盛敏

摘要：隨著供應(yīng)鏈的全球化，智能制造引領(lǐng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型已愈加明顯。中小型制造企業(yè)力圖借助信息技術(shù)和新管理策略來達(dá)到精益化生產(chǎn)制造管理狀態(tài)，從而加深了“智慧車間”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。通過對(duì)制造業(yè)“智慧車間”的市場(chǎng)概況和國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析，根據(jù)中小企業(yè)所需的柔性、成本、簡(jiǎn)化、集成特點(diǎn)，提出基于可配置化、可離線執(zhí)行的MES云平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)思。利用柔性協(xié)同MES組件平臺(tái)技術(shù)、可配置化離線執(zhí)行工位終端技術(shù)和SAAS平臺(tái)技術(shù)，滿足中小型制造企業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同、解決離線斷網(wǎng)、多租戶定制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：智慧車間;可離線執(zhí)行;MES云平臺(tái);工位終端技術(shù);SAAS平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）01-0191-03

“智慧車間”是指通過網(wǎng)絡(luò)、軟件管理系統(tǒng)將自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通達(dá)到感知狀態(tài)，通過實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷決策和精確執(zhí)行指令的智能化車間，旨在提升產(chǎn)品整體生產(chǎn)水平，提高企業(yè)生產(chǎn)管理能力和滿足客戶需求的及時(shí)交付能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的爆發(fā)，在2019年的國(guó)家政府工作報(bào)告中首次提出了“智能+”的概念。在中國(guó)制造“2025”等一系列國(guó)家政策積極推動(dòng)下，智能制造引領(lǐng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)越來越明顯。很多中小型制造企業(yè)開始想方設(shè)法地通過信息技術(shù)手段來更好地管理制造生產(chǎn)過程，改善生產(chǎn)質(zhì)量，提高客戶需求滿足能力，從而催生了符合中小型制造企業(yè)“智慧車間”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。

1制造業(yè)“智慧車間”的市場(chǎng)概況

1.1制造企業(yè)“智慧車間”的需求巨大

隨著供應(yīng)鏈的全球化和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)都處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)“智慧車間”的需求巨大。對(duì)于全國(guó)廣大中小型制造企業(yè)而言，雖然產(chǎn)值低，生產(chǎn)方式相對(duì)落后，但是其轉(zhuǎn)型升級(jí)的愿望和壓力比大型企業(yè)更加迫切。由于成本問題，這些企業(yè)顧慮重重，大多數(shù)都未實(shí)現(xiàn)車間級(jí)生產(chǎn)智能協(xié)同管理，所以“智慧車間”的需求市場(chǎng)前景廣闊。

1.2市場(chǎng)倒逼“智慧車間”成為制造企業(yè)的必然選擇

制造企業(yè)為了做到按照客戶的需求來進(jìn)行按時(shí)精準(zhǔn)交貨，企業(yè)的成品發(fā)貨、工藝、質(zhì)量管理、生產(chǎn)執(zhí)行監(jiān)控、半成品及原材料庫存甚至是供應(yīng)商，必須要達(dá)到生產(chǎn)管理的協(xié)同化、精細(xì)化。這意味著廠家需要有效的組織和協(xié)調(diào)人員、物料、設(shè)備以及部門等所有資源，并對(duì)其進(jìn)行整合，統(tǒng)一管理，精準(zhǔn)調(diào)度。要達(dá)這個(gè)目標(biāo)，僅僅通過ERP等傳統(tǒng)的企業(yè)管理信息系統(tǒng)是無法做到的。這其中涉及了各個(gè)方面以及各個(gè)層次的技術(shù)、管理以及系統(tǒng)集成問題，包括了生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、管理流程規(guī)范重組、生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)管控、生產(chǎn)執(zhí)行制造MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等眾多的專業(yè)技術(shù)和系統(tǒng)集成。

