食品加工业在遗传算方式基础上的制做执行结构分析,食品加工技术论文

第一章 绪论

1.1 课题背景
制造执行系统（Manufacturing Execution System，以下简称 MES）是企业信息化管理的枢纽，它将企业的计划系统与工业控制系统紧密的结合到一起，与二者共同组成了企业计算机集成制造系统。MES 作为企业计算机集成制造系统的纽带，它使 ERP 的功能向底层延伸，承接了 ERP 系统和底层控制系统之间的过渡。为管理人员提供了丰富的信息，例如：生产计划安排、执行进度、当前物料状态和信息等。MES 提供了一个集中的平台，管理人员通过 MES 可以控制和调整生产过程中涉及的人员、设备、物料、流程、加工工艺等资源，从而实现对车间生产全过程的管理和控制。目前 MES 已经在制造业领域（如：汽车、钢铁）得到广泛应用。在食品加工领域，还是刚刚起步。
本课题来源于食五谷集团粗粮加工车间的实际应用需求。该集团为了建设“智能化、全自动”加工车间，寻求车间底层生产设备与上层计划系统之间进行信息交换的解决方案，决定实施制造执行系统。该项目的成功实施，实现了加工过程的全自动生产与产品质量控制相融合；全自动生产与产品生产调度相融合；全自动生产与物流仓储管理相融合。
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1.2 研究背景和意义
目前国外大型制造企业已经普遍在使用 MES，在国内许多企业也逐渐开始通过这项技术来提高自身的核心竞争力，早在 90 年代初期，我国就开始了对 MES的跟踪研究，但是大多是对 MES 概念的归纳、总结。发展速度并不是很快，成熟可应用的系统也是很少，在食品加工领域更是很难找到可以直接使用适合的系统。
从市场角度来看，随着时代的发展，人们已经不再满足于对食品口味的要求。对食品的安全、健康以及外观等都有了更多的期望和要求。因此粗粮食品的需求也呈现出品种多、变化快、数量大等特点。如何能够提高设备使用效率，减低单品加工时间，优化产能配置等问题就摆在了食品加工企业面前。
食品加工企业的生产模式大多是“自上而下”式，即企业根据市场反馈信息或者订单形成生产计划，计划下达到车间后组织生产，生产完毕后出货。这个过程中 ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)负责整合企业各种资源，制定生产计划。各种自动化加工设备，智能检测仪器仪表，自动化仓库等负责实现完成自动化生产和仓储。市场环境瞬息万变，企业能否在复杂的市场环境中良性运行，对市场的变化结合车间实际情况做出正确的应对措施对企业来说尤为关键。目前 ERP 系统和各种自动化技术已经发展的十分成熟， 但是 ERP 无法提供生产现场的详细情况。自动化系统虽然可以提供现场详细情况，但是它的对象是工程技术人员、工艺人员。管理人员无法使用设备提供的信息做出决策。因此信息在计划层和设备控制层之间就出现了断裂。例如在食品加工企业中会遇到一些实际问题：
（1）客户在食用某一产品后身体出现不良反应，企业能否通过识别码追踪到该批产品的原料供应商，原料批次，加工时间，加工设备，加工工艺，加工人员，原料配比记录，关键工艺参数，出厂记录等信息。
（2）一条生产线加工多个产品时，是否是用了正确的原料配比和包装，检验工艺是否进行了区别。
（3）每种产品单品加工的时间、工序数量。
（4）一个工作日内产品的良品比例，不合格品比例，出现缺陷比例较高的产品，分析产品品质波动是随机波动还是异常波动。
（5）设备空转和闲置比例。设备空转或者停机的原因包含：原料短缺、调度失误、人员操作失误、工艺缺陷造成次品等。
（6）统计人员工作量。要解决以上问题，仅仅靠 ERP 或者设备提供的数据是无法完成。
通过 MES 可以将计划层和底层控制系统紧密的结合到一起，形成一个完整的实时数据交换系统。这将逐步成为改进企业管理能力的趋势。对提高企业管理水平具有重要的意义。
本课题以食五谷集团粗粮加工车间为背景，探索了一条在食品加工行业实施MES 的途径，积累了丰富的经验，为该领域企业提供可借鉴的经验。该系统灵活性好，界面简单，是生产全过程更加透明、可控。通过对比，为企业减低了成本，减少了生产过程中的浪费，减少了人力成本。大大缩短了订单的响应时间。通过本系统，企业优化了管理过程，对整个加工过程的管理更加直接，快速。
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第二章 MES 理论和架构的研究

2.1 MES 发展趋势
2.1.1 国内外 MES 介绍
