基于物联技术的MES可视化系统研究

摘 要： 制造业信息化使制造的概念从产品的加工、装配活动与过程延伸到产品生命周期的全部活动与过程，活动的范围从生产现场延伸到整个企业供应链和企业间的制造资源的协同。为了更直观地了解到制造业的全生命周期，在研究MES系统的基础上，在此引入制造物联的概念。提出了一种基于物联技术的mes可视化系统，解决目前MES无法有效管理底层信息或者获取隐藏信息的问题。通过对制造过程中信息的全面感知、优准控制和可视化管理，提高制造效率和产品质量，从而推动制造业向精益化、智能化和服务化方向发展。

关键词： 物联技术； MES； 可视化； SOA

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0049?03

MES（Manufacturing Execution System）制造执行系统[1?2]，是为了防止上层计划管理与底层车间信息数据的断层而产生的，MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理，并根据当前的准确数据对车间进行指导和处理，在整个企业信息化集成系统中起到承上启下的作用。然而MES存在很多数据无法挖掘获取并有效利用的问题，使生产控制、质量控制、数据实时更新以及历史数据统计方面存在管理缺陷，因此对这些数据的有效管理是关键部分，可视化管理可帮助企业更直观的挖掘隐藏的数据并有效管理企业。“制造物联”是MES更高阶段的必然表现形式如图1所示。

“制造物联”与MES的侧重：

（1）MES侧重生产业务管理，制造物联更关注产品要素与制造活动管理；

（2）MES侧重提升过程管理能力，制造物联更侧重提升制造交付能力；

（3）MES侧重制造环节，制造物联则扩展到售后、再制造等产业环节；

（4）MES表现形式多为“系统”，制造物联表现为“平台”；

（5）MES立足企业，制造物联则强化了企业间协同。

MES拥有企业制造过程的实时和历史数据，数据量大，维度多，质量信息也难以有效、直观地表示。为了提高MES系统的交互性和可视性，引入可视化技术[3]和制造物联技术，设计面向制造物联的MES可视化系统[4]，使管理者有效管理生产车间，帮助企业减少成本、提高产品质量和服务质量。

1 系统需求

随着企业生产技术水平的不断提高，企业产品种类趋向多样化，客户需求趋向个性化、对产品的质量要求高，客户及企业间的需求信息、响应信息动态变换快[5]，这些信息贯穿于产品的描述、设计、生产、销售以及回收过程中，如得不到准确有效地管理和控制，给企业和客户都会造成损失，为了更好的满足客户需求、实现企业信息化，目前企业制造过程中主要还存在以下需求：

（1）数据可视化方面。MES系统之所以能有效的监控整个车间的生产过程，主要是通过对制造过程中的原材料、车间设备、工艺状态、生产进度和质量等生产信息进行实时管理实现的，面对动态变化的大量数据信息，之前系统显示的结果比较抽象，难以发现隐含信息，而像质量管理过程和生产管理过程等子系统都要根据这些数据信息进行筛选、分析和控制，因此，利用可视化技术将其转化为图表、图像和表格等形式展示，便于管理者有效分析、控制和管理。

（2）可视化交互方面。车间的装配质量管理系统和过程控制管理系统交互性差，只能管理者单方面的接收问题并解决后才可继续运行生产，影响企业生产效率。

（3）实时处理方面。企业客户数量大，产品种类多，质量信息变化快且来源多，生产过程、工艺流程和工时数据动态变化快，管理者如不能及时地接收这些信息，企业的生产经营将蒙受损失。所以企业能及时正确地传达和响应这些生产过程、设备和质量信息。

针对上述需求，结合物联技术，研究MES可视化系统[6]，通过部署多个传感器节点，利用RFID标签定位技术[7?8]，追踪物料单品在生产线上的装配制造过程，设计交互界面，使企业实现车间生产数据在各方面应用的可视化管理，为企业节约成本、创造更多的价值。

