物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Thing， IOT) 是通過模擬人類之間的信息交互方式，將各類信息感知設備嵌入物體中，實時獲取物體的狀態(tài)信息，并將這些物體傳感器通過通信網(wǎng)絡互聯(lián)起來，對感知信息進行智能處理，實現(xiàn)對物體的管理、協(xié)調(diào)和控制的一種高度信息化技術，其可以實現(xiàn)信息的交換與通信。目前，大多數(shù)企業(yè)實施的制造執(zhí)行系統(tǒng)( Manufacturing Execution System，MES) 的主要功能是信息的管理與“上傳下達”，對于物流配送系統(tǒng)和制造過程中的生產(chǎn)實時狀態(tài)以及產(chǎn)品全壽命周期等的實時監(jiān)控能力較弱，而且系統(tǒng)信息管理與信息的實時更新之間也存在著斷層。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)可依托的各方面技術也相應得到發(fā)展，例如，大規(guī)模的感知信息處理技術、云計算技術等，而且成本也趨于降低�；�物聯(lián)網(wǎng)技術的MES 系統(tǒng)設計，可以實現(xiàn)企業(yè)整個生產(chǎn)制造的實時監(jiān)控及全方位管理，從而真正實現(xiàn)“管控一體化”，這對于完善MES系統(tǒng)的功能、彌補控制與管理的斷層意義重大。
筆者以某拖拉機裝配廠為背景，結(jié)合企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對企業(yè)物流配送，以及裝配過程實時監(jiān)控能力弱、報警系統(tǒng)不完善和信息交互不及時等問題，運用過程控制理論和物聯(lián)網(wǎng)技術，在實際調(diào)研和系統(tǒng)改進目標分析的基礎上，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)改進方案，即通過增加物流配送管理、現(xiàn)場生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控、預防報警指揮和遠程監(jiān)控等模塊，對企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能進行完善，實現(xiàn)企業(yè)制造過程的全方位監(jiān)控和物流運輸?shù)膶崟r跟蹤，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)企業(yè)高度信息化和智能化的管理要求。
1 MES 現(xiàn)狀與改進目標分析
1.1 企業(yè)MES 現(xiàn)狀分析
某拖拉機裝配廠主要生產(chǎn)大功率系列輪式拖拉機，功率覆蓋51.45 ～ 205.8 kW( 70 ～ 280 馬力) ，共200 多個基本型產(chǎn)品及1 000 多種選裝變型產(chǎn)品，產(chǎn)品生產(chǎn)過程涉及訂單、生產(chǎn)計劃、裝配、物流、采購、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)，屬于典型的流程制造。流程制造是一種通過一系列的生產(chǎn)方法，包括使用通用的設備，使生產(chǎn)線上的每項任務都有穩(wěn)定的周期時間，并按照加工工序的順序，使產(chǎn)品能夠迅速、平穩(wěn)地由一個工位“流動”到下一個工位的生產(chǎn)組織方式。其不同于離散制造的獨立控制，既要對流程制造的各任務與批次之間實現(xiàn)全面的綜合管控，又要對關鍵環(huán)節(jié)實施實時追蹤，最終才能實現(xiàn)“一個流”的生產(chǎn)。
企業(yè)現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)主要針對流程生產(chǎn)中的關鍵點進行控制，實現(xiàn)的主要功能有生產(chǎn)計劃管理，主機跟蹤管理、生產(chǎn)裝配指示、關重件檔案管理、停線管理、LED 生產(chǎn)看板、報表管理等。MES 功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 現(xiàn)有MES 的功能模塊