1.3市場(chǎng)缺乏中小型制造企業(yè)的“智慧車間”解決方案

對(duì)于中小型制造企業(yè)來說，企業(yè)本身產(chǎn)品系列相對(duì)單一、其部門職責(zé)相對(duì)集中，為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)其生產(chǎn)、計(jì)劃過程需要有極大的靈活性。而市場(chǎng)上的眾多ERP和PLM等系統(tǒng)都是基于通用化管理流程開發(fā)的，無法滿足其特例化需求。另一方面，市場(chǎng)上相對(duì)較大的ERP、PLM、CAPP等解決方案提供商，出于利潤(rùn)和成本角度考慮，往往不會(huì)針對(duì)某個(gè)中小企業(yè)進(jìn)行特殊的功能開發(fā)。因此，符合中小型制造企業(yè)實(shí)際需求的“智慧車間”解決方案目前在市場(chǎng)上相對(duì)缺乏?？梢越鉀Q中小型制造企業(yè)智能制造需求，既滿足其成本、人才和自身管理特點(diǎn)要求又有影響力的“智慧車間”平臺(tái)仍未出現(xiàn)。

2“智慧車間”系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

在生產(chǎn)制造信息化智能化領(lǐng)域，生產(chǎn)執(zhí)行制造系統(tǒng)MES作為核心層已經(jīng)得到了充分的研究和產(chǎn)品化，國(guó)外一些專門從事企業(yè)信息化軟件開發(fā)的公司正逐步將協(xié)同思想和工具融入自己的MES方案中，如美國(guó)的公司已經(jīng)發(fā)布了一軟件系統(tǒng)，德國(guó)西門子公司推出了系列產(chǎn)品，除此之外其他一些公司如Honey-well、ASPEN Tech、EMERSON、Interwave等紛紛在其系列軟件中融入或增強(qiáng)了協(xié)同制造功能。更進(jìn)一步，由于MES系統(tǒng)在生產(chǎn)管理領(lǐng)域的重要作用，美國(guó)儀器、系統(tǒng)和自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA（In-stmmentation，System，and Automation Society，）在MES的基礎(chǔ)之上，提出了制造運(yùn)行管理MOM（Manufacturing Operations Man-agement）的概念。其將MES的思想從單純的生產(chǎn)制造部門中提煉出來，站在總體管理和供應(yīng)鏈管理的角度來架構(gòu)企業(yè)的整體生產(chǎn)運(yùn)作體系。這個(gè)思路其實(shí)是從供應(yīng)商供貨開始管起，一致到成品訂單發(fā)貨環(huán)節(jié)，其本身就是將供應(yīng)鏈管理的思路融合在生產(chǎn)管理。

2.1國(guó)外方案不符合中國(guó)市場(chǎng)

國(guó)外廠商以“蓋普樂車間數(shù)字化管理方案”為代表的解決方案建立在企業(yè)高度自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備基礎(chǔ)上，對(duì)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境要求極高，非常強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一存放和處理，不適合國(guó)內(nèi)中小型離散制造企業(yè)現(xiàn)狀。經(jīng)過對(duì)蓋普樂產(chǎn)品的認(rèn)真研究，發(fā)現(xiàn)其車間數(shù)字化解決方案對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一處理要求極高。但是針對(duì)國(guó)內(nèi)中小企業(yè)來說，生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)不易過于集中，只要能夠保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)單獨(dú)離線存儲(chǔ)，集中服務(wù)器事后及時(shí)能拿到數(shù)據(jù)即可。另外在一部分場(chǎng)景下離散制造還是需要人工介入，所以需要系統(tǒng)能夠提供一定的半自動(dòng)化與人工介入相結(jié)合的技術(shù)解決辦法，一般來說在離散制造領(lǐng)域，這需要“工位終端”承擔(dān)這個(gè)角色。而國(guó)外的絕大多數(shù)解決方案沒有針對(duì)性的軟硬件技術(shù)手段。此外，國(guó)外廠商目前沒有一家提出過基于Saas（軟件即服務(wù)）模式的云平臺(tái)智慧車間解決方案，他們基本都是針對(duì)企業(yè)進(jìn)行定制化私有部署的，這樣實(shí)施成本非常高。

