基于MES的某企业数控车间生产管理系统的设计与实现

发布时间：2016-05-06 14:35

第一章绪论

1.1选题背景与意义
国内制造业信息化建设的上一个高潮发生在上世纪90年代末，建设的热点是企业资源规划（Enterprise Resourse Planning, ERP),这一高潮的主要结果是信息化概念被导入了千万家企业，但受厂商概念炒作的影响，企业对于系统目标的设定过于理想化和贪大求全，反而忽视了对车间制造执行层面应有的重视，因为缺乏基础数据的支撑，也由于并未通过项目的实施从根本上改善生产过程管理，使得大多数ERP项目的建设最终以失败收场[6，7]。刚刚过去的半个世纪以来，人类知识的积累和技术进步出现了爆发式的增长，特别是电子技术和信息技术近三十年来的发展，使产品在功能、质量、外观上出现了日新月异的变化，刺激了消费者对产品个性化永无止境的追求，产品功能结构日趋复杂，甚至“用户体验”成为了市场领先者致胜的法宝。近十年来，在离散制造行业ERP发展已趋于平缓，能够成功实施并且能适应组织机构变更和产品结构调整的案例鲜见，主要是由于以多品种小批量为显著生产特点的离散制造车间里生产计划组织还在以传统的方式进行、生产现场加工制造过程数据信息无法实现实时采集、制造过程信息不能经加工处理后以恰当的形式实时进行全面的反馈、产品无法按期以合理的成本、准确的数量、稳定的质量状态交付用户，不能高效地触发生产、计划、技术、工艺、后勤保障等部门的响应。因此，企业首先需要对生产现场的制造信息反馈方式进行信息化改造，即以信息化带动工业化，从而带来产品质量的提升、经济效益的提高。

ERP源于物料需求计划MRP (Material Requirement Planning)和制造资源计划MRPII (Manufacturing Resource Planning),在MRPII最为风光的 1990 年代，MRPII就是制造业信息化领域的王者，治然也包含对车间现场的管理，但是，受当时数控设备通讯功能和网络技术的制约，生产管理在对时间的粒度和信息实时性的需求上，还没有达到需要将车间数控设备的通讯端口和监控采集模块与生产管理系统集成的必要。产品的市场化竞争程度也远没有今天激烈，MRPII在制造业得到众多的拥夏。二十世纪末的ERP被神化为企业管理无所不能无所不包的集大成者，但此后便陷入了与供应链管理SCM (Supply Chain Management)、高级计划与排程APS (Advanced Planning and Scheduling)和客户关系管理CRM(Customer Relationship Management)等单项软件系统的竞争中，ERP在这个不断扩张壮大的过程中，未来得及对它最基本的功能、尤其是生产现场的管理功能进行扩展，而这一切不足甚至是短板，就给了制造执行系统（ManufacturingExecution System, MES)以填补间隙的市场机会。由此，MES应用而生，专注于车间制造过程的管理控制，为生产计划和现场管理人员提供数字化神经，快速响应现场变化的同时，帮助企业合理控制生产成本，提高产品质量。源于曰本丰田的准时生产体制JIT (Just in time)又似乎从事实上证明了车间现场管理的重要性，而MES的一系列理论与实践也不断迎合着这一需求。其中MES基本功能中数据釆集与分析发挥了关键作用，使得MES拥有制造过程中所有静态和动态的数据，形成巨大的制造数据集合数据采集的主耍Fi的在于如何把制造过程中产生的大量数据及时地反馈到计划、质量、工艺、生产等系统中，实现对物料、设备、工装夹具以及工具、计划状态、任务执行进度和人员、质量等信息的有效监控和管理，实现制造过程的可视化和透明化。随着MES的不断发展应用以及数字化车间技术、数字化制造技术的快速应用发展，对生产制造现场过程数据的实时釆集提出了更高的要求，制造过程信息的准确性、完整性、实时性成为对建设数字化车间的基本要求，这种需求有力地推动了制造过程数据采集与分析处理技术的发展与应用。