現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)主要實現(xiàn)了基本信息的存儲及共享功能，并不能滿足企業(yè)對生產(chǎn)過程全方位的監(jiān)控管理和物流狀態(tài)追蹤的需要。首先，裝配廠遠離零部件供應商，且拖拉機裝配過程復雜，廠外物流配送系統(tǒng)龐大，整個物流運輸成本高，為確保配送的零部件質(zhì)量，增加了物流運輸途中的質(zhì)量監(jiān)管力度。其次，目前該車間裝配線的監(jiān)控主要使用的是條碼技術，其工位員工采用手動方式對物品逐一地進行掃描跟蹤，整個操作過程工人的勞動強度大，工作效率低，并且條形碼容易受作業(yè)環(huán)境的限制，不能重復使用。此外，現(xiàn)場報警系統(tǒng)不完善，當某個工位發(fā)出急停信號時，現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員很難及時發(fā)現(xiàn)造成停線的具體工位，而且也沒有對停線信號進行歷史記錄，也就無法將停線信號及時發(fā)送給MES 系統(tǒng)，最終導致MES 的部分功能發(fā)揮不夠充分。再者，現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)對于客戶反饋的信息交互不及時，致使出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題不能及時地得到處理，嚴重影響了企業(yè)的信譽度和市場競爭力。
1.2 改進目標分析
物聯(lián)網(wǎng)是建立在Internet 基礎上，利用RFID( 射頻識別) 、無線數(shù)據(jù)通信等技術構(gòu)造的一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的核心能力是全面感知、可靠傳輸、智能處理［5 － 7］。將物聯(lián)網(wǎng)技術與MES 進行集成，依托物聯(lián)網(wǎng)的視頻監(jiān)控技術實現(xiàn)物流車輛運輸?shù)膶崟r監(jiān)控; 用RFID 技術取代條形碼技術，實現(xiàn)裝配線上物品的實時在線跟蹤，減少裝配過程的人工干預，既可以降低工人勞動強度，又能提高工作效率。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于裝配廠，并融入到MES 系統(tǒng)中，可有效實現(xiàn)企業(yè)系統(tǒng)的集成和動態(tài)監(jiān)控，達到企業(yè)高度信息化的要求。
通過對企業(yè)MES 現(xiàn)狀的分析，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術，以實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)過程全方位的監(jiān)控管理和物流狀態(tài)追蹤管理為總體目標，完善原有系統(tǒng)功能，實現(xiàn)廠內(nèi)物流和廠外物流的可視化操作和智能化管理，保證產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量，具體有以下改進目標：
1) 將物流配送系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合，對廠內(nèi)物流和廠外物流實時全方位的跟蹤管理，保障物流暢通，加強產(chǎn)品在運輸過程中的質(zhì)量監(jiān)管力度；
2) 將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于車間裝配線上，用RFID技術代替原有的條碼技術，甩掉手工操作方式，實現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集智能化和在制品實時監(jiān)控可視化，降低人工的管理成本，提高生產(chǎn)效率；
3) 完善報警系統(tǒng)。在原有停線管理的基礎上，通過物聯(lián)網(wǎng)將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES 信息中心，開發(fā)設計系統(tǒng)并進行遠程監(jiān)控，顯示報警的具體工位，并記錄報警的歷史數(shù)據(jù)；
4) 在企業(yè)實施信息化的基礎上，通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸技術，針對用戶需求簽訂協(xié)議，對產(chǎn)品進行遠程監(jiān)控，做到隨時發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而保證產(chǎn)品整個壽命周期的質(zhì)量。
2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的MES 系統(tǒng)改進方案
2.1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)
根據(jù)MES 系統(tǒng)和物流配送管理現(xiàn)狀，充分使用物聯(lián)網(wǎng)的技術優(yōu)勢，在原有系統(tǒng)的基礎上建立一個具有組網(wǎng)技術的靈活的MES 指揮中心；在裝配廠的生產(chǎn)現(xiàn)場安置攝像頭，利用先進的GPS 全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