2.2國(guó)內(nèi)研發(fā)滯后手段不足

國(guó)內(nèi)廠商雖然有Saas平臺(tái)但是限于專業(yè)背景，其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)聯(lián)網(wǎng)手段不足對(duì)于自動(dòng)化程度尚不成熟、網(wǎng)絡(luò)通訊尚存在不足的中小企業(yè)，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)ERP軟件商也紛紛基于原有ERP系統(tǒng)研發(fā)自己的SAAS模式的MES服務(wù)平臺(tái)，但是由于對(duì)生產(chǎn)底層機(jī)床設(shè)備、工控自動(dòng)化產(chǎn)線不夠熟悉了解，導(dǎo)致其開發(fā)的平臺(tái)并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

從上表中可以看出，國(guó)外的解決方案成本較高、同時(shí)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)管理和生產(chǎn)自動(dòng)化要求較高。國(guó)內(nèi)代表性企業(yè)出于成本考慮和國(guó)內(nèi)客戶特殊需求也有推出Saas化平臺(tái)，并且對(duì)客戶的管理規(guī)范和自動(dòng)化水平要求沒有那么高，但是此類平臺(tái)大都只考慮了生產(chǎn)協(xié)同管理人員和管理后臺(tái)的需求，對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中生產(chǎn)任務(wù)及一線操作的離線執(zhí)行安全沒有更好的低成本解決辦法，只能定制化開發(fā)，這無形中削減了Saas模式低成本，短周期優(yōu)勢(shì)。

3中小型制造企業(yè)“智慧車間”的系統(tǒng)需求

3.1可根據(jù)需求柔性實(shí)施，并隨生產(chǎn)流程的改進(jìn)持續(xù)演化

系統(tǒng)應(yīng)是建立在各種自動(dòng)化編程、組件化等技術(shù)基礎(chǔ)上的，并包含各種車間管理建模工具、流程引擎、規(guī)則引擎、表單引擎等技術(shù)框架。在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施時(shí)，無須開發(fā)程序，只需要根據(jù)客戶需求進(jìn)行靈活配置發(fā)布。從而整個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)客戶管理需求隨時(shí)調(diào)整演化。

3.2實(shí)施成本低

由于中小企業(yè)普遍對(duì)“智慧車間”系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用投入成本有限，因此系統(tǒng)應(yīng)具備柔性配置、組件化技術(shù)特點(diǎn)，在具體實(shí)施時(shí)可以最大限度地做到快速、低成本。

3.3簡(jiǎn)化集成

對(duì)于中小企業(yè)來說，做到車間級(jí)的整個(gè)生產(chǎn)過程的精確管理把控，其中涉及眾多環(huán)節(jié)：工藝、計(jì)劃、質(zhì)量、供應(yīng)商、生產(chǎn)庫存、生產(chǎn)配送、成品倉庫等。目前各環(huán)節(jié)均是獨(dú)立軟件管理。中小企業(yè)普遍無法承受這些軟件集成，所帶來的成本和時(shí)間。因此，系統(tǒng)應(yīng)從最簡(jiǎn)化最必要的思路入手，將所有的必要環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化，最終集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

4中小型制造企業(yè)“智慧車間”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

4.1總體思路

通過深入調(diào)研中小型離散制造生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)管理現(xiàn)狀及需求，并結(jié)合產(chǎn)線自動(dòng)化技術(shù)背景，現(xiàn)提出基于符合中小型制造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)管理需求的“智慧車間”一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該“智慧車間”設(shè)計(jì)方案集合了機(jī)聯(lián)網(wǎng)方案、外協(xié)供應(yīng)商協(xié)同管理、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、生產(chǎn)庫存及生產(chǎn)配送等中小型制造企業(yè)生產(chǎn)過程必需的核心需求和功能。

