机械下料车间MES系统的模型构建与描述

在机械制造领域，所谓的下料是指确定制作某台设备或产品所需的材料形状、数量或质量后，按照特定工艺从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。下料是产品或部件生产的第一道工序，也是影响生产和产品质量的关键工序。机械下料车间作为制造系统的生产任务执行层，在制造生产系统的物流中起到承上启下的作用。一方面它从企业上层管理系统中接收生产任务，依据自身能力需求和平衡进行生产加工，为下道工段的加工做好下料准备;另一方面它又根据企业各部门要求对车间资源和生产状态信息进行规范化管理，以保证下料生产的顺利进行。

机械下料车间处于零件流的上游，是企业产品生产链的起始环节。也是影响生产和产品生产质量的重要一环。建立面向机械下料车间的制造执行系统，共享制造信息和优化管理制造过程，提高下料车间的管理水平，不仅可以提高车间的生产效率，给企业创造经济效益，还对整个企业管理水平的提高有很大促进作用。

1 MES系统的模型构建

1.1 机械下料车间的业务流程分析

通过对典型机械加工企业生产特点和制造流程的实际调研，梳理了其下料车间的业务流程。

生产计划部门接收订单任务信息后，做好生产准备计划。一方面根据合同任务信息、物料库存情况及车间反馈的物料需求计划制定采购计划;另一方面根据技术部门提供的产品技术资料及工艺文件，制定生产任务，并下发给下料车间。同时，技术部门做好技术工艺准备，向下料车间提供相应的产品BOM、图纸工艺及质量标准。下料车间接收生产任务后，一方面根据产品的图纸工艺信息制定相应的下料工艺;另一方面则根据工厂日历、车间加工能力、物料库存、生产资源状态及下料工艺等信息对生产任务进行分解，制定相应的下料作业计划并以生产工票的形式将下料作业下发给工人，执行下料生产。下料作业完成后，车间质检员对下料产品进行质量检验，将合格品存入半成品库，为产品的下道工序做好准备，同时汇总检验记录上报质检部门。在整个下料生产过程中，还需要完成生产资源状态信息(物料消耗、人员考勤、工时统计、设备运行状态与数据采集、在制品流转、生产进度、下料质检等)的统计与分析，并将之以报表的形式反馈给上层计划部门。以便更好地管理车间资源、指导下料生产。

1.2 系统的模型构建

根据上述制造企业车间生产流程与特点的调研分析。建立面向机械下料车间的MES系统总体模型，如图1所示。

图1 机械下料车间MES系统的总体模型

生产数据管理模块获取产品设计信息和工艺信息，由主生产计划管理生成采购单、委外生产单和企业自己的生产任务单，同时结合设备情况生成能力计划;生产任务管理模块对主生产计划进行分解，下达到下料车间，由车间对下料作业计划进行调度，调度结果自动生成电子工票，工人根据工票进行下料生产。工票反馈后。上层管理人员可以及时通过在制品管理模块了解生产进度，使得生产更具透明化;除此之外，系统还可以对车间设备及人员的动态信息进行管理，及时反映设备的运行情况、人员的出勤状况等动态信息。

2 MES系统的体系结构描述

2.1 系统的功能视图

功能视图是描述MES系统中的功能组成。MES系统的目的在于为下料车间提供各种不同任务的支持，收集与任务相关的信息，存储于统一的数据库中。使不同的任务在数据库信息的基础上得到协调。为了实现机械下料车间生产的敏捷性，对下料任务、生产环境的变化做出快速响应，参考MESA国际组织的报告及有关文献，提出了下料车间MES系统的功能视图，如图2所示。该视图包括系统总体功能目标和系统功能模块构成2个方面。其中总体功能目标是要结合下料车间的生产制造特点，实现对车间下料过程物料、生产、质量、人员、设备等要素的信息化管理，以支持和实现下料过程的可视化、实时化和透明化，从而支持整个企业生产过程的精益化管理;在系统总体功能目标指导下，结合下料车间的生产特点，构建系统的功能模块。具体的MES系统主要包括基础数据管理、资源状态管理、作业计划与调度、生产工票与工况数据采集、下料质量管理及数据统计与业绩分析等功能模块。

图2 MES系统的功能视图

2.2 系统的过程视图

下料车间MES系统的核心是对制造过程的物料、下料作业、下料质量、车间设备及人员等要素进行全面的管理，其过程视图描述了产品零部件在下料车间制造系统运行的完整活动链，如图3所示。

