机加工行业数字化(智能)车间的研究与设计

发布时间：2017-10-27 作者：李文成苗会贤

关键字：机加工行业智能车间

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研究与设计开发了机械加工车间的全数字化生产经营管理系统，实现数控化的生产设备的互联与集中监控、分散式加工任务集中批量处理，面向仃单的计划排产及车间生产资源管理，达到机械加工过程中的智能化、绿色化，全面提高设备作业率和生产效率，优化工序，降低材料消耗和生产成本，促进两化深度融合。

数字化车间从数字化产品订单、工艺设计、生产组织和管理等方面人手，将制造车间中的数字化设备与工艺设计及生产管理的信息进行集成，形成基于数控设备、生产自动化、管理信息流的数字化集成制造系统，从整体上改善生产的组织与管理，增强制造系统的柔性，提高数字化设备的效率。其核心是信息化技术和工业自动化技术的深度融合，再向上集成企业ER.P系统，从而实现基于互联网的集约化机加工集团企业数字化管理模式。

一、基于制造资源的数字化车间

数字化和信息化的实现是整个制造过程中的重中之重。走到今天，制造车间数字化已为制造企业所广泛认同，为应对更加激烈的竞争环境，市场法则迫使我们必须以高效的内部运作和敏捷的制造响应能力去应对变幻莫测的市场。在工厂的制造过程中，生产计划高效执行从某种意义上讲甚至比计划制订过程本身更加重要，而传统的MRP II /ERP系统的计划制订过程得不到有力支持(仅能依据市场需求及企业宏观资源、能力，而至关重要的车间执行层信息无法有效获取)，强计划、弱执行的问题日渐突出。

制造企业迫切需要提高制造车间的可视化水平，在优化资源配置、优化生产过程的同时，实现车间执行、控制过程的高效管理和控制，实现由上( MRP II /ERP)至下(设备控制层/SFC)的信息集成，提高快速制造响应能力：

(1)通过合理的计划排产，提高每台设备在相同加工时间内的加工批量，减少设备的安装准备时间。一方面提高设备的利用率，另一方面减少设备引起的产能瓶颈。

(2)通过及时收集现场作业数据，反馈生产进度，车间管理层可以实时监控车间现场的生产情况，针对异常情况及时采取相应措施。

(3)实时监控设备的运行状态，不断优化设备运行参数，保证设备安全稳定运转，提高产品的加工质量和合格率。

(4)在生产效率方面，由于统计零件生产所需资源的配套方面和生产进度统计反馈方面投人了大量的人力物力，如何通过信息化手段减少人力物力的投人，同时满足快速生产的需求。

(5)在质量管理方面，通过收集生产过程中产品的质量数据，以辅助进行质量分析。

(6)在信息共享方面，通过与分厂已有的ER.P系统、PDM系统、CAPP系统和其他系统进行无缝集成，以减少人工重复工作量，提高数据的准确性。

二、系统总体设计

(一)系统规划

本系统可实现从接受产品订单开始，经计划排产、对产品生产工序、所需物料、生产工时、加工设备、产品检验，到产品人库全过程进行实时跟踪及控制，以达到对制造车间生产过程相关信息的集成管理，改善生产效率，降低损耗与成本，提高产品质量与客户满意度，从而实现企业生产管理的信息化和规范化。

1.系统建设原则

标准化：符合相关国际、国家及行业标准规范，符合主流技术发展趋势。

扩展性：要求开放及灵活，能适应未来需求变化而进行必要的扩展。

高效性：提高企业管理效率及生产效率。

稳定性：系统应具有高可靠的稳定性，确保7*24运行。

安全性：确保网络、系统、数据、应用及管理的安全。

2.项目开发范围

根据原型企业业务流程，该项目主要功能包括系统管理模块(包括用户及权限设置、审批流设置等)、资源管理模块、订单/合同管理模块、计划排产模块，数据采集模块、现场接口模块(条码和数控车床)、库存管理模块(人库单、出库单、报废单)、质量管理模块(检验通知单、品质检验报告)以及统计分析模块等。