制造執(zhí)行系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術利用統(tǒng)一的系統(tǒng)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通。根據(jù)ISO 定義的MES功能層次模型，將MES 軟件體系結(jié)構(gòu)從整體上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成平臺層、應用層3 層功能模式。首先，MES 的數(shù)據(jù)采集層利用物聯(lián)網(wǎng)技術感知層的識別感知技術獲取車間的實時數(shù)據(jù)，并通過MES 數(shù)據(jù)集成平臺進行智能計算處理和管理; 然后，借助于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和應用，供決策層上傳下達; 最后，通過后臺的信息儲存進行數(shù)據(jù)交換，達到實時信息共享。數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)與MES 集成的媒介，物聯(lián)網(wǎng)技術是系統(tǒng)實現(xiàn)在線監(jiān)控、實時監(jiān)測的手段和支撐力量，而制造執(zhí)行系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心力量。
2.3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的RFID 技術、數(shù)據(jù)傳輸、智能處理技術，在把握系統(tǒng)總體目標的前提下，將物聯(lián)網(wǎng)與MES 進行集成，并對企業(yè)MES 功能加以補充和完善�；谖锫�(lián)網(wǎng)技術的裝配廠MES 系統(tǒng)的功能模塊有系統(tǒng)管理、生產(chǎn)計劃管理、主機跟蹤管理、生產(chǎn)裝配指示、關重件檔案管理、停線管理、LED 生產(chǎn)看板、報表管理、物流配送管理、生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控、預防報警指揮和遠程監(jiān)控等模塊，應用于拖拉機產(chǎn)品的全壽命周期管理中。針對企業(yè)全方位監(jiān)控管理和物流跟蹤管理的系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)功能模塊
2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫
對系統(tǒng)設計的總體目標進行分析，在確定系統(tǒng)的改進方案后，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。然后設計數(shù)據(jù)表，包括產(chǎn)品基本情況表、物料主數(shù)據(jù)表、關重件配置表、銷售代碼、裝配配置表、分裝線生產(chǎn)表、總裝線生產(chǎn)表、主機關重件裝配檔案表等。其中產(chǎn)品基本情況表和關重件配置表如表1 和表2 所示。
表1 產(chǎn)品基本情況表
表2 關重件配置表
2.5 系統(tǒng)實施的關鍵技術
系統(tǒng)研究的監(jiān)控功能所依托的物聯(lián)網(wǎng)技術主要有: 感知識別技術、組網(wǎng)與泛在接入技術、大規(guī)模感知信息處理技術等，而對于MES 開發(fā)與實施涉及的關鍵技術包括了計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、MES 體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)應用技術和接口技術等，其中接口技術主要包括管理系統(tǒng)接口和控制系統(tǒng)接口。此外，進行MES 的開發(fā)和實施還需要考慮MES系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)的可配置性。
3 MES 系統(tǒng)改進功能模塊設計
為了實現(xiàn)對企業(yè)進行全方位的監(jiān)控和管理，結(jié)合基于物聯(lián)網(wǎng)技術的制造執(zhí)行系統(tǒng)改進方案，對系統(tǒng)原有的功能模塊進行補充，即增加系統(tǒng)管理模塊、物流配送管理模塊、生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控模塊、預防報警指揮和遠程監(jiān)控模塊。
3.1 系統(tǒng)管理模塊
系統(tǒng)管理模塊是企業(yè)整個系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)部分，其可以進行系統(tǒng)相關基礎信息的設置，機型配置管理，系統(tǒng)關鍵操作日志管理，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫備份、恢復管理等工作。它依據(jù)標準的信息對象，對整個裝配廠進行虛擬化處理，建立基于產(chǎn)品、裝配的設備單元和生產(chǎn)路徑的生產(chǎn)流程，并提供與各個外部系統(tǒng)的連接。