2 系统架构

针对MES在制造业车间的应用情况及反应出的问题，结合物联技术，提出了基于物联技术的MES可视化系统基本架构，如图2所示。

依据架构图可知，系统的层次主要分为3大部分：车间现场控制层、执行监控层和车间可视化管理层。

车间现场控制层主要利用OPC技术[9]、PLC技术[10]和条码/RFID识别技术等物联技术实现I/O控制、数据采集和设备集成等功能。

执行控制层可以实时监控各工位设备的运行状态，设备出现故障可以立即发出警告，提示生产现场管理人员及时排除故障；也可以接收工作站反馈的质量控制、性能分析的结果信息，指导现场工作人员进行改进生产作业，执行详细工序计划的指令，安排生产线准时完成生产任务。

车间可视化管理层利用可视化技术、SPC技术实现生产过程控制、质量控制，最后在管理层以图表、图像形式将过程控制数据、质量控制数据、实时更新的数据和历史统计的数据可视化展示，让管理者更直观地管理生产现场。最后，可通过接口管理平台实现与ERP，MES，PDM，CAPP等系统信息集成与共享。

3 可视化MES系统的功能模型

通过对上述系统架构图的分析，并结合装配车间的现场情况，将MES可视化系统的功能模型总结如图3所示。

3.1 生产控制可视化

生产控制可视化可以用来查看生产进度，防止生产事故，监测流水线的生产情况，阻止生产线因异常情况而停止流转，并可查询和追溯当时操作人员的详细信息，提高生产效率，具体可有生产工序可视化、生产工时可视化、车间布局可视化和工艺流程可视化等功能模块组成。

3.2 质量控制可视化

质量控制可视化由质量标准可视化、质量检测可视化和质量追溯可视化组成，通过质量标准，对采集数据进行自动判断，异常情况进行报警，并追溯检测问题根源，及时控制并合理改善管理，实现质量的实时在线观察和控制。

3.3 数据实时更新

利用数据采集设备，实时采集设备数据、物料数据和人员信息数据等，并通过构建数据软硬件平台系统，实时更新展示数据，方便管理人员有效管理装配过程。

3.4 历史数据统计

企业数据库存储车间现场的所有数据，对历史数据有效统计，以图表或图像形式展示，便于管理人员直观查询和统计、分析设备状况、人员信息状态状况和物料状况等信息，出现问题时可利于追溯查询问题根源。

4 系统实现

SOA是一种通过使用和组装构建模块来概念化、设计和构建应用程序的方法，每个构建模块被表示为一个可重用的服务，通过SOA技术的应用，将提高软件的可重用性，改善MES系统过于个性化和升级困难的问题，提高系统的构件速度，降低构件成本。所以本系统采用SOA架构。采用C#，.NET开发，企业数据库采用ORACLE数据库管理，利用GDI+、OWC等绘图工具和Dundas数据可视化技术，完成交互图形图表的绘制和数据可视化的呈现，用可视化的方式高效管理车间装配过程。

5 结 语

本文分析了制造业中MES系统存在的不足，引入物联技术，提出了基于物联技术的MES可视化系统，通过系统架构分析系统的功能模型，使装配车间的生产控制、质量控制和数据实时更新和历史统计都可视化展示，改进了生产过程中组装线和工艺流程的混乱、质量反馈问题的滞后和交互，使管理者有效管理车间，使企业降低成本，高效高质量生产。

参考文献

[1] 赵栋，陈呈频，兰秀菊，等.基于MES的可视化质量管理系统[J].轻工机械，2011，29（2）：123?127.

[2] MESA International. MES explained a high level vision， white paper number 6 [M]. Pittsburgh： MESA International， 1997.

[3] 孙晓梅，韦晓凯，曹从咏.基于物联网的军事装备信息可视化系统研究[J].交通信息与安全，2012，30（4）：7?9.

[4] 王鸿玲，糜玉林.信息可视化技术在军事中的应用[J].舰船电子工程，2008（3）：12?14.

[5] 吴锋，侯平智.制造可视化及关键技术[J].现代制造工程，2009（4）：134?136.

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[8] 李为为，周汝胜.基于RFID的物流过程监控及可视化管理系统分析与设计[J].物流科技，2010（5）：19?21.

[9] 吴青.OPC技术研究及其在现场总线控制系统中的应用[D].沈阳：沈阳理工大学，2008.

[10] 王海珍，彭梅香.一种基于PLC的柔性自动化生产线系统[J].企业技术开发，2011（7）：42?44.