MES 概念最早由 AMR（Advanced Manufacturing Research，美国先进制造研究中心）提出，对 MES 的定义可以归纳为：MES 是一种信息管理系统，它可以将企业的计划系统和生产设备有机的结合在一起。MES 为企业的管理者提供了丰富的信息，例如计划执行情况，各类资源（人员、原料、设备、仓储等）的实时状态等。
MES 发展至今，世界各国的研究机构和相关设计企业对 MES 的定义都不尽相同。在众多系统模型中，被广泛采纳是制造执行系统协会（MESA，ManufacturingEnterprise Solutions Association）提出的系统模型[1]。MESA 指出：MES 具有对产品生产全过程优化的能力。当工厂或者车间发生任务时，MES 就对该任务做出快速反应，通过协调和配置车间的资源，对比现有和历史数据等一系列动作，针对生产任务给出处理方法，并监控整个生产过程。MES 可以提高企业的管理水平，提高企业原材料的流动速度，减低加工成本，进而提高企业投资回报率。MES 还应具有信息的双向交换能力，可以将车间的实时信息提供给管理层，也可以将管理层的信息下达到车间。MES 的主要特点可以归纳为：
（1）MES 是对生产加工全过程的整体优化，而不是只解决生产过程中某个局部的问题。
（2）MES 所采集的信息必须具有实时性并可以对采集的信息进行加工并做出分析。
（3）MES 必须能与计划层和设备控制层做信息交流，以达到实现企业信息流完整集成。
2.1.2 MES 系统研究现状
目前在 MES 领域，世界各国的大学和研究机构都积极的开展相关研究。例如美国宾夕法尼亚大学研制的人工智能 MES，该系统将仿真技术与专家系统相结合，在不同的生产阶段通过调用专家系统中的算法，采取不同的策略进行调度和控制。该系统的特点是可以运用知识库，对制造现场反馈的信息加以处理并优化方法，最终完成对生产计划的调整。又如目前应用较多的西门子公司开发的SIMATIC IT 系统，该系统以组件化的方式实现 MES 设计。成功应用于工业自动化项目，可以与 ERP 和底层控制系统很好的集成。
国内高校在 MES 领域，也进行了广泛的研究并取得了若干研究成果。国内研究主要集中在企业资源集成、网络化 MES、过程管理等方面。
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2.2 MES 体系架构
目前较为流行 MES，采用了 MESA 归纳总结的架构体系。MESA 给出的 MES架构中 ，共有十一个模块。分别为：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析、数据采集[4]。下面详细介绍各模块的作用。
（1）工序详细调度：对车间的资源进行整合与调度，合理安排产能，以此提高生产效率。包括：对生产任务中各独立活动的优先级、工艺、产品特性进行排序，并达到用户设定的产能和性能。对优先级相同或者可以平行进行的独立活动进行排序，制定出设备使用安排和人员需求。
（2）资源分配和状态管理：协调人力、设备、原料相互配合，进行生产。跟踪并记录实时工作状态以及上一道工序的完成情况[5]，即：对设备和资源的使用历史记录，当前状态的记录。以此保证设备正确使用、物料及时到位、文档资料齐备。
（3）生产单元分配：以任务单或指令的方式将物料和加工要求发送到某一工序[5-6]。依据制定的生产计划，使产品批号、物料编码、BOM、工艺编号、订单编号等形式的信息流在车间正常流动。生产分配信息依据生产现场的实际情况出现。它可以修改预先制定的生产计划。改变原料的配比或者加工工艺，更改产品加工数量。
（4）过程管理：根据实际产品的生产工艺和制定的生产计划来制定生产现场的工作流程。该部分一般与生产单元分配相结合，根据产品的不同和客户要求的不同，制定不同的工作流程。
（5）人力资源管理：跟踪员工的工作状态。一般按照分钟级别更新数据。可以记录员工的工时，生产产品的良品率，次品率。为考核员工提供详细的数据支持。
（6）维护管理：通过主动控制来保证生产设备和其它设备正常运作，以保证加工计划顺利进行[6-7]。
（7）质量管理：实时记录和跟踪设备运行情况和与生产相关的各种信息，分析良品比例，次品比例，缺陷原因和次品出现规律。一边实现生产全过程质量目标。
（8）文档控制：管理和传达加工工艺、BOM、设计文件、工程变更、加工指令等信息[8]。
（9）产品跟踪和产品清单管理：从原材料采购进厂到制成品进入仓储，收集并记录每个产品的信息和状态，形成完整的加工历史记录[5]。该记录可以为企业提供每个产品使用原料情况和加工情况，便于企业追溯批次产品问题。