1.2国内外研究现状分析
1.2.1我国离散制造行业信息化发展现状
随着信息技术在企业各个层面的应用，企业在经营理念及生产管理模式上都产生了革命性的变革，企业对 CAPP (Computer Aided Process Planning)、QIS(Quality Information System)、PDM (Product Data Management)、 ERP、MES等的持续尝试，使得一部分需求与投入匹配度高的企业得到了长足的发展，并将这些系统扩展得越来越庞大，良好的经营效益又很好地回哺信息化投入，使得企业在信息系统应用上强者恒强，大者恒大。然而，也有许多企业在信息化建设的过程中，把错了脉，造成了企业更快的衰亡，造成这种后果的原因主要在于如下几个方面：
1)信息系统集成不够。当前，企业实施的不同信息系统由于投入来源不同或不足，投资一个功能系统时，难于从整体上、全局上进行分析和设计，造成系统架构的差异，无法或没有实现不同系统之间的信息共享，造成所谓的“信息孤岛”。就现有的技术水平而言，“信息孤岛”的消除不是难题，但信息系统有其内在的生命周期，很少有一种不经升级改造的系统模式能在企业内运转十年以上，信息孤岛需要通过持续的信息化投入与建设来消除。
2)先进制造思想与项目管控能力差。我国在并行设计、虚拟制造等领域大大落后于发达国家，研发设计部门在产品研发过程中缺乏项目管控的手段和思路，未能对大量的过程文件有效归档，造成产品设计信息重用难，向其它系统提供共享更难。也有些企业购置实施了 PDM系统，但仅限于进行图文档的管理，系统内容更新维护也不够及时，因为，在很多企业，主管领导对产品数据的使用认识不足，重视不够。不了解、不清楚并行工程的价值、意义和物质基础，也就不能够对研发过程中的过程文件进行有效的协同管理和流程控制，并行工程、精益研发也就与这些企业无缘了。

3)在产品设计阶段，设计人员与工艺设计人员（可能是零件加工工人）缺乏必要的沟通，设计上的缺陷未能及早发现，使得产品在制造阶段工艺性差，造成了批量生产阶段本可避免的困难。制造企业普遍经过了一轮甚至两轮的CAPP购置和使用，工艺编制效率普遍提高，但在企业的基础数据还没能实现标准化的时候过于片面追求产品的自动化和系统集成，同时，虽然大部分CAPP系统釆用了各种辅助技术来提高工艺设计效率，但未能从产品全生命周期的角度出发，进行相关系统的集成，不仅使生成的工艺数据相对孤立，也使产品全生命周期各个阶段的数据无法集成，导致了制造系统中“信息孤岛”的产生，也使信息化建设成为了“空中楼阁”。

第二章系统相关技术研究

C/S体系结构也叫客户机/服务器（Client Server)体系结构，在上世纪80年代末90年代初曾经盛极一时，其兴旺发达与微型计算机的普及及以Netware网络操作系统的成熟有很大关系，C/S体系结构旳兴起也标志着传统的大型机、小型机时代的没落。C/S结构的应用程序分为两部分，即客户端应用程序和数据库端服务器程序，可分别称之为前台与后台程序。运行数据库服务器程序的机器，习惯被称为应用服务器，只要服务器程序处于启动状态，就可随时对客户程序的请求做出响应；客户程序运行在网络终端，对应于服务器，被称为客户机。当需要对数据库中的数据进行响应时，客户程序就实时向服务程序发出请求，服务程序根据设计好的功能做出应答，送回结果。
B/S结构也叫浏览器/服务器（Browser/Server)结构，是随着上世纪90年代末Web技术的兴起而迅速发展起来的技术。在这种结构下，浏览器成为所有B/S应用的标准客户端，早先在浏览器功能比较少的年代（以IE为代表的浏览器的前IE6时代），只有少量的事务处理在客户端电脑实现，，大a的事务处理由Web服务器来完成，但是后来随着Web新技术的不断出现，浏览器端支持的功能越来越强大，浏览器的运行己占据了人量的内存开销，在当前比较有影响的Web技术如 Java web、.NET、PHP, AJAX、jQuery、JSP、Servlet 等的推动下，用通用浏览器就实现了满足用户需求的强大功能，有效地节约了开发成本，成为主要的软件系统构造技术。随着Windows系列IE浏览器升级频率的加快，这种结构已成为规划系统应用的首选体系结构。

前IE6时代，只有少量的事务处理在客户端电脑实现，大a的事务处理由Web服务器来完成，但是后来随着Web新技术的不断出现，浏览器端支持的功能越来越强大，浏览器的运行己占据了人量的内存开销，在当前比较有影响的Web技术如 Java web、.NET、PHP, AJAX、jQuery、JSP、Servlet 等的推动下，用通用浏览器就实现了满足用户需求的强大功能，有效地节约了开发成本，成为主要的软件系统构造技术。随着Windows系列IE浏览器升级频率的加快，这种结构已成为规划系统应用的首选体系结构。