图3 MES系统的过程视图

首先由企业生产计划部门根据ERP系统的主生产计划向本单元下达带有生产令号、零件名称、数量和完工时间限制的下料任务单。作业计划系统接受任务之后，首先向图库、工艺库查询相关信息：如果信息缺乏，则向下料工艺管理模块(CAPP系统)发出下料工艺准备要求。CAPP系统根据要求通过图档管理系统从数据库中得到该产品的图纸后进行工艺规划，并将规划好的工艺存入工艺资源库，并向NC程序管理系统发出工序信息。要求准备下料程序。NC程序管理系统则根据工序图产生数控程序，并将其存入下料加工程序库。

作业计划系统得到计划编制所需要的全部信息后，做出一组面向工作地的作业计划和资源分配指令。这些作业计划和指令需要在人员、设备、程序、原料等资源条件和交货期、批量、工艺等生产条件的约束下，根据工艺信息、加进工序周转时间、装夹辅助时间等进行优化排序。排序完成后的作业计划经过调度员的确认向操作者发出应完成作业任务的生产工票。操作者可以在工作地终端输入自己的用户名和密码，通过生产工票随时察看自己当前应当进行的工作和下载完成这些工作所需要的信息(如图纸、工艺、程序等)，并根据这些信息做好下料生产准备，完成下料作业任务。当操作者完成了当前工票指定的任务后，需进行完工信息(包括零件名称、完工数量、实际完工时间、完成者姓名等信息)反馈;同时检验员对操作者反馈的工票进行下料质量检验，将检验结果送统计系统进行数据统计和分析;绩效分析模块则对生产资源数据及下料生产数据进行统计分析。生成各种报表数据，包括向ERP系统的上报信息、每个操作者的绩效数据、零件进程单等。以指导车间的下料生产。

2.3 系统的资源视图

系统的资源视图描述了机械下料车间MES管理中完成下料生产所需要的资源，包括物料资源、设备资源、人力资源、生产资源和系统支撑资源。按照这一分类情况，建立了下料车间MES系统的资源视图，如图4所示。

图4 MES系统的资源视图

其中，物料资源主要包括原材料供应与库存情况、半成品出入库记录;设备资源主要是与下料生产相关的加工设备以及辅助设备，包括下料机床(剪板机、数控火焰切割机、锯床等)、配套工具(焊条、工夹量具、标准件等)和输送设备;人力资源包括车间的管理人员(车间主任、工段长、统计员等)、技术人员(工艺员、调度员、质检员等)和下料生产人员(工人)的动静态信息;生产资源涉及到下料生产运行各环节中的信息，包括基本的工艺信息(图纸要求、工艺规程、NC加工程序等)、作业调度信息、下料过程信息及加工质量信息;支撑资源为下料车间MES系统的构建提供基础支持，主要包括计算机网络硬件设备、系统的软件环境、数据库工具(SQL等)和应用软件。

2.4 系统的物理视图

作为机械下料车间的管理系统。MES必须联系好企业的上层计划和底层生产，以保证下料作业的顺利进行。因此，在组建MES系统时必须注意其与企业计划层的数据交换和与生产底层的数据采集接口。为保证数据信息在交互过程中的准确、实时和有效，在不同系统之间的数据交换时采用中间转换文件的形式来解决异构系统间统一表达信息的问题。由于MES系统处理的数据量大且实时性要求高。因此本体系结构中采用B/S结构构建系统的物理视图，以描述系统中的模块配置以及它们之间的相互关系。如图5所示。

图5 MES系统的物理模型

在下料车间内部建立局域网。配置Web服务器、数据库服务器和MES服务器。在每个工作地配备微机终端，每个终端安装WEB浏览器。制造执行系统的大部分软件是基于WEB技术开发的。都安装在MES服务器上，工作地终端主要通过通用浏览器使用服务器上的这些软件完成需要的工作。并将产生的数据保存到专用的数据库服务器上。这样可以使工作地终端免于软件维护，且数据的安全性得到保障。个别终端需要安装实时性要求较强或有特殊要求的专用软件，如：与数控火焰切割机床通讯的数控程序传输软件、进行机床状态监控的数据实时采集与控制软件、用于在线检测的测量软件等。

3 结语

机械下料车间MES系统的开发与实施，是企业信息化管理迈向车间层信息管理的第一步。是实现企业生产数据共享、优化车间管理的关键一环，同时也为其他车间实施MES系统建立了一个有效的平台。文章在分析机械下料车间生产业务流程的基础上，建立了下料车间MES系统的总体模型，并从系统的功能视图、过程视图、资源视图和物理视图等不同角度对机械下料车间MES系统的体系结构进行了详细的描述。最后，利用上述系统模型开发了下料车间MES系统，并应用在某机械制造企业，取得了良好的效果。

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