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• 關鍵詞：                                                                物聯網                                                                MES系統

• 摘要：筆者以某拖拉機裝配廠為背景，結合企業的制造執行系統現狀，針對企業物流配送，以及裝配過程實時監控能力弱、報警系統不完善和信息交互不及時等問題，運用過程控制理論和物聯網技術，在實際調研和系統改進目標分析的基礎上，提出基于物聯網技術的企業制造執行系統改進方案

物聯網( Internet of Thing， IOT) 是通過模擬人類之間的信息交互方式，將各類信息感知設備嵌入物體中，實時獲取物體的狀態信息，并將這些物體傳感器通過通信網絡互聯起來，對感知信息進行智能處理，實現對物體的管理、協調和控制的一種高度信息化技術，其可以實現信息的交換與通信。目前，大多數企業實施的制造執行系統( Manufacturing Execution System，MES) 的主要功能是信息的管理與“上傳下達”，對于物流配送系統和制造過程中的生產實時狀態以及產品全壽命周期等的實時監控能力較弱，而且系統信息管理與信息的實時更新之間也存在著斷層。隨著互聯網技術的發展，物聯網可依托的各方面技術也相應得到發展，例如，大規模的感知信息處理技術、云計算技術等，而且成本也趨于降低。基于物聯網技術的MES 系統設計，可以實現企業整個生產制造的實時監控及全方位管理，從而真正實現“管控一體化”，這對于完善MES系統的功能、彌補控制與管理的斷層意義重大。

筆者以某拖拉機裝配廠為背景，結合企業的制造執行系統現狀，針對企業物流配送，以及裝配過程實時監控能力弱、報警系統不完善和信息交互不及時等問題，運用過程控制理論和物聯網技術，在實際調研和系統改進目標分析的基礎上，提出基于物聯網技術的企業制造執行系統改進方案，即通過增加物流配送管理、現場生產線實時運行狀態監控、預防報警指揮和遠程監控等模塊，對企業制造執行系統的功能進行完善，實現企業制造過程的全方位監控和物流運輸的實時跟蹤，從而提高產品質量，實現企業高度信息化和智能化的管理要求。

1 MES 現狀與改進目標分析

1.1 企業MES 現狀分析

某拖拉機裝配廠主要生產大功率系列輪式拖拉機，功率覆蓋51.45 ～ 205.8 kW( 70 ～ 280 馬力) ，共200 多個基本型產品及1 000 多種選裝變型產品，產品生產過程涉及訂單、生產計劃、裝配、物流、采購、質量管理等環節，屬于典型的流程制造。流程制造是一種通過一系列的生產方法，包括使用通用的設備，使生產線上的每項任務都有穩定的周期時間，并按照加工工序的順序，使產品能夠迅速、平穩地由一個工位“流動”到下一個工位的生產組織方式。其不同于離散制造的獨立控制，既要對流程制造的各任務與批次之間實現全面的綜合管控，又要對關鍵環節實施實時追蹤，最終才能實現“一個流”的生產。

企業現有的MES系統主要針對流程生產中的關鍵點進行控制，實現的主要功能有生產計劃管理，主機跟蹤管理、生產裝配指示、關重件檔案管理、停線管理、LED 生產看板、報表管理等。MES 功能結構如圖1 所示。

圖1 現有MES 的功能模塊

現有的MES 系統主要實現了基本信息的存儲及共享功能，并不能滿足企業對生產過程全方位的監控管理和物流狀態追蹤的需要。首先，裝配廠遠離零部件供應商，且拖拉機裝配過程復雜，廠外物流配送系統龐大，整個物流運輸成本高，為確保配送的零部件質量，增加了物流運輸途中的質量監管力度。其次，目前該車間裝配線的監控主要使用的是條碼技術，其工位員工采用手動方式對物品逐一地進行掃描跟蹤，整個操作過程工人的勞動強度大，工作效率低，并且條形碼容易受作業環境的限制，不能重復使用。此外，現場報警系統不完善，當某個工位發出急停信號時，現場生產管理人員很難及時發現造成停線的具體工位，而且也沒有對停線信號進行歷史記錄，也就無法將停線信號及時發送給MES 系統，最終導致MES 的部分功能發揮不夠充分。再者，現有的MES 系統對于客戶反饋的信息交互不及時，致使出現的產品質量問題不能及時地得到處理，嚴重影響了企業的信譽度和市場競爭力。

