智能化接箍加工车间MES 系统的设计与构建

张 歌，刘 伟，赵 云

（科大智能物联技术股份有限公司，上海 201601）

现如今智能制造、大数据处理等前沿技术在传统制造行业中的影响与应用逐渐增多，并且在相关的行业内已经得到成熟运用；但伴随着在庞大复杂的系统与平台实际落地困难，投入成本巨大的情况下，传统制造业生产数据积累较慢、生产投入周期长、生产场景特殊、回报不理想等，传统制造业升级革新的脚步变得缓慢。通过使用工业互联网的运行模式结合实际制造场景，根据具体生产当中的实际需求与制造特点，采用灵活多变的局部改革带动整体发展，推进智能制造局部至全局的改革，是符合企业利益的最佳路径［1-4］。

建立开发和集成动态生产管理系统是建立敏捷车间系统的核心，制造执行系统（MES）则是企业实施敏捷制造战略以及实现车间生产敏捷化的基本技术手段［5］。MES 系统即制造企业生产过程执行管理系统，是应用于制造公司内部的生产信息化管理系统，该系统涉及到制造数据分析、计划安排、生产调度、库存数据、质量监控、人力资源管理、设备管理、采购等管理模块［6］。

这里结合达力普石油专用管有限公司（简称达力普）接箍生产车间实际，设计了一整套智能化车间制造执行系统［7］。智能化车间制造执行系统具备以下四大特点［8］。

（1）智能化：对接部分设备，实现数据录入自动化，减少人工操作；

（2）计划性：通过对车间计划数据的读取，支持手工对设备单元进行计划排产；

（3）可追溯性：可以对每一批次物料的原料批次、经过的机台、操作的工人进行详细追溯查询；

（4）效能分析：对生产过程数据进行分析，计算OEE（Overall Equipment Effectiveness，设备综合效率）。通过系统对车间能耗进行监控和分析［9］。

1 系统架构方案

1.1 项目需求

接箍智能加工车间位于原机加工车间内，引进先进的自动化螺纹加工机床、智能磁粉探伤装置、螺纹数字化检测仪、机械手及其他配套设备，打造接箍智能化生产车间。车间按功能区分为4 个部分：原材料锯切下料及粗加工区、螺纹加工检验区及探伤打码区、螺纹处理区、成品接箍仓储区。

接箍车间是接收不同规格的接箍料，将接箍料切成一节一节再进行外圆加工、螺纹车丝加工、打码、质检探伤、磷化等工序最终形成接箍成品发出。制造执行系统记录管道入车间、各工序加工（如操作时间、数量、异常原因、物料批次等）、质检过程、成品入库等数据信息，旨在为生产过程追溯提供关键信息。

1.2 系统架构体系

1.2.1 制造执行功能架构

搭建制造执行系统总体采用灵活的模块部署方式，可根据各工序情况灵活选择加载相应模块。

（1）车间工单计划模块基于企业资源计划系统（ERP）只提供整个生产任务的期限，通过系统计算得出每道工序的计划期限，再根据加权指标的优化算法制定车间排程计划。

（2）车间联网数据监控提供机器人取料数量、机台产量取数模块、上料口缓存位状态采集模块、机台工况数据采集模块等。

（3）车间生产管理按照加工运作流程进行定制化设计开发，主要包含计划管理、工单管理、生产执行、工艺展示和手持终端等模块。

（4）车间线边库管理可针对车间内灵活划分的缓存区进行动态管理，支持不同缓存区的模块划分，实现分区域模块化管理。

（5）车间物料配送确保任何情况下货物的移动都是受控的，移动完成的时间可根据移动路径及移动方式进行预测。包含人工配送模块和手持安卓（Android）终端模块等。

（6）刀具及资源管理能为工装及其他生产资源的高效管理和组织提供全面的支持，并能提供这些资源当前的状态及其可用性等信息。

（7）质量控制管理采集和评估从进料到整个价值链的产品和生产过程数据，包括对废品率、原因、种类等进行统计，按照机床、操作工、批次等进行综合统计。通过采集和评估数据可以辨认生产过程中存在的故障，确定排除故障需要采取的措施，以及控制采取措施后的产品和生产过程质量。系统提供一个控制回路，能持续不断地改善生产过程。