(二)系统设计

1.系统管理模块

主要包括以下几项内容：

①用户管理；②角色管理；③权限配置；④审批流设置；⑤日志管理；⑥公告管理；⑦数据维护等。

2.资源管理模块

实现了机构、人员、物料、刀具、车床、原材料等资源的信息化管理。对上述各类资源进行规范编码，并通过标准基础档案维护模块进行新增、修改、删除等操作。

3.订单管理模块

接到客户订单后，由工程师对订单进行分解，按工序填写调机时间和程序时间，生成价格核算单，经过确认审核后供客户查看。对需要打样的产品，需填写产品打样单，审核通过后可根据样品来料数量确认是否购料调机打样。

4.计划管理模块

在和客户签订完正式合同后，根据客户订单和生产工序编制生产计划单，并指定机台号和操作者。全面管理企业制造订单的整个生产流程，通过不同项目看板了解到每份订单、每个零件、每道工序、每组工位的任务状态、计划节点、实际完成节点、报废数量、试切数量、投人数量、产出数量等实时信息，通过直观的图形化表现，以及颜色提醒，使得企业各级领导、生产主管、调度等都能实时、便捷地掌握生产任务执行情况。

5.排产作业模块

根据生产计划单，自动生成任务派工单，并通过条码扫描向现场自动输送加工程序、零件图纸、工艺指导文档等，拥有强大的任务动态调度能力，响应生产现场各种变化。现场指定工位的操作者可使用任务派工单领用刀具、工装、材料，并进行加工、检验、人库等流程操作，可用于工时分配和结算管理。

6.数据采集模块

建立基于C/S方式的生产现场数据采集系统，实时了解机床工作情况。

7.条码管理模块

应用条码物流跟踪技术，实现机床零件加工过程的全面二维条码跟踪管理。

8.库存管理模块

支持成品库、周转库、工装/刀具库等分类库房管理；支持按照企业产品成套库房检查进行出库和缺件管理；拥有强大的库存检索能力，支持随时浏览当前库房情况及历史记录追溯；系统所有流程都可通过条码扫描操作，既准确又便捷。

车间各工作中心接到加工任务同时，工装/刀具库房可根据该制造订单所需的工装需求进行准备，对工装/刀具等工具的缺件及塌毁时借用进行预警。

9.质量跟踪模块

所有生产过程都可以通过在工位上对检验数据进行实时录人、反馈和跟踪管理，满足企业在实施其质量系统后，可同步得到完整可靠的生产现场的各环节产品质量检验数据，以供系统汇总、统计、分析和展示之用。

三、数字化车间集成方案关键技术

(一)机械加工车间的通信技术研究

无线网络具有非接触、扩容方便、组网能力强等特点，可实现更快的安装，无需重新配置即可进行物理移位，通过消除线缆及降低安装成本，大大节约资金，并避免了大多数工厂环境中天罗地网般连线的混乱局面。在一些特殊环境，如地下、水下，管道内流量测试、高速设备等设备信号控制与状态数据采集等方面具有其他通信方式无法比拟的优点。

本文就是寻求一种合理有效的无线通信技术手段，使之应用于车间环境下的工控设备和加工设备中，改善现有设备之间的通信状况，更加便捷的传递数据、获取设备状态信息，提高设备的自动控制能力。

(二)机械加工车间的高级排产算法规划与实现

为了很好地解决企业计划层和车间控制层之间的断层问题，采用了车间制造执行系统(Manufacturing Execution Systems ， MES )。MES的研究核心之一就是车间生产调度问题，生产调度主要负责对生产管理部门下发的任务进行详细计划排产，通过分配可用的制造资源、确定加工顺序和加工时间来对生产任务进行调度，以保证生产任务执行时间或成本的最优化，从而很好地控制车间底层的生产节奏。

本课题结合数字化生产车间实际需要，按照车间现用的生产模式，研究和实现了面向实时排程( Realtime Schedule)的车间生产调度系统，将基于算法的自动排程和基于手动实时修改的手动排程结合起来，用修改后的排程结果来实时指导车间生产，实现了车间底层操作的业务流程，并为部分异常事件提供了响应处理机制，很大程度上提高了车间的生产效率，具有很高的实用价值。

1.车间生产调度流程

本系统中的调度流程是先安排已制定好详细作业计划任务的首道工序加工，当首道工序加工完成乃至检验完毕后才能安排该批次第二道工序的加工，以此类推，即每道工序只有在上道工序完成之后才能开始安排加工。

