基于MES的船舶建造數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

，，

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

目前國(guó)內(nèi)大型造船企業(yè)正在加快實(shí)施企業(yè)信息化建設(shè)，在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing systems,CIMS)開發(fā)利用上取得了較大進(jìn)展，但基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不扎實(shí)、信息流通慢，造成船舶企業(yè)普遍存在信息孤島和信息斷層的問題。為此，提出基于MES(manufacturing execution system)的船舶建造數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為整個(gè)MES的一個(gè)子系統(tǒng)，完成船舶建造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，從而很好地解決以上問題。

1 MES關(guān)鍵問題描述

美國(guó)的咨詢調(diào)查公司(advanced manufacturing research，AMR)對(duì)MES給出的定義：MES是一個(gè)常駐工廠層的信息系統(tǒng)，介于企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的計(jì)劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。

它以當(dāng)前視角向操作人員/管理人員提供生產(chǎn)過程的全部資源(人員、設(shè)備、材料、工具和客戶要求)的數(shù)據(jù)和信息。[1]

MES處于計(jì)劃層和現(xiàn)場(chǎng)之間的執(zhí)行層，一方面將企業(yè)資源計(jì)劃層的命令進(jìn)一步細(xì)化后，向生產(chǎn)過程發(fā)出制造指令；另一方面，將過程控制層收集到的實(shí)時(shí)信息反饋回業(yè)務(wù)管理層，作為以后編制生產(chǎn)計(jì)劃的依據(jù)，并對(duì)車間作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度，將企業(yè)資源計(jì)劃和過程控制整合在一起，形成以ERP(enterprise resource planning)/MES/BCS(bottom control system)三層為核心的企業(yè)信息集成系統(tǒng)。

2 基于MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊功能描述

使用IDEFO(integration definition for function modeling)建立船舶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能模型，描述系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)各模塊間的相互關(guān)系[2]。數(shù)據(jù)采集模塊的功能就是在計(jì)劃、工單、物料單等信息的支持下，收集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，形成生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息和生產(chǎn)過程信息，這個(gè)過程是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和人工完成。

按照數(shù)據(jù)采集的對(duì)象，可以把數(shù)據(jù)采集功能模塊劃分為6個(gè)子模塊，見圖1。

1) 計(jì)劃數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與計(jì)劃相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括廠級(jí)車間作業(yè)計(jì)劃信息、班組作業(yè)計(jì)劃信息以及各種計(jì)劃調(diào)整調(diào)度信息。

2) 工單數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與工單相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括工單基本信息、派發(fā)信息、執(zhí)行信息和調(diào)整信息。

3) 設(shè)備及工裝數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與設(shè)備及工裝相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備基本信息、工裝基本信息、設(shè)備的使用信息、維修信息以及其他狀態(tài)信息。

4) 物料數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與物料相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括物料基本信息、物料的狀態(tài)信息、位置信息、數(shù)量信息以及質(zhì)量信息。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊功能模型圖

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

5) 人員數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與人員相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括人員基本信息、人員的出勤情況、人員的工作狀況。

6) 輔助數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集與系統(tǒng)相關(guān)的其它數(shù)據(jù)，包括使用的制造信息、相關(guān)的工藝信息、工作日歷信息。

2.2 數(shù)據(jù)采集信息分析

在車間實(shí)際生產(chǎn)過程中，關(guān)心的信息包括：前工單的執(zhí)行情況、設(shè)備的使用狀況、人員的狀態(tài)，以及物料的在制品存儲(chǔ)量信息。對(duì)需要采集的信息進(jìn)行分類。

1) 指令類信息。各種生產(chǎn)指令，包括工單、領(lǐng)料單、入庫單。

2) 時(shí)間類信息。事件發(fā)生和結(jié)束的時(shí)間。

3) 位置類信息。各種要素所在的位置，包括物料的位置、人員的位置、設(shè)備的位置。

4) 人員類信息。事件發(fā)生過程中的人，包括導(dǎo)致各種狀態(tài)變更的人員、操作設(shè)備的人員、執(zhí)行工單的人員、運(yùn)輸物料的人員。

