装配线MES计划排程及系统设计探究

赵昊东

（黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150028）

0 引言

MES本身就是一个直接针对制造企业车间执行层和生产信息化管理的重要系统，能从订单下达到最终成品入库都实施全面监控，实现对订单的有效调度，并根据整个过程中的各项情况及时做出反应，以保证产品品质，因此为使其作用得到最大程度发挥，有必要对其计划排程以及具体的系统设计展开分析。

1 装配线生产任务简述

在智能化工业的逐步发展下，市场上对于生产配件的需求渐渐增大，传统人工分配订单和加工的模式已经难以满足需求。而MES将工业自动化作为核心，能同时实现多项订单的计划排程，并在专项操控系统的作用下，促使设备和工件之间实现有效交流。

1.1 装配线生产任务

在某一生产任务当中，要对一款末端组件实施装配，其组件包含了螺母、吸盘与弹簧。将MES应用进去，则主要进行计划排程、生产监督与信息分析，机器人负责搬运工件，钻铣平台主要用于加工落幕，组装平台则对相关组件进行装配，视觉检测系统主要对落幕直径与最终成品的高度实施检测[1]。实际的落实流程（图1）：（1）MES先掌握所有制造数据，再基于订单需求，利用内部计划排程算法对实际生产过程进行综合权衡，编制生产方案；（2）MES依照具体排程结果发布生产任务；（3）MES向仓储系统发出发料请求，在收到请求之后，由专门的机器人进行物料搬运；（4）当待加工的工件进入自动加工程序后，专属机器人会将其搬送到钻铣平台准备加工，之后再利用视觉系统检测直径，一切无误之后则进行组装，倘若检测不过关，则由机器人将其归置在废品处；（5）组装工作结束之后，继续通过视觉系统实施成品检测，一旦情况达到要求，机器人就将其归入成品类；否则，需要进行废品处理。

图1 装配线生产任务图

1.2 装配线工位工艺流程

（1）立体仓库工位：主要存储物料，物料不同存放的位置也会有所差异，以确保在生产过程中能进行迅速夹取。智能化的立体仓库包含了立体货架和堆垛机。其中前者每层都会有专门的光电传感器，以使物料位置能迅速反映到上位机当中；后者则是把物料从货架转运到承座之上。

（2）自动上下料工位：在人工成本逐渐增长之下，企业必须应用智能设备代替人工重复作业，而上下料机械手正好可以实现这一点。它主要是在上下料环节取代人工的自动装卸装置，比较适合应用在重复性强、批量大的情况中。

（3）工件加工和尺寸检测工位：其中主要包含了机架、PLC、RFID、钻铣平台、机器人、相机、气动元件等。钻铣平台主要是对工件进行加工，而相机则被安排在该平台右方，以对加工之后的直径参数进行测量；RFID主要是对具体编号进行读取，并把测量出的直径计入电子芯片当中。在检测过程中，相机的镜头焦距与分辨率十分关键，必须把工件完全包含其中，一般镜头视野必须超过60mm×60mm，检测精度需达到0.1mm[2]。

（4）工件组装和缺陷检测工位：其中主要包含了机架、PLC、RFID、机器人、相机、气动元件以及高度检测平台等。其中RFID也是重点对工件编号进行读取，并把测量出的高度写入芯片。同时相机的焦距与分辨率也需要和工位本身所需的具体配置一致。

2 MES计划排程

2.1 基本流程

一般情况下，要实际制作出一个具有可执行性的排程计划还要从这几步着手。

（1）建立模型：对于系统产出率而言，受到潜在资源瓶颈的影响，应在排程时对所有生产流程规律进行重点研究，明确具体的流程特性和物流变化规律，以此进行假设，给各项生产环节都建立合理科学的关联性。