（8）分析报表功能是通过生产过程检测对接箍加工成本、质量、设备运行、能耗等数据进行统计。

1.2.2 制造执行系统车间业务架构

接箍车间制造执行系统车间操作功能主要围绕：接箍切断、抽检、外圆加工、抽检、螺纹加工、检验、磷化、成品入库等工序并结合线边库暂存区及人工送料进行功能架构设计，如图1 所示。

图1 车间操作架构

1.2.3 制造执行系统软件架构

（1）数据库层。

数据采集层利用物联网技术（条码、RFID 射频识别读写器、RFID 标签、视频监控等），将“感知”扩展到设备、线边库、人，实现对车间执行系统需要的实时数据的监控与管理；利用车间自动化设备，如可编程逻辑控制器（PLC）、分布式数控（DNC）以及传感器自动获取速度、产量等生产数据；分布式数控（通过人工参与手段，采用掌上电脑）、条码、触摸屏看板等人机交互设施，将现场反馈数据录入系统，借助网络，将数据传递到数据层，实现数据保存、筛选，满足生产过程跟踪和管理需要。

数据层为制造执行系统平台提供可供访问的有用数据，数据可来自于数据库，也可来自于可扩展标记语言（XML）等数据文件，可通过第三方系统提供的数据接口、物联网中间件、数据采集与监控系统获取，也可直接来自于采集设备、传感器等。数据层有效管理着系统涉及到的所有数据，数据层是系统平台的重要基础。

数据访问层为制造执行系统平台提供数据访问接口，向上屏蔽数据来源，向下实现对多类型设备及第三方数据等资源的有效访问。数据访问层应提供两种类型接口，即数据访问接口和第三方集成输入数据访问接口。

数据库访问接口主要用于访问数据库或文件（比如ORACLE、SQL Server、OSCAR、OpenBASE、DB2 等数据库以及XML 文件）中的数据，根据不同的数据库或文件采用不同数据访问配置，通过数据访问映射，满足多类型数据源访问要求。

第三方集成输入数据访问接口用来满足外部数据有效获取，平台除了提供第三方系统数据输入集成接口，还提供从采集终端获取数据的采集接口，比如PLC、DNC 等数据接口服务等。

（2）基础组件层。

基础组件可以用来修改组件的外观和行为。每个组件都有预定义的参数，并且它们可以被设置。每个组件还有一组属于自己的方法、属性和事件。使用组件，可以使程序设计与软件界面设计分离，提高代码的可复用性。基础组件层包括通用组件、业务组件和组件配置器。

（3）业务层。

实现制造执行系统平台的所有业务逻辑功能，将访问数据的需求下发给数据访问层，将业务要展示内容提供给应用层显示。业务层是系统平台的重要部分。

制造执行系统平台通过系统平台及组件库组合，能快速搭建出满足应用单位需要的工业车间执行系统功能模块，功能模块可由车间工单计划、车间联网数据监控、车间生产管理、车间线边库管理、车间物料配送管理、工装及资源管理和质量控制管理模块等组成，满足实际生产管理要求。

制造执行系统集成输出数据接口主要涉及向第三方系统提供所需要的制造执行数据，将制造执行数据采用统一的接口形式提供给第三方软件（ERP），方便第三方系统获取。

（4）外部访问服务层。

将应用程序的不同功能单元通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口采用中立的方式进行定义，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种各样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。

（5）用户展现层。

应用层应由两部分组成，包括制造执行系统展示界面及第三方系统展示界面。

制造执行系统展示界面作为制造执行系统平台用户界面是用户与系统友好交互的窗口。业务层通过应用层向用户展示其所提供的功能，系统及时响应用户操作，返回业务操作的结果。应用层能支持多种展示方式，支持浏览器方式、Windows 客户端方式，支持数据采集移动终端以及其他显示终端的展示方式。

第三方系统（ERP）可通过系统集成获取制造执行系统数据快捷的应用和展示系统所需的制造执行系统数据信息，提升第三方系统的功能及易用性。

1.3 制造执行系统流程设计

制造执行系统流程设计主要围绕达力普接箍智能加工车间工单计划、接箍切断、抽检、外圆加工、抽检、螺纹加工、检验、磷化处理和成品入库等工序进行制造执行系统执行流程设计。

