面向CPS的制造执行系统(MES)实验平台验证
2023-07-20 来源：制造业自动化
面向CPS的制造执行系统进行了研究，打造出了虚实融合、具有CPS 特色的智能化 MES， 从生产调度、物流、工艺、质量、设备、制造协同等维度，对制造系统运行状态信息进行实时地采集并进行快速、准确地提炼、挖掘及分析，从而抽取出可供企业自主决策所需的信息。实现物理世界与信息世界之间的业务闭环管理。本文旨在搭建一个实验验证平台，对该系统进行可行性、合理性、完整性、正确性及可操作性应用验证。
面向CPS的MES系统针对制造过程中需求变更频繁、质量追溯难、设备利用率低等难题，围绕生产调度、物流、工艺、质量、设备、制造协同等维度，实现物理世界与信息世界之间的感知-分析-决策-执行的闭环管理，优化车间计划的排程方式，提升过程控制能力，实现产品质量可追溯，切实地解决企业生产管理问题其技术方案主要由云平台、智能感知与互联平台、业务平台、大数据分析与决策平台、生产指挥平台、系统集成平台六大平台构成，如图1所示。
图1 技术方案
云平台提供计算资源、存储资源、网络环境等，对MES以及其他业务系统服务进行云服务管理，支持订阅部署、多租户管理、应用托管及二次开发等功能。智能感知与互联平台可与生产线各工序的生产、检测、物流设备的PLC、触屏HMI、I/O模块等智能终端进行智能互联集成，对制造底层多源异构数据的并行采集、协议转换、统一封装、存储与按需上传。
业务平台包含生产建模、生产排程与调度、物料管理、操作管理、质量管理、设备管理、看板管理、预警报警管理、工具工装管理、能源管理、安全管理、环保管理、资产管理、报表管理、数据采集、移动端应用和系统集成等企业生产管理业务。
大数据分析与决策平台充分整合生产过程中产生的各种数据，并利用先进的大数据、数据仓库以及数据挖掘等IT技术，对其进行深层次的发掘、分析，从不同角度分析企业的各种生产业务指标并构建业务知识模型，从中发现规律、预警异常、提高应急能力，最终达到监控生产活动、提供决策分析支持的目的。
生产指挥平台通过生产指挥系统和看板系统实时呈现现场质量检测数据、订单生产状态信息、设备状态及故障信息，集成PLC控制系统信息、生产线上的各种数据，实时显示生产线的工作状态、生产计划及其完成情况、设备状态、零部件所在位置、视频监控信号等现场信息。
系统集成平台实现需实现面向信息物理系统（CPS）的制造执行系统（MES）内部智能感知与互联平台、业务平台、大数据分析与决策平台、生产指挥平台等平台间的数据集成以及与PLM、ERP、QMS等其他系统间的集成，保证数据的及时性、准确性、一致性，为制造业生产管理的智能化和持续优化提升提供支撑。
2.1 实验验证平台
实验验证平台由物理设备以及信息系统两部分组成。物理设备主要为装配线体，如图2所示。装配线体主要包括智能加工中心、上下料的机械手、小型的立体仓库、AGV等。总控系统对加工过程进行控制，可实现从采购原材料入库，定制产品的销售订单录入，生产任务、工序作业计划、生产领料单、物料配送单下发，生产领料出库、物料配送、现场完工报工到生产完工入库的全生产业务流程。LED显示屏对装配过程中的任务执行情况、物料尺寸信息、物流配送信息、质量检测信息、设备状态等信息进行展示。
图2 实验平台物理设备
图3 实验平台信息系统
2.2 验证内容
实验平台验证内容包括实体线验证与逻辑线验证两部分，通过两条线相互补充与结合验证系统的业务功能和业务逻辑关系。
2.2.1 实体线验证
1）云平台
对云平台的订阅部署、多租户管理、应用托管及二次开发等功能模块进行验证，云平台可支持用户能够根据自身的需求来订阅所需的功能模块进行部署，支持多租户公司之间可以共用一个实例库，而不同租户之间的数据既有隔离又有共享，提供端到端的托管，使用户可以不用专门为MES设立IT人员，支持用户根据使用需求进行二次开发。
2）智能感知与互联平台
不同的数控系统、不同采集卡具备不同的协议、接口，机器人、立体仓库、仪器仪表等各类数字化设备不同厂家的PLC和传感器具备不同的协议、接口，实体线验证了7套数控系统，4种网卡和6套主要设备，智能感知与互联平台可支持对多源异构数据的采集、处理分析并将数据处理结果上传至MES系统。
3）业务平台