3.2 物流配送管理模塊
此模塊可實現(xiàn)對運輸車輛的運行路線、運行位置、運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，既能實現(xiàn)廠內(nèi)物流和廠外物流的可視化，又能保障貨物的安全。圖4 為物流配送管理工作流程。
圖4 物流配送管理流程圖
物流配送功能主要是依靠GPS 定位來實現(xiàn)的。首先在物流運輸車輛的前后分別安裝一個攝像頭，通過前方安置的攝像頭采集交通數(shù)據(jù)和運輸路面情況，經(jīng)過車載GPS 終端將數(shù)據(jù)傳輸給MES 指揮中心GPS 服務器，并在大屏幕上顯示前方路況和準確的交通信息; 然后，基于電子地圖的配置和車輛行程時間歷史數(shù)據(jù)庫等基本信息，通過物聯(lián)網(wǎng)技術將數(shù)據(jù)融合并形成準確的交通數(shù)據(jù)，再根據(jù)運輸管理軟件的處理方式進行運算、預測; 最后，通過車載導航設備等傳播媒體將路面實時情況發(fā)布給車輛司機，供司機選擇正確的運輸路線，以期避開交通高峰期和路況不好的地段，減少貨物的運輸時間，從而保障貨物的運輸質(zhì)量。另外，MES 指揮中心可以通過車輛后方的攝像頭隨時查看貨物的情況，如果遇到貨物發(fā)生移位、損壞或被盜等情況，立即通過車載GPS定位終端將信息傳送到MES 指揮中心，并觸動系統(tǒng)報警指揮，基于呼叫中心服務器，及時通知運輸車輛的司機進行停車查看，這樣不僅保證了零部件的質(zhì)量，還可以避免增加物流成本。再者，如果銷售部已經(jīng)通知客戶發(fā)貨，但是客戶還沒有收到貨物，MES 指揮中心就可以通過電子地圖將車輛當前的位置和其他信息直觀地呈現(xiàn)給客戶，客戶也可以在系統(tǒng)中調(diào)用監(jiān)測車輛的歷史信息。
3.3 生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控模塊
生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控主要依托現(xiàn)場的視頻采集設備，即在每個車間安裝可360°旋轉(zhuǎn)的視頻采集設備，對裝配車間的每個方位進行實時監(jiān)控，在MES 指揮中心的顯示器上每5 s 更新一次畫面，并通過調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)中的人機界面，以及現(xiàn)場PLC 系統(tǒng)的實時信號，動態(tài)顯示出當前每條機運線的狀態(tài)。現(xiàn)場生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示。
圖5 現(xiàn)場生產(chǎn)線實時運行狀態(tài)監(jiān)控界面
3.4 預防報警指揮與遠程監(jiān)控模塊
基于物聯(lián)網(wǎng)技術的報警指揮模塊的功能是: 在原有的停線管理的基礎上，將影響正常生產(chǎn)的各種因素組成一個專門的信息庫，然后根據(jù)客戶的需要與客戶簽訂協(xié)議，并通過無線通信專線與客戶建立產(chǎn)品售后服務遠程監(jiān)控，最后利用物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)裝配生產(chǎn)的在線診斷，做到及時發(fā)現(xiàn)問題，并安排相應的專業(yè)人員實施管理，從而避免由于一錯再錯而造成的無法彌補的損失。改進后的MES 報警指揮流程圖如圖6 所示。
圖6 MES 指揮中心報警指揮流程
4 結(jié)論
物聯(lián)網(wǎng)技術與MES 系統(tǒng)設計的有機結(jié)合，為企業(yè)加快信息化步伐、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)制造過程的安全度起到了推動作用，也為增強企業(yè)的競爭力提供了有力保障。筆者通過對某拖拉機裝配廠現(xiàn)有MES 系統(tǒng)的分析和研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的制造執(zhí)行系統(tǒng)改進方案，并完善了原有的MES 系統(tǒng)功能，為企業(yè)面臨的物流運輸與生產(chǎn)線實時監(jiān)控薄弱，報警系統(tǒng)不完善和信息交互不及時等問題提供了有效的解決方法，彌補了企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)在實時監(jiān)控管理方面的不足，對提高企業(yè)生產(chǎn)控制和管理效率具有一定的實際意義。
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本文標題：基于物聯(lián)網(wǎng)技術的企業(yè)ERP/MES系統(tǒng)改進研究
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