5) 事件類信息。主要描述事件的過程，包括使用的設(shè)備、使用的物料、最后的結(jié)果。

2.3 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法

目前造船企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)大都是手工填寫，這些數(shù)據(jù)有的是經(jīng)手算匯總，稍微先進(jìn)點(diǎn)的則是各種生產(chǎn)報(bào)表、單據(jù)、窗體數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行匯總，這些數(shù)據(jù)信息嚴(yán)重缺乏實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和全面性，而且人為操作使得數(shù)據(jù)誤差增多，檢查數(shù)據(jù)源時(shí)困難重重。這就出現(xiàn)了所謂的“生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)黑箱作業(yè)”現(xiàn)象。利用條碼建立的具有敏捷化響應(yīng)能力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為上述問題的解決，提供了可行的實(shí)現(xiàn)方案。

2.4 基于條碼的數(shù)據(jù)采集方法

針對(duì)船舶制造企業(yè)面向訂單式的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的條碼數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程見圖2。

在車間級(jí)管理層接收到來自企業(yè)級(jí)ERP系統(tǒng)的零件月份需求計(jì)劃之后，MES需要根據(jù)上級(jí)計(jì)劃制定MES車間月份生產(chǎn)計(jì)劃，然后根據(jù)車間月份生產(chǎn)計(jì)劃生成零件加工批次和產(chǎn)生流水作業(yè)卡。之后，生成能夠表示零件在制品的條碼，和零件批次信息一起作為零件生產(chǎn)的過程檔案。同時(shí)，還根據(jù)MES車間月份生產(chǎn)計(jì)劃生成每天的工序作業(yè)計(jì)劃，作為生產(chǎn)調(diào)度指令向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)下達(dá)班產(chǎn)派工指令。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)派工指令和零件批次進(jìn)行加工。在完成加工任務(wù)之后，反饋零件加工情況和狀態(tài)、班產(chǎn)計(jì)劃完成情況以及生產(chǎn)工時(shí)綜合統(tǒng)計(jì)。MES根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過過濾、統(tǒng)計(jì)等處理形成可用的信息供第二天的工序日計(jì)劃編制和上層ERP系統(tǒng)編制計(jì)劃使用。

3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 條碼制作

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)采集信息的分析和現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)際情況，得出選擇條碼標(biāo)識(shí)對(duì)象的原則：對(duì)象數(shù)量要盡量少，便于精簡(jiǎn)條碼掃描流程；能表示盡量多的信息；條碼標(biāo)簽容易粘貼。根據(jù)上述原則，對(duì)條碼標(biāo)識(shí)對(duì)象的選擇如下：①選擇工廠分配給每個(gè)員工作為人員惟一標(biāo)識(shí)的代碼作為編碼代碼，制成條碼標(biāo)簽粘貼在每個(gè)工人每日必須佩戴的工卡上；②在生產(chǎn)中，在制品零件是以批次為基本單位進(jìn)行加工和移動(dòng)的，而每個(gè)零件批次的流水作業(yè)卡包含了該批次零件的基本信息、加工工序信息和加工數(shù)量且流水作業(yè)卡跟隨本批零件的整個(gè)加工過程。所以選擇流水作業(yè)卡作為標(biāo)識(shí)零件的條碼標(biāo)識(shí)對(duì)象。針對(duì)每個(gè)批次印制能夠惟一標(biāo)識(shí)該批次的條碼標(biāo)簽粘貼在流水作業(yè)卡上；③根據(jù)標(biāo)識(shí)每臺(tái)設(shè)備的設(shè)備編碼印制設(shè)備條碼標(biāo)簽供采集設(shè)備信息使用。

3.1.2 條碼編碼規(guī)則

1) 惟一性。每一個(gè)編碼對(duì)象只能有一個(gè)代碼，一個(gè)代碼也僅表示惟一的一個(gè)編碼對(duì)象。

2) 規(guī)范合理性。在一個(gè)代碼標(biāo)準(zhǔn)中，代碼的類型、結(jié)構(gòu)以及編寫格式要統(tǒng)一和規(guī)范化。

3) 穩(wěn)定性。即代碼不宜頻繁變動(dòng)，編碼時(shí)要考慮其變化的可能性，保持代碼系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定。

4) 可擴(kuò)充性。必須留有適當(dāng)?shù)暮髠淙萘?，適應(yīng)編碼對(duì)象特征或?qū)傩砸约捌湎嗷リP(guān)系可能出現(xiàn)的變化，從而滿足系統(tǒng)不斷擴(kuò)充的需要。

5) 簡(jiǎn)化性。計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中需要處理的數(shù)據(jù)量很大，為了縮短處理的時(shí)間、減少存儲(chǔ)空間，同時(shí)也為便于條碼閱讀器的識(shí)別，編碼不能過于冗長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)化。