4.2技術(shù)原理

基于可配置化、可離線執(zhí)行需求的MES云平臺(tái)涉及的技術(shù)有：柔性協(xié)同MES組件平臺(tái)技術(shù)、可配置化離線執(zhí)行工位終端技術(shù)、SAAS平臺(tái)技術(shù)。三項(xiàng)技術(shù)的具體邏輯關(guān)系為：柔性協(xié)同MES組件平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)工位終端和云平臺(tái)進(jìn)行管理和可視化配置，SAAS云平臺(tái)負(fù)責(zé)進(jìn)行生產(chǎn)的協(xié)同、計(jì)劃調(diào)度，并將精準(zhǔn)的生產(chǎn)任務(wù)相關(guān)信息下傳給工位終端，工位終端根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)對(duì)生產(chǎn)過程中的人機(jī)料法環(huán)進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)將生產(chǎn)狀態(tài)上傳給云平臺(tái)。一旦斷網(wǎng)，工位終端可以繼續(xù)離線執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)，不影響生產(chǎn)進(jìn)度，等到網(wǎng)絡(luò)暢通又可及時(shí)上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)到云端。

4.3功能設(shè)計(jì)

“智慧車間”一體化系統(tǒng)主要功能模塊包括：生產(chǎn)執(zhí)行制造MES子模塊、電子看板子模塊、生產(chǎn)倉儲(chǔ)配送子模塊、外協(xié)加工協(xié)同管理子模塊。模塊可根據(jù)企業(yè)客戶實(shí)際生產(chǎn)管理需求靈活組合及個(gè)性化調(diào)整。具體子模塊及功能如下：

4.3.1生產(chǎn)執(zhí)行制造MES子模塊

生產(chǎn)執(zhí)行制造MES模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)為客戶管理監(jiān)控以及協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程，負(fù)責(zé)將工廠企業(yè)計(jì)劃準(zhǔn)確實(shí)時(shí)下達(dá)（并即時(shí)監(jiān)控）到設(shè)備、工人、庫存等環(huán)節(jié)，同時(shí)負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給管理計(jì)劃層。該模塊的研發(fā)為SAAS平臺(tái)提供了重要的生產(chǎn)管理需求實(shí)踐數(shù)據(jù)，應(yīng)涵蓋企業(yè)生產(chǎn)人員組織、工藝設(shè)定、物料管理、庫存管理、生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、生產(chǎn)跟蹤等方面生產(chǎn)管理監(jiān)控功能。

4.3.2電子看板子模塊

電子看板是“智慧車間”一體化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同重要工具，電子看板應(yīng)將MES模塊中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、透明、精確展示，從而達(dá)到生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同的目的。電子看板廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的中小型離散制造生產(chǎn)企業(yè)。作為整個(gè)“智慧車間”信息協(xié)同的重要工具，滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、異常信息等車間生產(chǎn)信息自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示在車間LED屏、液晶顯示器或電腦終端，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)管理數(shù)字化、透明化和可視化。電子看板的主要功能可包括：生產(chǎn)數(shù)據(jù)電子看板，實(shí)時(shí)展示生產(chǎn)計(jì)劃及完成數(shù)量;產(chǎn)線工序電子看板，及時(shí)展示產(chǎn)線各工位或各工序的生產(chǎn)信息;物料電子看板，及時(shí)展示物料狀態(tài)信息;設(shè)備電子看板，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的狀態(tài)信息;質(zhì)量電子看板，實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品質(zhì)量合格率、不良率數(shù)據(jù)。

4.3.3外協(xié)加工協(xié)同子模塊

外協(xié)加工協(xié)同主要用于企業(yè)和企業(yè)自己的加工供應(yīng)商協(xié)同生產(chǎn)：在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品某些工序需要供應(yīng)商加工，此時(shí)需要通過此模塊設(shè)定批次號(hào)及數(shù)量、質(zhì)量要求，加工供應(yīng)商企業(yè)通過云端登錄該模塊及時(shí)獲知加工需求信息，并可直接打印加工零件的批次條碼號(hào)（或二維碼）。滿足加工完成送回時(shí)，企業(yè)倉儲(chǔ)部門直接掃碼收貨，提高了收貨信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

