(shí)地解決企業(yè)生產(chǎn)管理問題其技術(shù)方案主要由云平臺(tái)、智能感知與互聯(lián)平臺(tái)、業(yè)務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析與決策平臺(tái)、生產(chǎn)指揮平臺(tái)、系統(tǒng)集成平臺(tái)六大平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。
圖1 技術(shù)方案
云平臺(tái)提供計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等，對(duì)MES以及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行云服務(wù)管理，支持訂閱部署、多租戶管理、應(yīng)用托管及二次開發(fā)等功能。智能感知與互聯(lián)平臺(tái)可與生產(chǎn)線各工序的生產(chǎn)、檢測(cè)、物流設(shè)備的PLC、觸屏HMI、I/O模塊等智能終端進(jìn)行智能互聯(lián)集成，對(duì)制造底層多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的并行采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一封裝、存儲(chǔ)與按需上傳。
業(yè)務(wù)平臺(tái)包含生產(chǎn)建模、生產(chǎn)排程與調(diào)度、物料管理、操作管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、看板管理、預(yù)警報(bào)警管理、工具工裝管理、能源管理、安全管理、環(huán)保管理、資產(chǎn)管理、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)采集、移動(dòng)端應(yīng)用和系統(tǒng)集成等企業(yè)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)。
大數(shù)據(jù)分析與決策平臺(tái)充分整合生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，并利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)倉庫以及數(shù)據(jù)挖掘等IT技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行深層次的發(fā)掘、分析，從不同角度分析企業(yè)的各種生產(chǎn)業(yè)務(wù)指標(biāo)并構(gòu)建業(yè)務(wù)知識(shí)模型，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律、預(yù)警異常、提高應(yīng)急能力，最終達(dá)到監(jiān)控生產(chǎn)活動(dòng)、提供決策分析支持的目的。
生產(chǎn)指揮平臺(tái)通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和看板系統(tǒng)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)、訂單生產(chǎn)狀態(tài)信息、設(shè)備狀態(tài)及故障信息，集成PLC控制系統(tǒng)信息、生產(chǎn)線上的各種數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線的工作狀態(tài)、生產(chǎn)計(jì)劃及其完成情況、設(shè)備狀態(tài)、零部件所在位置、視頻監(jiān)控信號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)信息。
系統(tǒng)集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)需實(shí)現(xiàn)面向信息物理系統(tǒng)(CPS)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)內(nèi)部智能感知與互聯(lián)平臺(tái)、業(yè)務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析與決策平臺(tái)、生產(chǎn)指揮平臺(tái)等平臺(tái)間的數(shù)據(jù)集成以及與PLM、ERP、QMS等其他系統(tǒng)間的集成，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、一致性，為制造業(yè)生產(chǎn)管理的智能化和持續(xù)優(yōu)化提升提供支撐。
2 面向CPS的MES實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)由物理設(shè)備以及信息系統(tǒng)兩部分組成。物理設(shè)備主要為裝配線體，如圖2所示。裝配線體主要包括智能加工中心、上下料的機(jī)械手、小型的立體倉庫、AGV等。總控系統(tǒng)對(duì)加工過程進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)從采購原材料入庫，定制產(chǎn)品的銷售訂單錄入，生產(chǎn)任務(wù)、工序作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)領(lǐng)料單、物料配送單下發(fā)，生產(chǎn)領(lǐng)料出庫、物料配送、現(xiàn)場(chǎng)完工報(bào)工到生產(chǎn)完工入庫的全生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程。LED顯示屏對(duì)裝配過程中的任務(wù)執(zhí)行情況、物料尺寸信息、物流配送信息、質(zhì)量檢測(cè)信息、設(shè)備狀態(tài)等信息進(jìn)行展示。
圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理設(shè)備
信息系統(tǒng)包含MES系統(tǒng)以及和MES相關(guān)的ERP、PLM系統(tǒng)的接口等，MES系統(tǒng)可以對(duì)計(jì)劃排產(chǎn)、工藝執(zhí)行、設(shè)備管理、過程質(zhì)量、生產(chǎn)物流、協(xié)同生產(chǎn)等業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，如圖3所示。
圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)信息系統(tǒng)
2.2 驗(yàn)證內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證內(nèi)容包括實(shí)體線驗(yàn)證與邏輯線驗(yàn)證兩部分，通過兩條線相互補(bǔ)充與結(jié)合驗(yàn)證系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系。
2.2.1 實(shí)體線驗(yàn)證
1)云平臺(tái)
對(duì)云平臺(tái)的訂閱部署、多租戶管理、應(yīng)用托管及二次開發(fā)等功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證，云平臺(tái)可支持用戶能夠根據(jù)自身的需求來訂閱所需的功能模塊進(jìn)行部署，支持多租戶公司之間可以共用一個(gè)實(shí)例庫，而不同租戶之間的數(shù)據(jù)既有隔離又有共享，提供端到端的托管，使用戶可以不用專門為MES設(shè)立IT人員，支持用戶根據(jù)使用需求進(jìn)行二次開發(fā)。
2)智能感知與互聯(lián)平臺(tái)
不同的數(shù)控系統(tǒng)、不同采集卡具備不同的協(xié)議、接口，機(jī)器人、立體倉庫、儀器儀表等各類數(shù)字化設(shè)備不同廠家的PLC和傳感器具備不同的協(xié)議、接口，實(shí)體線驗(yàn)證了7套數(shù)控系統(tǒng)，4種網(wǎng)卡和6套主要設(shè)備，智能感知與互聯(lián)平臺(tái)可支持對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、處理分析并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳至MES系統(tǒng)。
3)業(yè)務(wù)平臺(tái)
驗(yàn)證了業(yè)務(wù)平臺(tái)生產(chǎn)建模、計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)協(xié)同、生產(chǎn)物流、工藝執(zhí)行、質(zhì)量過程、設(shè)備管理、物料管理、操作管理、能源管理、統(tǒng)計(jì)分析和資產(chǎn)管理模塊的功能。業(yè)務(wù)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)物料建模、生產(chǎn)資源管理建模、工藝管理建模，能夠針對(duì)多客戶、多產(chǎn)品、多訂單的情況進(jìn)行訂單優(yōu)化投產(chǎn)，考慮生產(chǎn)均衡化，并設(shè)法減少供應(yīng)零部件的各工序產(chǎn)量以及運(yùn)送量的變化，減少在制品的儲(chǔ)存量。支持生產(chǎn)過程信息采集、模型建立及分析、業(yè)務(wù)優(yōu)化決策和業(yè)務(wù)執(zhí)行四個(gè)循環(huán)過程形成管理閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)同、生產(chǎn)物流、工藝執(zhí)行、過程質(zhì)量、設(shè)備管理的不斷迭代優(yōu)化。
4)數(shù)據(jù)分析與決策平臺(tái)
以壓力加工工序?yàn)槔?，通過對(duì)壓力加工工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，建立加工壓裝電缸輸出電力、行程、壓力值與壓裝質(zhì)量的大數(shù)據(jù)分析模型，并利用數(shù)學(xué)模型與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行分析與對(duì)比，最終的分析結(jié)果可指導(dǎo)PLC壓裝輸出電流和行程控制，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，不斷迭代提升產(chǎn)品質(zhì)量，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)分析與決策算法的高效性，提高了生產(chǎn)效率和控制精度，節(jié)約了能耗成本。
5)生產(chǎn)指揮平臺(tái)
生產(chǎn)指揮平臺(tái)支持生產(chǎn)過程的進(jìn)度信息、物料配送情況、在制品數(shù)量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵的生產(chǎn)信息展示，通過可視化界面向廣播、電子看板、手持終端和車間服務(wù)器等設(shè)備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、設(shè)備和物料等制造資源的監(jiān)控與調(diào)度，形成基于車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、可視化監(jiān)控和智能化協(xié)同交互決策的新型業(yè)務(wù)管理模式，提高車間內(nèi)部各崗位信息的共享和互相工作督促，提高車間生產(chǎn)過程監(jiān)視與控制能力。
6)系統(tǒng)集成平臺(tái)