捕捉数据信息：在计划排程模型建立的过程中，为使后续生产资料得到有效分析与管理，还要在生产之前确定相关的数据需求，通常可以从ERP系统、产出计划等方面提取。

生产预设：基于生产与需求计划的实际参数信息，对车间的生产具体流程和状态信息进行详细解读，并借助相关信息对后续的生产过程设置进行预设。

确立初步计划：基于前几步的分析成果，根据生产订单确定初步的计划排程，然后根据实况信息进行修订优化，使其能获得最优生产效率。

分析和交互完善排产计划：具体需基于生产订单的数据分析成果制定排产计划，并在下达执行命令前对计划可行性进行分析。

核准与执行生产状况。即排程方案在评估获准之后进行指令下达，并开展执行。

更新计划。如果实际生产当中有新订单产生，则可以将其融入剩余生产计划当中，并对排程方案实施优化更新。

2.2 建立模型

（1）最晚交货时间，也就是在保证任务正常完成的基础下，订单交付可以拖延的最晚时间。在某一类末端组件制作时，受到数量过多的影响，生产方与决策者都想用最短的时间完工，保证设备应用率，获得更多生产效益。其模型应该为：

其中Xn是订单最晚的完成时间，Xi则是订单i的完成时间。

（2）订单剩余生产时间方差。基本上订单的交付时间和完成订单所预估的时间差就是订单剩余生产时间，为使该值得到有效控制，往往需要应用其方差进行衡量。方差越小，两者的偏离程度就会越小，时间差值也会更为均衡，就可以基于交货时间提前生产订单，防止订单出现过度累计。其模型应该为：

（3）瓶颈设备应用率。在整个装配线当中瓶颈设备的实际生产时间消耗是最多的，其利用率即是指实际运行时间和生产过程中所消耗的计划时间之间的比值。该数值越大，整个线路的运转速度就会越快。倘若为了提升生产效率，同时应用多个工位与设备共同投入线路运转，还需从中取平均值。其模型应该为：

（4）订单最小剩余加工时长。当超出约定的交付日期之后，最后一个订单结束的日期和最后一个工序完成日期之间的差值。该数值越大，订单的完成时间就会越小，整体生产效率也会越高，也就可以有效确保生产进度。其模型应该为：

3 系统设计

在该装配线当中，MES能直接对所有订单实施归类排程，并根据实况信息编制出适合的装配方案；相关传感器可以对工件状态进行检测反馈；视觉系统可以对工件加工直径以及组装高度进行检测；其他的一些执行元件则可以搬运、加工与组装工件[3]。

3.1 计划排程落实

在装配线当中，MES和数据库需要不断实施信息交互，为促进系统开发，还必须对数据库进行详细设计。

（1）落实用户需求分析。数据库设置的主要目的就是开展用户需求分析。在装配线当中，用户可以基于自身的利益状况把某一类需要的末端组件需求计划发送给营销部门，该部门在接收到其信息之后会再基于订单种类、作用、范围、性能等实施汇总划分类型，制定出初步的生产计划；之后再全方位评审分析全部的生产订单，基于最终结果编制营销计划，并将其发送给生产部门实施计划编制。当生产部把确定好的计划导入MES后，它就会根据内部排程算法开展计划排程，最终生成具有可执行性的生产规划，从而获得材料清单，由采购部开展下一步工作。

（2）开展概念结构设计，即构建E-R模型，以体现出企业的实际需求信息。其中将计划导入、生产排程、计划查询和执行等包含在内，同时给其添加相关属性。

（3）应用Java访问数据库。当数据库设立之后，需用Java开发应用系统和数据库实现信息共享与交流。具体流程为：先与数据库进行连接，然后使JDBC程序对MySQL驱动程序进行加载，再获取Connection对象，建立Statement对象，执行SQL语句，对ResultSet对象，最后关闭JDBC对象释放资源。

3.2 系统功能模块设计

建立MES系统时，应基于实际工作流程，把产品功能需求作为核心进行功能模块开发，以保证系统效率。为使所有工位之间实现生产信息共享与资源转换，加强配合协作，就需要精准下达具体的生产指令，控制生产进度，落实产品分析，将功能模块的作用发挥出来。