1.2 改進目標分析

物聯網是建立在Internet 基礎上，利用RFID( 射頻識別) 、無線數據通信等技術構造的一個實現全球物品信息實時共享的網絡。物聯網的核心能力是全面感知、可靠傳輸、智能處理［5 － 7］。將物聯網技術與MES 進行集成，依托物聯網的視頻監控技術實現物流車輛運輸的實時監控; 用RFID 技術取代條形碼技術，實現裝配線上物品的實時在線跟蹤，減少裝配過程的人工干預，既可以降低工人勞動強度，又能提高工作效率。將物聯網技術應用于裝配廠，并融入到MES 系統中，可有效實現企業系統的集成和動態監控，達到企業高度信息化的要求。

通過對企業MES 現狀的分析，結合物聯網技術，以實現對企業生產過程全方位的監控管理和物流狀態追蹤管理為總體目標，完善原有系統功能，實現廠內物流和廠外物流的可視化操作和智能化管理，保證產品全壽命周期的質量，具體有以下改進目標：

1) 將物流配送系統與物聯網技術結合，對廠內物流和廠外物流實時全方位的跟蹤管理，保障物流暢通，加強產品在運輸過程中的質量監管力度；

2) 將物聯網技術應用于車間裝配線上，用RFID技術代替原有的條碼技術，甩掉手工操作方式，實現生產線數據采集智能化和在制品實時監控可視化，降低人工的管理成本，提高生產效率；

3) 完善報警系統。在原有停線管理的基礎上，通過物聯網將實時數據傳輸到MES 信息中心，開發設計系統并進行遠程監控，顯示報警的具體工位，并記錄報警的歷史數據；

4) 在企業實施信息化的基礎上，通過物聯網的數據傳輸技術，針對用戶需求簽訂協議，對產品進行遠程監控，做到隨時發現并解決問題，從而保證產品整個壽命周期的質量。

2 基于物聯網技術的MES 系統改進方案

2.1 系統的硬件架構

根據MES 系統和物流配送管理現狀，充分使用物聯網的技術優勢，在原有系統的基礎上建立一個具有組網技術的靈活的MES 指揮中心；在裝配廠的生產現場安置攝像頭，利用先進的GPS 全球定位系統和衛星系統，實現系統的總體功能。其系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統硬件架構

2.2 系統體系結構

制造執行系統與物聯網技術利用統一的系統接口實現數據信息的互聯互通。根據ISO 定義的MES功能層次模型，將MES 軟件體系結構從整體上分為數據采集層、數據集成平臺層、應用層3 層功能模式。首先，MES 的數據采集層利用物聯網技術感知層的識別感知技術獲取車間的實時數據，并通過MES 數據集成平臺進行智能計算處理和管理; 然后，借助于物聯網的網絡層，實現數據傳輸和應用，供決策層上傳下達; 最后，通過后臺的信息儲存進行數據交換，達到實時信息共享。數據是物聯網與MES 集成的媒介，物聯網技術是系統實現在線監控、實時監測的手段和支撐力量，而制造執行系統是整個系統的核心力量。

2.3 系統功能結構

結合物聯網的RFID 技術、數據傳輸、智能處理技術，在把握系統總體目標的前提下，將物聯網與MES 進行集成，并對企業MES 功能加以補充和完善。基于物聯網技術的裝配廠MES 系統的功能模塊有系統管理、生產計劃管理、主機跟蹤管理、生產裝配指示、關重件檔案管理、停線管理、LED 生產看板、報表管理、物流配送管理、生產線運行狀態監控、預防報警指揮和遠程監控等模塊，應用于拖拉機產品的全壽命周期管理中。針對企業全方位監控管理和物流跟蹤管理的系統功能模塊如圖3 所示。

圖3 系統功能模塊

2.4 系統數據庫

對系統設計的總體目標進行分析，在確定系統的改進方案后，建立系統數據庫。然后設計數據表，包括產品基本情況表、物料主數據表、關重件配置表、銷售代碼、裝配配置表、分裝線生產表、總裝線生產表、主機關重件裝配檔案表等。其中產品基本情況表和關重件配置表如表1 和表2 所示。

表1 產品基本情況表

表2 關重件配置表

2.5 系統實施的關鍵技術

系統研究的監控功能所依托的物聯網技術主要有: 感知識別技術、組網與泛在接入技術、大規模感知信息處理技術等，而對于MES 開發與實施涉及的關鍵技術包括了計算機操作系統、網絡技術、數據庫技術、MES 體系結構、開發應用技術和接口技術等，其中接口技術主要包括管理系統接口和控制系統接口。此外，進行MES 的開發和實施還需要考慮MES系統與物聯網后臺系統的可配置性。