1.3.1 车间工单计划

从达力普企业资源计划系统接收订单，形成车间排产计划、单元作业计划，为每台设备分配加工产品。车间工单计划是通过拖放的方式编排或更改任务作业计划。通过甘特图的图形化显示，用户能够快速发现设备的空余时段还可容纳任务的排入。当手动作业分配出现计划冲突，用户会即刻得到提示。

生产中经常会出现一些不可预见的情况，例如，由于任务的取消或延迟产生设备空闲、设备出现故障或加工时间延长而产生工序重叠等。面对这类情况，制造执行系统车间工单计划提供了预警功能。在插入所谓的优先生产任务时，制造执行系统将检验现有的分配情况并给出提示，是否存在空隙以容纳新任务的插入，或插入新任务后会引发已有任务的延期及延迟导致的预计后果。

在生产中会出现由于缺少刀具而导致生产延误的情况。当开始加载任务出现了类似问题，制造执行系统不仅能考虑优先生产方案，还能考虑备选方案，并为计划员提供建议，例如，使用备选设备或者替代刀具。

车间工单计划流程如图2 所示。

图2 车间工单计划流程

（1）制造执行系统车间工单计划同步企业资源计划系统车间工单计划、物料清单（BOM）、车间设备信息、班组信息、人员信息以及标准作业程序（SOP）工艺（PDF 格式）等信息。便于计划员手动对工单进行设备、班组、人员、物料清单、刀具、工装、量辅具和标准作业程序工艺关联进行排产；

（2）制造执行系统实时记录线边库存信息，为计划员提供最新的车间线边库存信息，便于计划员更加准确并充分利用线边库存进行优化排产。

（3）标准工时会受车间员工加工熟练程度、刀具、工装状态及设备状态等因素影响。制造执行系统通过各工序手动报工和自动螺纹加工的智能报工对各工序加工标准工时进行优化和标定，为计划员提供实际的计划标准工时。

（4）系统根据企业资源计划系统提供的车间工单信息、班组信息、人员信息、物料清单、标准作业程序、工艺指导及制造执行系统提供的线边库库存、标准工时、刀具、工装和量辅具最新信息操作车间工单计划。形成车间排产计划、单元作业计划，为每台设备分配加工产品。对每个工单设备、班组、人员、物料清单、毛坯料、刀具、工装、量辅具、标准作业程序工艺进行生产执行排产。

（5）系统自动对排产不合理（如交付时间超出，影响其他工单进度），毛坯料不足，刀具、工装及量辅具不满足工单加工情况等因素进行预警。

1.3.2 接箍切断

接箍切断流程如图3 所示。

图3 接箍切断流程

（1）班组根据班组排产工单进行工单执行。

（2）通过移动终端手动将企业资源计划系统同步的管子毛坯件信息与接箍切断下料口料筐射频识别信息进行绑定。系统要求同一炉批号的管子必须放入接箍切断下料口同一料筐中，不同炉批号的管子一旦混合入筐，系统自动预警提示。

（3）订单执行时手动将刀具、工装、量辅具信息与工单加工进行绑定。

（4）系统根据“手工排产”标准作业程序工艺指导书（PDF）进行关联，在工单执行中为操作人员展示该工单标准作业程序工艺指导书（PDF 格式）。

（5）操作人员可暂停订单执行，选择暂停原因，系统自动记录暂停时间。

（6）手动报工：操作人员通过系统对每筐加工数量进行手动报工。

（7）人工配送：人工发起送料指令，系统自动根据线边库管理规则及按炉批号管理规则，自动分配线边库区域。人工叉车手持移动终端根据系统分配的线边库区进行毛坯料运送。

（8）抽检：抽检人员通过手持终端对接箍切断毛坯件进行抽检，对于批量不合格品，系统提供“修改标准”申请功能，并记录抽检结果。对于少量不合格品，系统支持抽检结果记录。