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第三章 遗传算法及其在 MES 中的应用....................................9
3.1 遗传算法 .................................................... 9
3.1.1 遗传算法的特点 ......................................... 9
3.1.2 遗传算法的组成 ......................................... 9
3.1.3 遗传算法的计算流程 .................................... 10
3.2 遗传算法在 MES 中的应用 ..................................... 11
3.2.1 车间调度问题 .......................................... 11
3.2.2 车间模型提炼 .......................................... 12
3.3 本章小结 ................................................... 14
第四章 改进的遗传算法在食品加工业 MES 中的应用.......................15
4.1 改进的遗传算法流程 ......................................... 15
4.2 基于新遗传算法的车间调度设计实现 ........................... 16
4.2.1 基因链编码 ............................................ 17
4.2.2 生物种群的设定 ........................................ 18
4.2.3 设计适应度函数 ........................................ 18
4.2.4 遗传操作 .............................................. 19
4.2.5 程序设计 .............................................. 19
4.3 本章小结 ................................................... 23

第五章 基于改进遗传算法的食品加工业 MES 设计与实现

5.1 企业需求分析与设计预期
本文第二章指出制造执行系统的重要作用和架构特征就是资源的合理分配，在一定程度上实现资金、原料、设备、人力和时间的最优化配置。在 MES 设计时，最核心的问题就是解决生产车间的调度。在本项目实施过程中，在设计车间现场管理时和生产调度管理时，采用了改进后的遗传算法。在得到 ERP 系统的信息后，通过判断订单紧急程度、原料库存状况、设备当前状态等信息，来计算和优化产品加工顺序，，找出满足条件的近似最优解。以此为参考制定合理的生产计划，排除人工排产可能带来的错误、遗漏等不良后果，使车间的管理更加的科学与客观。
5.1.1 企业需求分析
食品加工业 MES 的总体目标是：以竞争为导向，以信息技术为基础，以技术研发体系和经营管理模式为核心，加强企业发展战略研究，吸收精益生产、并行工程等先进思想和方法，充分激活企业现有资源，加强技术管理，健全技术创新环境，加强质量计划与控制、质量成本评价，改革和完善现有管理模式，并向产品开发与市场开拓两头延伸，将公司的人与设备、技术与信息集成，成为一个整体优化的系统，提高公司的核心竞争能力。
根据企业需求，食品加工业 MES 应包括以下功能：
(1)工艺流程管理：工艺流程定义；标准工艺基础定义；客户产品定义；标准工艺定义；产品设置；工艺条件版本管理。
(2)WIP（work in product）管理：主要目标在于实现在线对设备的批次操作，收集在线实时的数据提供给其他功能模块，对在制产品发生的问题采取及时的措施，从而能够达到控制生产，降低在制产品库存的目的。基本功能包括：WIP 初始设定；批次操作；批次查询；批次跟踪；设备监视。
(3)车间现场管理：系统指派给实际作业人员提供一个作业的指导和指令；对现场的工艺数据与测量数据进行搜集；对材料的追踪，通过条码结合系统的条码录入界面，追踪产品的、设备的、人员的位置和状态信息。