（1）计划调度管理。即根据生产订单实施计划排程，选取具体的生产工艺与产品信息制定出操作指南，审核无误后再下达给控制系统以便实施生产操作。这一模块能实现多订单下单，可以进行订单撤销、暂停等，具体功能架构如图2所示。

图2 计划调度管理模块

（2）物料管理。即对物料的出入库进行管理监督，其中主要包含了基础数据调度、物料调度与防错等多个子模块。

（3）质量管理。即重点对所有生产环节的质量数据信息进行采集，实现生产质量监督，并生成具体的质量档案。

（4）统计分析。也就是将成品作为对象实施质量分析，以便完善整个操作流程，强化生产品质，同时使管理者也能完全掌握设备的实际生产能力。

3.3 工位系统设计

在MES中，当其下达具体的生产任务之后，则由PLC控制系统发出相应的动作信号，从而驱动电机或者气缸等抓取、运送、加工和组装工件，同时再应用MES和PLC之间的数据接口进行数据信息传输。

（1）立体仓库工位系统。①促进MES和PLC之间实现通信。当前主要是应用OPC技术实现的，它能利用Microsoft系统在用户机端进行生产信息数据的实时交换，并进行加工数据实时共享[4]。在装配线当中，OPC客户端通过OPC服务器与PLC之间实现信息传递，并将PLC在落实程序操作过程中的相关硬件装置的运作信息抓取出来，以实现对数据内容的有效整理和分析反馈。②实现PLC对气动元件的控制。在立体仓库工位中，当总控制系统发出物料运转的指令之后，堆垛机就会移动到预先设定的位置，这时候旋转气缸的电磁阀就会对气缸进行控制，使其在正确位置弹出夹爪，并进行抓取。之后再将伸缩气缸收回，使堆垛机移动到承座之上。

（2）自动上下料工位系统。即要在总控制系统发出上下料的指令之后，升降气缸向下移动到和抓取点彼此平行的位置，并在往前移动的过程中弹出伸缩气缸，通过控制夹爪气缸对工件实施抓取，然后原路返回，升起顶升气缸，使被夹取的工件到达流水线载具上部并下放工件[5]。

（3）工件加工与尺寸检测工位系统。在工件达到加工和尺寸检测工位的时候，由专属机器人将其搬运到钻铣平台，启动定位装置对其实施自动定位，并对工件实施加工。结束后，视觉系统自动对成品直径实施测量，并且RFID会对具体数据进行提取和写入，当直径符合要求，工件则会被送到下一步进行组装，否则需要实施废品处理。在这之中，PLC和视觉系统之间的通信实现主要是利用I/O信号，以实现对光源开启和关闭、工件直径与高度判定结果的信号进行控制。

（4）工件组装和问题检测工位系统。在该环节，机器人先将工件拿下，在暂存区进行组装，之后视觉系统对成品进行照片拍摄并与模板信息进行对照分析，同时RFID会对具体数据进行抓取和写入，如果检测合格则由机器人搬运到成品处进行存储，一旦与模板存在误差，还需进行废品处理。其中，PLC和视觉系统之间的联系，主要由PLC利用I/O卡给视觉系统发送一个信号，促使光源和相机被触发，然后对工件进行拍照。

4 结语

在工业领域的改革推进下，当前各类制造企业开始将发展重点放在了智能化探索上，其中MES的应用最为火热，未来在产品生产中势必会发挥出巨大作用。为促使某款末端组件实现批量化生产，将整个生产线都进行信息化管控，还需对MES的装配线系统展开探究。具体需对装配线的生产任务加以明确，然后从具体的工作任务着手，对整个MES架构进行探究，明确工位工艺流程；同时基于计划排程架设，建立相关模型，为生产过程优化奠定基础；最后再针对装配线四大工位进行系统设计，以从根本上实现对生产订单的计划排程，并在装配线上对工件进行高效的搬运、加工、组装和检测。