1.3.3 外圆加工

外圆加工流程如图4 所示。

图4 外圆加工流程

（1）班组根据排产工单进行工单执行。

（2）班组通过系统手动叫料，送料员通过移动终端接收送料指令，并在线边库进行送料执行。送料员通过移动终端扫码料筐射频识别对送料信息进行防错验证（物料根据炉批号进行验证）。

（3）操作人员通过移动终端对上料口物料筐射频识别信息与下料口料筐射频识别信息进行绑定，系统要求同一炉批号的必须放在同一料筐中，不同炉批号物料一旦混合入筐，系统自动预警提示。

（4）订单执行时手动将刀具、工装、量辅具信息与工单加工进行绑定。

（5）系统根据“手工排产”标准作业程序工艺指导书关联，在工单执行中为操作人员展示该工单标准作业程序工艺指导书（PDF 格式）。

（6）操作人员可暂停订单执行，选择暂停原因，系统自动记录暂停时间。

（7）系统支持临时插单转线，重新进行插单执行，对执行中的工单进行挂起或者暂停加工操作。

（8）对于完工、转线、暂停等工单物料，操作人员通过手持终端进行退料操作，通过移动终端扫料筐射频识别当前物料信息，记录退料原因、数量，并呼叫人工将其送至暂存库。

（9）手动报工：操作人员通过系统对每筐加工数量进行手动报工。

（10）人工配送：人工发起送料指令，系统自动根据线边库管理规则及按炉批号管理规则，自动分配线边库区域。人工叉车手持移动终端根据系统分配的线边库区进行毛坯料运送。

（11）抽检：抽检人员通过手持终端对毛坯件进行抽检，对于批量不合格品，系统提供“修改标准”申请功能，并记录抽检结果。对于少量不合格品，系统支持抽检结果记录。

1.3.4 自动螺纹加工

自动螺纹加工流程如图5 所示。

图5 自动螺纹加工流程

（1）班组根据排产工单进行工单执行。

（2）制造执行系统对接机械手软件，获取机械手上、下料数量信息，根据产品螺纹加工标准工时及物料消耗情况进行智能叫料。送料员通过移动终端接收送料指令，并在线边库进行送料执行。送料员通过移动终端扫码料筐射频识别对送料信息进行防错验证（物料根据炉批号进行验证）。

（3）自动螺纹加工上、下料口安装射频识别读写器，自动读取上、下料筐信息。操作人员通过移动终端对上料口物料料筐射频识别信息与下料口料筐射频识别信息进行绑定确定。系统要求同一炉批号的必须放在同一料筐中，不同炉批号物料一旦混合入筐，系统自动预警提示。

（4）订单执行时手动将刀具、工装、量辅具信息与工单加工进行绑定。

（5）系统根据“手工排产”标准作业程序工艺指导书（PDF）关联，在工单执行中为操作人员展示该工单标准作业程序工艺指导书（PDF 格式）。

（6）操作人员可暂停订单执行，选择暂停原因，系统自动记录暂停时间。

（7）系统支持临时插单转线，重新执行插单，对执行中的工单进行挂起或者暂停加工操作。

（8）对于完工、转线、暂停等工单物料，操作人员通过手持终端进行退料操作，通过移动终端扫料筐射频识别当前物料信息，记录退料原因、数量，并呼叫人工将其送至暂存库。

（9）手动报工：操作人员通过系统对每筐加工数量进行手动报工。

（10）人工配送：人工发起送料指令，系统自动根据线边库管理规则及按炉批号管理规则，自动分配线边库区域。人工叉车手持移动终端根据系统分配的线边库区进行物料运送。

（11）检验：检验人员通过系统记录成品检验结果，对于批量不合格品，系统提供“修改标准”申请功能，并记录检验结果。对于少量不合格品，系统支持检验结果记录。

1.3.5 手动螺纹加工

手动螺纹加工流程如图6 所示。

图6 手动螺纹加工流程

（1）班组根据排产工单进行工单执行。

（2）班组通过系统手动叫料，送料员通过移动终端接收送料指令，并在线边库进行送料执行。送料员通过移动终端扫码料筐射频识别对送料信息进行防错验证（物料根据炉批号进行验证）。