4.3.4生產(chǎn)倉儲(chǔ)配送子模塊

生產(chǎn)倉儲(chǔ)配送子模塊主要功能是協(xié)同生產(chǎn)庫存部門與生產(chǎn)制造部門。滿足在當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)時(shí)，計(jì)劃數(shù)量會(huì)同時(shí)下達(dá)到生產(chǎn)線和倉儲(chǔ)部門，倉儲(chǔ)部門在系統(tǒng)指引下，根據(jù)計(jì)劃要求及時(shí)按要求將原材料送達(dá)生產(chǎn)線，達(dá)到配送的主動(dòng)性和及時(shí)性。

5設(shè)計(jì)構(gòu)思的特點(diǎn)

5.1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同

基于本體的可視化工藝表達(dá)及建模技術(shù)，解決了工藝部門與生產(chǎn)一線的數(shù)據(jù)協(xié)同問題，讓工藝部門的數(shù)據(jù)可直接在生產(chǎn)監(jiān)控中使用，無須人工轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，提高效率。構(gòu)建基于語義本體的可被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋執(zhí)行的工藝路線及工藝參數(shù)配方表達(dá)及建模方法/32具：首先用OWL語義表達(dá)體系建立制造企業(yè)工藝信息描述語義本體體系，再構(gòu)建可視化工藝建模工具，生成XML文件來存儲(chǔ)基于語義本體的工藝流程及配方參數(shù)，然后構(gòu)建工藝文件解析器將工藝文件解析成可解釋執(zhí)行的工藝內(nèi)存對(duì)象，生產(chǎn)監(jiān)控軟件即時(shí)調(diào)用執(zhí)行。

5.2解決離線斷網(wǎng)的安全問題

基于linux嵌入式環(huán)境的可視化配置引擎——解決Saas模式下一旦斷網(wǎng)離線導(dǎo)致生產(chǎn)停滯的安全問題。實(shí)現(xiàn)技術(shù)思路：規(guī)則配置引擎負(fù)責(zé)可視化配置業(yè)務(wù)規(guī)則，業(yè)務(wù)規(guī)則被打包成業(yè)務(wù)規(guī)則包，可分布式離線存放在不同嵌入式環(huán)境中，供事務(wù)對(duì)象調(diào)用。事務(wù)對(duì)象建模工具用于將某些業(yè)務(wù)場(chǎng)景處理事務(wù)（包括現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)終端操作，或一個(gè)復(fù)雜后臺(tái)交互邏輯。比如：PDA掃描物料條碼入庫、根據(jù)規(guī)則整體調(diào)整公司某個(gè)部門員工工資等都可看成為一個(gè)事務(wù)）打包成一個(gè)事務(wù)對(duì)象，此事務(wù)對(duì)象負(fù)責(zé)調(diào)用規(guī)則引擎對(duì)象、元數(shù)據(jù)等，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)元數(shù)據(jù)對(duì)象和規(guī)則引擎對(duì)象運(yùn)行。

5.3多租戶定制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

數(shù)據(jù)作為企業(yè)應(yīng)用的核心，一直以來備受重視。系統(tǒng)模式中的通用數(shù)據(jù)和個(gè)性化數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為可定制數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)模型的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。針對(duì)單稀疏表大量空間浪費(fèi)的問題，系統(tǒng)采用多稀疏表的改進(jìn)方案。多稀疏表方案中將多個(gè)稀疏表進(jìn)行編號(hào)，從1開始，到n結(jié)束。用來存儲(chǔ)這些稀疏表的元數(shù)據(jù)信息。Tenantid表示租戶的id，Tableid表示租戶定制的表id，Extl，Ext2...，為租戶定制的擴(kuò)展列的列名。在多稀疏表的模式下，使用多個(gè)不同列數(shù)的稀疏表代替原有的固定列數(shù)的稀疏表來存儲(chǔ)租戶的定制數(shù)據(jù)，建立了多個(gè)稀疏表的控制表，用于確定租戶的表位于哪個(gè)稀疏表中，同時(shí)建立了對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)表來保存定制字段的描述信息。多稀疏表的存儲(chǔ)方案在很大程度上緩解了單稀疏表方案中存在的空值問題，使表空間得到更充分的利用。