6) 適用性。代碼要盡可能翻譯編碼對(duì)象的特點(diǎn)，以助于記憶并便于人們了解、識(shí)別和使用。

系統(tǒng)根據(jù)上述編碼規(guī)則[3-6]，初步設(shè)計(jì)有關(guān)人員、設(shè)備、物料的編碼格式。

I—三位流水號(hào)，由 001 開始。

I—公司代號(hào)；

II—設(shè)備所屬部門編號(hào)；

III—同部門設(shè)備序號(hào)。

I—總代號(hào)，用P表示；

II—產(chǎn)品編碼；

III—車間編號(hào)(或預(yù)留)；

IV—工序號(hào)。

I—總代號(hào)，用R表示；

II—分代號(hào)；

III—分類號(hào)；

IV—原料編號(hào)；

V—計(jì)量單位代碼；

VI—序號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊框架體系的設(shè)計(jì)

目前常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫應(yīng)用模式有B/S 結(jié)構(gòu)和 C/S 結(jié)構(gòu)。針對(duì)造船企業(yè)數(shù)據(jù)采集量大的特點(diǎn)，選擇 B/S 模式，見圖3。

圖3 B/S架構(gòu)應(yīng)用模型

B/S架構(gòu)的軟件開發(fā)模式在結(jié)構(gòu)上分為三部分:客戶端、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫訪問邏輯也分為三個(gè)層次:界面表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。該結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)訪問層放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存取、訪問及優(yōu)化。主要的業(yè)務(wù)處理功能即業(yè)務(wù)邏輯層則在應(yīng)用服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，而提供系統(tǒng)與用戶交互的界面表示層和簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)處理功能則放在客戶端。

3.3 數(shù)據(jù)采集過程示例

采用SQL Server數(shù)據(jù)庫， 演示過程如下，Visual C#.net實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。需要工人錄入的信息可分為：工人每天工作狀態(tài)信息、加工任務(wù)信息和完成任務(wù)信息三個(gè)部分。設(shè)計(jì)出基于班產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)采集界面。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的快速采集和數(shù)據(jù)的一次錄入多次使用。工人每天填寫的班產(chǎn)信息，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)都可以通過掃描人員條碼、批次流水作業(yè)卡條碼、設(shè)備條碼來匹配相應(yīng)信息，需要錄入的只有時(shí)間和數(shù)量等數(shù)字信息。這樣不僅減少了工人手工錄入生產(chǎn)信息的出錯(cuò)幾率，同時(shí)也減少了工人使用鍵盤錄入字符的范圍，節(jié)省了錄入數(shù)據(jù)信息所花費(fèi)的時(shí)間。

通過顯示終端,操作員將獲得條碼的實(shí)際信息,同時(shí)可輸入少量的加工質(zhì)檢信息,并將這些信息傳到車間計(jì)算機(jī)上,由此完成零件的一次加工,并跟蹤到車間主機(jī)上。同時(shí),對(duì)復(fù)雜工序加工時(shí),通過掃描工序條碼,從車間計(jì)算機(jī)上獲得該批零件對(duì)應(yīng)工序的生產(chǎn)工藝信息,并顯示在終端上,指導(dǎo)操作員加工。通過訪問SQL數(shù)據(jù)庫獲得零件加工的所有進(jìn)程信息。利用條碼實(shí)現(xiàn)對(duì)操作員、零件狀態(tài)、加工進(jìn)展、設(shè)備的監(jiān)視,這樣，管理者就能及時(shí)查看零件加工進(jìn)度、質(zhì)量分析、設(shè)備負(fù)荷、零件轉(zhuǎn)移情況等。系統(tǒng)基本滿足MES上層各功能模塊對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的需求。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前船舶制造企業(yè)普遍存在的數(shù)據(jù)采集難題，提出的基于條碼技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方法使數(shù)據(jù)采集手段更簡(jiǎn)單，速度更快，采集所得數(shù)據(jù)更為完備。減少了車間信息獲取難度，加快了獲取車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的能力，為車間生產(chǎn)構(gòu)建了一個(gè)敏捷化處理環(huán)境，很大程度上改變了當(dāng)前車間生產(chǎn)作業(yè)方式。提高了車間生產(chǎn)效率，有助于有效地縮短造船周期。

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