2.2. .NET 架构

.NET架构（.NET Framework)是由微软公司推出的支持下一代Internet的可编程结构技术平台，是当前程序设计的主流体系之一，代表了程序设计技术发展的方向，综合了目前大多数高级语言的优点，与Windows操作系统紧密结合，充分发挥了其强大的基于可视化界面和面向对象的编程方法，满足系统较快的运行速度、良好的操作性能以及较强的图形界面等功能。.NET架构如图2-1所示。

可扩展标记语言（extensible Markup Language, XML)是一种用于描述数据和交换数据的标准方式，是一种结构化的标识语言。它是国际用于数据存储和交换的标准通用标记语言 SGML (Standard Generalized Markup Language,SGML)的一个子集，与HTML相比具有更强的灵活性，提供了更多对内容和结构进行说明和限制的机制，使得查询、存储和管理XML文档更加容易。除此之外，XML还是一种与平台无关的数据交换方式，目前儿乎所有的主流商业数据库供应商都己在自己的数据库产品中增加了面向XML文件的数据接口，以提供对XML的全面支持。H前许多工具都提供对XML文档数据的全文检索功能，便于用户提取XML文档中的信息，并可以利用XML将数据按用户的数据格式进行处理和转换。
就生产过程管理而言，数据釆集的重要性无论怎样说都不会过分，MESA特别强调制造数据在现场的实时采集，在MES领域有一个比较特别的现象，有不少厂商早期是自动化仪表或条码设备领域的专业供应商，比如浙大中控、Honeywell,甚至其中不乏早期就是卖条码设备的商业型公司，这些都说明了对于MES而言，数据采集的至关重要性，对离散制造而言就更是如此了，因为离散制造数据釆集的多样性和复杂性，离散制造领域的MES不如流程工业领域的MES成熟。离散领域通用的数据采集方式有：计算机终端釆集、条形码扫描釆集、手持PDA (Personal Digital Assistant)终端采集、机床终端手动反馈采集。随着物联网的持续升温，也有不少关于RFID (Radio Frequency Identification)的研究，RFID技术更适应于物流管理或产品的装配制造，不太适合于对零件加工过程的管理。

条形码扫描识别技术作为一种自动识别技术源于上世纪50年代的美国，是与计算机技术发展相结合的，是一种经济实用的数据采集技术，具有输入快、差错率小、编码信息量大、实用灵活等优点，目前已被广泛应用于工商业、图书出版业和物流管理领域。条形码识别技术主要有一维条形码和二维条形码两种，二者的发展一脉相承。一维条码含有的信息量很小，易受污染失效和需要与后台数据库系统结合等缺点在应用范围上受到一定的制约，但依然生命力旺盛，有非常广阔的应用发展，比如在车间生产现场仍不失为一种价廉物美的选择。

第三章车间生产管理系统需求分析与总体设计.......................17
3.1企业生产计划组织现状及车间生产过程中存在的问题.............17
3.1.1企业生产计划组织现状..........................17
3.1.2数控车间生产过程中存在的问题分析.............20
第四章车间生产管理系统详细设计..........................33
4.1系统数据流图分析..........................33
4.1.1车间生产数据类型分析..........................33
4.1.2系统分层数据流图分析..........................34
4.2系统详细业务流程图及流程说明..........................37
第五章车间生产管理系统的实现与验证..........................49