在实时排程模式下，车间生产调度流程如下：生产处将生产大纲下发到车间，由车间计划员将生产大纲分解，制定出作业批次计划，并将批次计划下发到各加工工段，再由各工段长根据各自工段内的生产状态制定出详细作业计划，并将批次计划的首道工序在某时间段内下发给加工设备，工人接受到任务后，按任务列表顺序依次加工。当加工完成后，由检验部门检验，检验完成后检验员将结果反馈给工段长，由工段长决定是否派发下道工序，详细流程及工序状态变化如图1所示。

图1 车间作业与工序流程

此外，由于在生产过程中会出现一些意外事件，工序还存在终止和挂起两种状态：终止是由于某些特殊原因，如订单取消、工艺路线变动等，表明该批次该道工序以后不再操作；挂起是由于一些异常事件，如设备故障、质量超差、紧急任务插人等原因，表明所在批次加工到该工序时要暂停一段时间后才能继续加工。

2.车间生产调度系统模块组成及主要功能

结合现有车间组织管理结构，本系统主要提出了以下三个功能模块：生产排产、过程执行和系统管理。各模块之间的关系及详细功能划分如图2所示。

图2 系统功能模块结构

3.生产调度系统的关键技术及其实现

(1)自动排程的实现。系统采用遗传算法来实现自动排程，详细流程如图3所示。

图3 遗传算法流程

(2)自动导航与派工的实现。为了更好地实现导航与派工的实时性，系统定义了工人、工段、检验等几个重要岗位，各岗位之间可以自由通讯和协作。通过发送消息启动不同方式来自动刷新界面完成规定的操作。

(3)异常事件处理。在实际生产中，车间生产现场会出现一些异常扰动事件，如设备故障、紧急任务加人、质量超差等等，而这些异常均会导致部分任务无法继续运行，严重影响了任务的进度和车间的执行效率。

(三)数字化车间条码跟踪技术实现普通的数字化车间普遍存在以下问题：

(1)工作效率低下，数据无法及时反映到ERP。

(2)原材料投料出错(领错料)，导致产生不合格品或材料浪费。

(3)领料如何控制先进先出。

(4)仓库盘点效率低，数据不精确。

(5)无法追溯产品的配料批号、生产信息、在制品的流转信息等。

(6)生产进度、物料转移、人库时间及准确性很难体现。

(7)无法防止串货。

借助条码系统，能够有效的管理人员、工单、部件、半成品、产品、工序及生产过程等信息。通过条码扫描，对产品的生产过程进行跟踪记录，减少人为输人造成的错误，提高生产信息的完整性与安全性。从而实现生产的有效控制，加快生产周转；实现生产操作的可追溯性和批次管理；规范业务操作流程，强化生产操作执行力。系统实施后具体的效果如下：

1.建立现场指导、现场操作的管理方式

生产管理操作都在生产车间现场完成，PDA现场采集物料信息、操作流程，PDA现场操作数据并且实时与管理系统交互，减少纸质指导单据。

2.实现了物品相关信息快速获取

通过PDA扫描条码获取信息快速准备，PDA可以随时随地查询物品、数量、流程等信息，降低生产员对物品识别的难度，提高物品识别的准确性。

3.优化了业务过程

避免了信息流与实物流不一致的问题。

4.提高了物料管理能力

可以根据管理要求自定义物料管理类型，提供生产流程检索功能，同时能够对原料和产品进行全程质量跟踪管理。

五、结语

通过数字化工厂建设，将打造一个高效的、实用的、整合的数字化车间制造执行系统，从而消除生产制造执行过程中的信息壁垒，使企业在用MES系统与ERP系统时进行无缝集成，第一时间反映计划排产的情况和实时反映现场执行进度；利用高级图形化自动排产系统，实现计划的快速排产，通过可视化、透明化、图形化的技术手段，为车间生产提供科学、可靠的生产计划；通过系统的能力平衡，完成对设备资源合理、均衡的调配，提高生产计划的准确性和可执行性；在数字化车间总体业务流程指导下，通过MES， ERP等系统的无缝集成，完成对车间制造的全闭环协同。