(4)系统管理：保证 MES 的操作安全性，设定不同人员的管理权限，根据部门、职能、角色的不同来划分用户的使用权限和浏览权限。
(5)生产调度管理：由于食品加工业中某些设备投资巨大，根据制造流程“重复再进入”的特点，采用改进遗传算法进行调度，对应各种事件触发调度引擎重新调整资源分配，调度时间为分钟级别。同时生产调度与订单管理相结合，帮助用户确定订单的投入时间，估计产出时间。同时通过对各个时刻对订单和生产资源进行监视，根据实时数据优化调度，以提高订单生产安排的精度。
(6)质量管理：基于食品加工业的特点，提供控制批次出现问题后的严格的完整流程控制。质量管理的详细内容有：对质量问题的种类进行定义；定义质量问题现象；定义质量问题的处理方式；工作所采用的流程方式；对异常批次的判断；规定异常表单的格式；支持对返工、特采、报废、再返工特殊流程的处理；返工流程；设定时间段内质量事故内容的统计。所有的质量问题处理方法都支持审批流程，并且新的处理方法将被保存到知识库中[17-19]。
(7)设备管理：对所有设备特别是主要设备（如：搅拌机、焦化机等）在线观察 (记录所有设备的实时动态)；设定设备维护计划；记录设备维护记录；设备重要部件备件情况。
(8)预警提示：通过收集、分析实时和历史测量数据来监控工艺流程和设备状态，包括：数据收集，图表定义，自定义危险级别，自定义计算变量，根据预定规则在一定条件下触发报警或提示。
(9)订单管理：将订单管理与物料管理集成，直接产生生产需求，进而产生生产批次和采购计划；将订单管理与销售管理集成，获取订单生产情况及产品信息。包括：订单编辑、订单种类、投料安排、补投订单等。
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第六章 总结与展望

6.1 研究结论与成果
本论文借助食五谷集团制造执行系统项目的实施，全面的研究了制造执行系统和遗传算法的结构与特点。就制造执行系统的关键环节调度问题做展开研究。在总结前人经验的基础上，给食品加工企业建立 MES 模型，通过改良和优化遗传算法，实现对调度算法的改进。通过本文前面章节的论述，可以得到以下结论：
第一，随着不同企业制造执行系统的实施，行业模型会不断增加，MES 会向着组件化、网络化、智能化的方向发展。而基于 B/S 结构的 MES 以其友好的界面将更便于企业实施，会得到广泛的应用。
第二，制造执行系统是企业信息化建设中承上启下的桥梁和枢纽。是企业承接企业战略与日常运营对接的纽带。MES 将资源规划管理，供应链管理、客户关系系统、分销资源管理等有机的联系在一起。使信息在企业畅通的传递。
第三，调度和资源配置是制造执行系统的核心功能之一。MES 面对车间的时间生产情况，信息存在着实时性和多变性。因为生产现场环境瞬息万变，因此对于车间资源调度，需要合理性更需要敏捷性。对于调度算法，需要具有搜索能力强、速度快的特点。要求调度算法在短时间可以找到最优解的逼近值。
第四，通过为食品加工企业建立 MES 模型，运用改进的遗传算法解决该模型的调度问题是完全可行的。
本课题在研究过程中的主要工作和取得成果如下：
第一，为食品加工企业建立 MES 模型，便于以后同领域其它企业实施 MES时，可以方便的直接借用。该系统实现了预期技术性能指标：
（1）实用性：24*7 连续在线；
（2）可靠性：故障自恢复，双机热备；
（3）扩展性：模块构件、灵活配置；
（4）开放性：统一数据接口。
第二，通过研究传统的遗传算法，给出了改进的遗传算法。通过设计新的算法流程和程序，实现了使用改进的遗传算法求解 MES 中的调度问题。算法具有先进性和可行性。
第三，研究了 MESA 定义的 MES 模型，为食品加工企业设计了制造执行系统。该系统具有如下功能模块：（1）工艺流程管理；（2）WIP（work in product）管理;（3）车间现场管理；（4）系统管理；（5）生产调度管理；（6）质量管理；（7）设备管理；（8）预警提示；（9）订单管理；（10）成本核算；（11）产品生产分析；（12）实时报表管理。
第四，项目中运用的软件技术具有先进性：
（1）在服务器端利用 Ajax 技术实现页面的实时更新。
（2）使用接口技术使得系统更易维护和升级。
（3）利用设计模式组织系统中的对象，便于程序的编写和修改，提高代码效率。
（4）利用软构件技术提高软件开发效率与质量，缩短实施周期，降低软件开发成本，提高系统的可靠性和可维护性。
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参考文献（略）