系統(tǒng)集成平臺(tái)支持MES、ERP、WMS、SCADA、WCS、AGV調(diào)度系統(tǒng)等通過Web Service技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)間的集成，兩系統(tǒng)間各自向?qū)Ψ教峁┮粋€(gè)接口，用于存放對(duì)方向自己提供的XML(JSON)格式數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)再對(duì)接收到的XML格式數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理并備份。同時(shí)，可以接收來自Internet上的其它系統(tǒng)中傳遞過來的請(qǐng)求并給與響應(yīng)，可以向Internet上的其它系統(tǒng)傳遞請(qǐng)求并接收響應(yīng)。
2.2.2 邏輯線驗(yàn)證
除了實(shí)體線進(jìn)行驗(yàn)證外，對(duì)基于大批量批次的計(jì)劃排產(chǎn)、基于大批量單件的計(jì)劃排產(chǎn)、基于準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)JIT(Just In Time)的計(jì)劃排產(chǎn)、異常處理、人員管理、工具工裝管理、績(jī)效管理、安全管理進(jìn)行了業(yè)務(wù)邏輯驗(yàn)證，驗(yàn)證了各模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的正確性。
1)計(jì)劃排產(chǎn)
面向CPS的MES系統(tǒng)改變傳統(tǒng)單一面向庫存的計(jì)劃排產(chǎn)模式，具有能夠適應(yīng)多品種小批量按單生產(chǎn)、大規(guī)模定制等多種不同生產(chǎn)組織方式的計(jì)劃排產(chǎn)體系，可以應(yīng)對(duì)訂單需求個(gè)性化、產(chǎn)品種類多樣化、產(chǎn)品批量靈活化的復(fù)雜多變的市場(chǎng)需求。
2)異常處理
當(dāng)MES系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到物料異常、設(shè)備異常、計(jì)劃異常、加工異常、質(zhì)量異常等信息后，能夠觸發(fā)相應(yīng)的異常事件，這些異常事件能夠被及時(shí)準(zhǔn)確傳遞給相關(guān)部門。
3)人員管理
MES系統(tǒng)為人員分配多個(gè)或單個(gè)角色，分配了角色的人員具備本角色的操作權(quán)限，同時(shí)可以記錄統(tǒng)計(jì)工位員工的出勤信息、工時(shí)信息并與其他相關(guān)系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)。
4)工具工裝管理
MES系統(tǒng)可以自定義工具工裝更換規(guī)則，對(duì)工具工裝按套進(jìn)行管理，記錄工具工裝編號(hào)、名稱、規(guī)格、型號(hào)、默認(rèn)倉庫等信息，記錄工具工裝的在庫數(shù)量，給每套工裝編制唯一標(biāo)識(shí)，上下線時(shí)采用掃描方式進(jìn)行記錄。
5)績(jī)效管理
MES系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人員績(jī)效、設(shè)備績(jī)效、質(zhì)量績(jī)效以及進(jìn)度績(jī)效的管理，并且可以將獲取的質(zhì)檢數(shù)據(jù)、設(shè)備效率數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)與相應(yīng)的工位和對(duì)應(yīng)的人員關(guān)聯(lián)起來，作為員工績(jī)效考核。
6)安全管理
MES系統(tǒng)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)可與安全管理模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可用于隱患排查治理統(tǒng)計(jì)、事故事件的處理和統(tǒng)計(jì)。
3 結(jié)語
本文搭建了面向CPS的智能制造系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程和實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了面向CPS的智能制造系統(tǒng)的科學(xué)合理性、完整性、正確性及可操作性。面向CPS的制造執(zhí)行系統(tǒng)，通過對(duì)人、機(jī)、料、法環(huán)、測(cè)等生產(chǎn)要素進(jìn)行感知互聯(lián)、大數(shù)據(jù)采集、工業(yè)機(jī)理模型分析、決策反饋生產(chǎn)要素執(zhí)行，形成了智能感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的SoS級(jí)(系統(tǒng)之系統(tǒng))CPS，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、物流、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、制造協(xié)同六個(gè)維度的業(yè)務(wù)閉環(huán)管理，有利于制造業(yè)提升生產(chǎn)管控能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)綠色制造、智能制造。同時(shí)，基于CPS的MES系統(tǒng)是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，可以改善國(guó)內(nèi)制造業(yè)依賴國(guó)外工業(yè)軟件的現(xiàn)狀，提高工業(yè)軟件的自主創(chuàng)新能力度，提高企業(yè)生產(chǎn)的安全可控程度，降低企業(yè)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
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