5.1车间生产管理系统实现主要功能..........................49

第五章车间生产管理系统的实现与验证

5.1车间生产管理系统实现主要功能
基于前述章节的分析和设计，利用Oracle llg, Microsoft Visual Studio 2010套件开发了车间生产管理系统。系统运行主界面如图5-1所示。主界面左侧为功能导航区，上方为快捷工具按钮，由于系统功能及软件界面众多，仅截取部分较为重要的软件运行界面作为展示。
劳动定额、材料消耗定额等工艺文件中包含有完整的工序信息，大部分产品的这部分工艺文件都以EXCEL表的格式存在，不需要重新整理录入，只是需要稍作格式上的调整，用以导入工艺信息的EXCEL表包含的列项有：零件编码、图号、零件名称、材料名称、材料型号、规格、单位、工艺定额、消耗定额、工序名称、班产定额、劳动组织、计量单位。供工艺数据导入的EXCEL表格式见表5-1。
导入的信息分别被写入零件表、工序信息表、物料表中。零件表主键为“零件ID”，获取的项目有；零件编码、图号、零件名称、工艺定额、消耗定额、计量单位，原材料信息通过“物料ID”的方式关联到物料表；工序表主键为"工序ID",获取的项目有：工序名称、班产定额、劳动组织，工序号自动添加，通过"零件ID”关联到零件表；物料表主键“物料ID”，获取的项目有：零件名称、材料名称、材料型号、规格、单位，添加“类型”属性，标识“成品、半成品、原材料”。作为原材料的物料，信息来源于材料名称、型号、规格、单位，‘‘类型”属性被置为2，工序名称为空者，“类型”属性被置为默认值0，表示为成品，工序名称不为空者，“类型”属性被置为默认值1,表示半成品。
导入时，先定义好与零件表、工序信息表、物料表对应的LIST容器，然后指定EXCEL文件保存的路径，将从页面上传过来的EXCEL文件流保存在该路径，再通过OLEDB方法，将EXCEL表巾的数据逐行读取，存入相应的LIST容器，完成EXCEL表中全部行次数据的处理后，将三个LIST容器内的数据遍历后写入对应的系统数据表。

因为派工单下方打印的条码就是派丁.单的ID，这就为在生产现场快速调取任务提供了可能，简化了现场的操作，也避免了可能发生的录入输入错误。因为在本质上条码枪和键盘没有什么区别（CODE39码也支持全ASCII码录入），为了区分不同的输入设备，防止键盘对条码枪的干扰，需要对条码枪预先进行设置，开启一个前缀和一个后缀。在开启了 AIM ID Prefix On和CR Suffix On后，条码枪在每次扫描时都在其读入的字符串前加上“]AO”用以表示该次输入来自条码枪而不是键盘，并通过设置后缀CR Suffix On来自动为该次输入加一个回车，从而触发后台的事件处理，弹出相应的派工任务单。

第六章结论与展望

车间生产管理系统的完成基于数年来对公司生产计划管理控制严重制约企业发展的充分了解和认识，对公司生产组织最为复杂的机械零件加工车间的业务流程进行了细致的梳理和优化，经过对系统的精心设计和对功能的细致实现，系统成功上线并在实际应用过程中得到了公司上下的一致好评，认为该系统为公司推行精益生产管理树立了标杆。

6.1论文及项目工作总结
本文首先介绍了车间生产管理系统的研究背景及意义，通过对车间现状的分析，认为对生产信息的加工与传递是制约车间生产管理的主要原因，基于对MES相关理论的学习，认为抓住数据采集这条主线，按照加工信息在生产现场实时采集的原则，在生产现场配置了数量充足的含条码枪的触屏终端，实现了工序级生产计划的派工，通过工人在加工过程中实时报告开工与完工，将工序检验结果及时输入系统等环节，实现了离散制造过程生产数据的半自动采集。基于生产数据的实时采集，实现了对计划的实时跟踪、在制品状态的实时汇总、工序良品率的实时反馈及工时的自动汇总归集。围绕上述目标的实现，在系统需求分析、功能需求、系统结构、系统模块、系统设计及系统实现等方面展开论述，实现了车间级的工艺管理、计划管理、数据采集、作业管理、在制品管理、质量管理等MES基本功能。

在车间生产管理系统的设计及实现过程中，一直以实用性和灵活性为主要原则。机加设备在现实中，受设备故障、工装、刀具、工艺设计、环境、操作工人等多因素的影响，加上生产计划的不均衡，设备能力很不稳定，ERP理论中关于工艺路线、工作中心等概念与公司实际情况差距非常巨大，而改善车间基础管理又是推进精益生产的基础，MES的理论既有原则性又不失灵活性，甚至明确指出“只具备十一个通用功能之中的某一个或几个，也属MES系列的单一功能产品”，因此，在实现生产数据实时釆集的基础上，只要系统能方便快捷地提供生产计划执行情况，不强调系统功能的强大，更强调人与系统的有效结合。在应用设计和实现中，充分考虑了系统的易用性，如工人扫码无需登录账号，生产现场配备足量的触屏终端与条码枪，在检验收发区设置电子看板实时反馈完工及任务回收信息等。

参考文献（略）

本文编号：42615