3 MES 系統改進功能模塊設計

為了實現對企業進行全方位的監控和管理，結合基于物聯網技術的制造執行系統改進方案，對系統原有的功能模塊進行補充，即增加系統管理模塊、物流配送管理模塊、生產線實時運行狀態監控模塊、預防報警指揮和遠程監控模塊。

3.1 系統管理模塊

系統管理模塊是企業整個系統的基礎數據部分，其可以進行系統相關基礎信息的設置，機型配置管理，系統關鍵操作日志管理，系統與數據庫備份、恢復管理等工作。它依據標準的信息對象，對整個裝配廠進行虛擬化處理，建立基于產品、裝配的設備單元和生產路徑的生產流程，并提供與各個外部系統的連接。

3.2 物流配送管理模塊

此模塊可實現對運輸車輛的運行路線、運行位置、運行狀態的動態監控，既能實現廠內物流和廠外物流的可視化，又能保障貨物的安全。圖4 為物流配送管理工作流程。

圖4 物流配送管理流程圖

物流配送功能主要是依靠GPS 定位來實現的。首先在物流運輸車輛的前后分別安裝一個攝像頭，通過前方安置的攝像頭采集交通數據和運輸路面情況，經過車載GPS 終端將數據傳輸給MES 指揮中心GPS 服務器，并在大屏幕上顯示前方路況和準確的交通信息; 然后，基于電子地圖的配置和車輛行程時間歷史數據庫等基本信息，通過物聯網技術將數據融合并形成準確的交通數據，再根據運輸管理軟件的處理方式進行運算、預測; 最后，通過車載導航設備等傳播媒體將路面實時情況發布給車輛司機，供司機選擇正確的運輸路線，以期避開交通高峰期和路況不好的地段，減少貨物的運輸時間，從而保障貨物的運輸質量。另外，MES 指揮中心可以通過車輛后方的攝像頭隨時查看貨物的情況，如果遇到貨物發生移位、損壞或被盜等情況，立即通過車載GPS定位終端將信息傳送到MES 指揮中心，并觸動系統報警指揮，基于呼叫中心服務器，及時通知運輸車輛的司機進行停車查看，這樣不僅保證了零部件的質量，還可以避免增加物流成本。再者，如果銷售部已經通知客戶發貨，但是客戶還沒有收到貨物，MES 指揮中心就可以通過電子地圖將車輛當前的位置和其他信息直觀地呈現給客戶，客戶也可以在系統中調用監測車輛的歷史信息。

3.3 生產線實時運行狀態監控模塊

生產線實時運行狀態監控主要依托現場的視頻采集設備，即在每個車間安裝可360?旋轉的視頻采集設備，對裝配車間的每個方位進行實時監控，在MES 指揮中心的顯示器上每5 s 更新一次畫面，并通過調度中心監控系統中的人機界面，以及現場PLC 系統的實時信號，動態顯示出當前每條機運線的狀態。現場生產線實時運行狀態監控界面如圖5所示。

圖5 現場生產線實時運行狀態監控界面

3.4 預防報警指揮與遠程監控模塊

基于物聯網技術的報警指揮模塊的功能是: 在原有的停線管理的基礎上，將影響正常生產的各種因素組成一個專門的信息庫，然后根據客戶的需要與客戶簽訂協議，并通過無線通信專線與客戶建立產品售后服務遠程監控，最后利用物聯網的大規模數據處理技術，實現裝配生產的在線診斷，做到及時發現問題，并安排相應的專業人員實施管理，從而避免由于一錯再錯而造成的無法彌補的損失。改進后的MES 報警指揮流程圖如圖6 所示。

圖6 MES 指揮中心報警指揮流程

4 結論

物聯網技術與MES系統設計的有機結合，為企業加快信息化步伐、提高產品質量和生產制造過程的安全度起到了推動作用，也為增強企業的競爭力提供了有力保障。筆者通過對某拖拉機裝配廠現有MES 系統的分析和研究，提出了基于物聯網技術的制造執行系統改進方案，并完善了原有的MES 系統功能，為企業面臨的物流運輸與生產線實時監控薄弱，報警系統不完善和信息交互不及時等問題提供了有效的解決方法，彌補了企業制造執行系統在實時監控管理方面的不足，對提高企業生產控制和管理效率具有一定的實際意義。