（3）操作人员通过移动终端对上料口物料筐射频识别信息与下料口料筐射频识别信息进行绑定。系统要求同一炉批号的必须放在同一料筐中，不同炉批号物料一旦混合入筐，系统自动预警提示。

（4）订单执行时手动将刀具、工装、量辅具信息与工单加工进行绑定。

（5）系统根据“手工排产”标准作业程序工艺指导书进行关联，在工单执行中为操作人员展示该工单标准作业程序工艺指导书（PDF 格式）。

（6）操作人员可暂停订单执行，选择暂停原因，系统自动记录暂停时间。

（7）系统支持临时插单转线，重新执行插单，对执行中的工单进行挂起或者暂停加工操作。

（8）对于完工、转线、暂停等工单物料，操作人员通过手持终端进行退料操作，通过移动终端扫料筐射频识别当前物料信息，记录退料原因、数量，并呼叫人工将其送至暂存库。

（9）手动报工：操作人员通过系统对每筐加工数量进行手动报工。

（10）人工配送：人工发起送料指令，系统自动根据线边库管理规则及按炉批号管理规则，自动分配线边库区域。人工叉车手持移动终端根据系统分配的线边库区进行毛坯料运送。

（11）检验：检验人员通过检验功能执行螺纹加工检验操作，包含检验叫料、检验结果记录、不合格品处理。对于批量不合格品，系统提供“修改标准”申请功能，并记录抽检结果。对于少量不合格品，系统支持抽检结果记录。

1.3.6 磷化处理

磷化处理流程如图7 所示。

图7 磷化处理流程

（1）班组根据排产工单进行磷化处理。

（2）操作人员通过系统手动叫料，送料员通过移动终端接收送料指令，并在线边库进行送料执行。送料员通过移动终端扫码料筐射频识别对送料信息进行防错验证（物料根据炉批号进行验证）。

（3）磷化处理设备上、下料口安装射频识别读写器，对于磷化处理的成品料筐射频识别自动读取磷化过程信息。

（4）系统根据“手工排产”标准作业程序工艺指导书进行关联，在磷化处理中为操作人员展示该产品磷化标准作业程序工艺指导书（PDF 格式）。

（5）磷化处理射频识别选型：抗金属耐腐蚀标签定制标签。

1.3.7 过程追溯

生产过程追溯流程如图8 所示。通过制造执行系统对接箍加工各工序信息进行记录。追溯人员通过系统或移动终端在任意工序（接箍毛坯上料→切断机下料→外形尺寸抽检→粗车外圆加工→外形尺寸抽检→螺纹加工→检验→磁粉探伤→打码→装筐→磷化处理→成品入库等过程追溯）扫料筐射频识别系统，可正向、反向追溯成品或毛坯件炉批号，各工序加工设备、时间，料筐信息，刀具、工装、量辅具，班组、暂存及检验信息。

图8 生产过程追溯流程

1.3.8 应用场景

智能接箍加工单元生产模块在制造执行系统智能自动化生产中尤为重要，经过分析设计，将原车间接箍生产的车丝工序、打码工序、检测工序、磁粉探伤工序进行设备改造，通过制造执行系统+仓储控制系统的软硬件控制实现了一条生产线一人检测的自动化流水线式生产方式，极大程度地提高了生产效率，同时降低了生产制造人工成本。

数字化螺纹检测系统对产品的质量检验起到至关重要的作用，数字化螺纹检测系统实现了接箍螺纹质量检测数据的自动录入，统计分析和加工质量预警。客户之前一直采用机械表进行质量检测，但机械表测量操作复杂，不易上手，工人需要手写繁杂的报表和手工统计分析；数字化螺纹检测系统采用通过数字化量具采集到数据，通过无线传输方式，发送到接受端，在接收端对接收到的数据进行处理，解析成规定的格式，再通过数字化量具协议栈推送到RabbitMQ 中，以及数据的统计分析和质量超差预警等，完美地解决了客户之前遇到的难题。

2 结语

着重介绍了智能制造系统中智能化接箍加工车间的构造与设计应用场景，通过运用人工智能与大数据处理技术，对接箍的智能处理、加工、排产等操作起到了关键作用，实现了传统金属制造业的降本增效，大大提高了企业的生产效率与经济利润。