验证了业务平台生产建模、计划排产、生产协同、生产物流、工艺执行、质量过程、设备管理、物料管理、操作管理、能源管理、统计分析和资产管理模块的功能。业务平台可实现物料建模、生产资源管理建模、工艺管理建模，能够针对多客户、多产品、多订单的情况进行订单优化投产，考虑生产均衡化，并设法减少供应零部件的各工序产量以及运送量的变化，减少在制品的储存量。支持生产过程信息采集、模型建立及分析、业务优化决策和业务执行四个循环过程形成管理闭环，实现生产协同、生产物流、工艺执行、过程质量、设备管理的不断迭代优化。
4）数据分析与决策平台
以压力加工工序为例，通过对压力加工工序的生产数据进行采集，建立加工压装电缸输出电力、行程、压力值与压装质量的大数据分析模型，并利用数学模型与标准参数进行分析与对比，最终的分析结果可指导PLC压装输出电流和行程控制，对工艺参数进行优化调整，不断迭代提升产品质量，验证了数据分析与决策算法的高效性，提高了生产效率和控制精度，节约了能耗成本。
5）生产指挥平台
生产指挥平台支持生产过程的进度信息、物料配送情况、在制品数量及设备运行状态等关键的生产信息展示，通过可视化界面向广播、电子看板、手持终端和车间服务器等设备发送控制指令，实现对人员、设备和物料等制造资源的监控与调度，形成基于车间现场实时状态信息、可视化监控和智能化协同交互决策的新型业务管理模式，提高车间内部各岗位信息的共享和互相工作督促，提高车间生产过程监视与控制能力。
6）系统集成平台
系统集成平台支持MES、ERP、WMS、SCADA、WCS、AGV调度系统等通过Web Service技术进行系统间的集成，两系统间各自向对方提供一个接口，用于存放对方向自己提供的XML(JSON)格式数据，各系统再对接收到的XML格式数据进行解析、处理并备份。同时，可以接收来自Internet上的其它系统中传递过来的请求并给与响应，可以向Internet上的其它系统传递请求并接收响应。
2.2.2 逻辑线验证
除了实体线进行验证外，对基于大批量批次的计划排产、基于大批量单件的计划排产、基于准时化生产JIT（Just In Time）的计划排产、异常处理、人员管理、工具工装管理、绩效管理、安全管理进行了业务逻辑验证，验证了各模块之间的关联关系的正确性。
1）计划排产
面向CPS的MES系统改变传统单一面向库存的计划排产模式，具有能够适应多品种小批量按单生产、大规模定制等多种不同生产组织方式的计划排产体系，可以应对订单需求个性化、产品种类多样化、产品批量灵活化的复杂多变的市场需求。
2）异常处理
3）人员管理
MES系统为人员分配多个或单个角色，分配了角色的人员具备本角色的操作权限，同时可以记录统计工位员工的出勤信息、工时信息并与其他相关系统同步数据。
4）工具工装管理
MES系统可以自定义工具工装更换规则，对工具工装按套进行管理，记录工具工装编号、名称、规格、型号、默认仓库等信息，记录工具工装的在库数量，给每套工装编制唯一标识，上下线时采用扫描方式进行记录。
5）绩效管理
MES系统可实现对人员绩效、设备绩效、质量绩效以及进度绩效的管理，并且可以将获取的质检数据、设备效率数据、进度数据与相应的工位和对应的人员关联起来，作为员工绩效考核。
6）安全管理
MES系统采集的设备数据可与安全管理模块进行关联，可用于隐患排查治理统计、事故事件的处理和统计。
3 结语
本文搭建了面向CPS的智能制造系统实验验证平台，对实际应用过程和实际应用效果进行了验证，验证了面向CPS的智能制造系统的科学合理性、完整性、正确性及可操作性。面向CPS的制造执行系统，通过对人、机、料、法环、测等生产要素进行感知互联、大数据采集、工业机理模型分析、决策反馈生产要素执行，形成了智能感知、实时分析、科学决策、精准执行的SoS级（系统之系统）CPS，实现生产调度、物流、工艺、质量、设备、制造协同六个维度的业务闭环管理，有利于制造业提升生产管控能力，提高产品质量，降低生产浪费，提高生产效率，降低生产成本，实现绿色制造、智能制造。同时，基于CPS的MES系统是具有自主知识产权的产品，可以改善国内制造业依赖国外工业软件的现状，提高工业软件的自主创新能力度，提高企业生产的安全可控程度，降低企业运行风险。
原文刊载于《制造业自动化》2023年第6期 作者：孙嘉玉 李奇颖 王颖 张娜
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