基于MES的船舶建造数据采集系统研究

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(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

目前国内大型造船企业正在加快实施企业信息化建设，在计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing systems,CIMS)开发利用上取得了较大进展，但基础数据不扎实、信息流通慢，造成船舶企业普遍存在信息孤岛和信息断层的问题。为此，提出基于MES(manufacturing execution system)的船舶建造数据采集系统，作为整个MES的一个子系统，完成船舶建造现场实时数据采集任务，从而很好地解决以上问题。

1 MES关键问题描述

美国的咨询调查公司(advanced manufacturing research，AMR)对MES给出的定义：MES是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。

它以当前视角向操作人员/管理人员提供生产过程的全部资源(人员、设备、材料、工具和客户要求)的数据和信息。[1]

MES处于计划层和现场之间的执行层，一方面将企业资源计划层的命令进一步细化后，向生产过程发出制造指令；另一方面，将过程控制层收集到的实时信息反馈回业务管理层，作为以后编制生产计划的依据，并对车间作业进行实时动态调度，将企业资源计划和过程控制整合在一起，形成以ERP(enterprise resource planning)/MES/BCS(bottom control system)三层为核心的企业信息集成系统。

2 基于MES的数据采集系统分析

2.1 数据采集模块功能描述

使用IDEFO(integration definition for function modeling)建立船舶数据采集系统的功能模型，描述系统构成及系统各模块间的相互关系[2]。数据采集模块的功能就是在计划、工单、物料单等信息的支持下，收集生产过程中的各种数据，同时对这些数据进行存储和处理，形成生产实时信息和生产过程信息，这个过程是由计算机系统和人工完成。

按照数据采集的对象，可以把数据采集功能模块划分为6个子模块，见图1。

1) 计划数据采集模块。负责采集与计划相关的数据，包括厂级车间作业计划信息、班组作业计划信息以及各种计划调整调度信息。

2) 工单数据采集模块。负责采集与工单相关的数据，包括工单基本信息、派发信息、执行信息和调整信息。

3) 设备及工装数据采集模块。负责采集与设备及工装相关的数据，包括设备基本信息、工装基本信息、设备的使用信息、维修信息以及其他状态信息。

4) 物料数据采集模块。负责采集与物料相关的数据，包括物料基本信息、物料的状态信息、位置信息、数量信息以及质量信息。

图1 数据采集模块功能模型图

图2 数据采集系统流程图

5) 人员数据采集模块。负责采集与人员相关的数据，包括人员基本信息、人员的出勤情况、人员的工作状况。

6) 辅助数据采集模块。负责采集与系统相关的其它数据，包括使用的制造信息、相关的工艺信息、工作日历信息。

2.2 数据采集信息分析

在车间实际生产过程中，关心的信息包括：前工单的执行情况、设备的使用状况、人员的状态，以及物料的在制品存储量信息。对需要采集的信息进行分类。

1) 指令类信息。各种生产指令，包括工单、领料单、入库单。

2) 时间类信息。事件发生和结束的时间。

3) 位置类信息。各种要素所在的位置，包括物料的位置、人员的位置、设备的位置。

4) 人员类信息。事件发生过程中的人，包括导致各种状态变更的人员、操作设备的人员、执行工单的人员、运输物料的人员。

5) 事件类信息。主要描述事件的过程，包括使用的设备、使用的物料、最后的结果。

2.3 传统的数据采集方法

目前造船企业的生产现场数据大都是手工填写，这些数据有的是经手算汇总，稍微先进点的则是各种生产报表、单据、窗体数据输入计算机中进行汇总，这些数据信息严重缺乏实时性、准确性和全面性，而且人为操作使得数据误差增多，检查数据源时困难重重。这就出现了所谓的“生产现场黑箱作业”现象。利用条码建立的具有敏捷化响应能力的数据采集系统，为上述问题的解决，提供了可行的实现方案。

2.4 基于条码的数据采集方法

针对船舶制造企业面向订单式的特点所设计的条码数据采集系统流程见图2。

在车间级管理层接收到来自企业级ERP系统的零件月份需求计划之后，MES需要根据上级计划制定MES车间月份生产计划，然后根据车间月份生产计划生成零件加工批次和产生流水作业卡。之后，生成能够表示零件在制品的条码，和零件批次信息一起作为零件生产的过程档案。同时，还根据MES车间月份生产计划生成每天的工序作业计划，作为生产调度指令向生产现场下达班产派工指令。生产现场根据派工指令和零件批次进行加工。在完成加工任务之后，反馈零件加工情况和状态、班产计划完成情况以及生产工时综合统计。MES根据这些原始数据，经过过滤、统计等处理形成可用的信息供第二天的工序日计划编制和上层ERP系统编制计划使用。

3 数据采集模块的设计

3.1 系统实现关键技术

3.1.1 条码制作

根据对数据采集信息的分析和现场加工实际情况，得出选择条码标识对象的原则：对象数量要尽量少，便于精简条码扫描流程；能表示尽量多的信息；条码标签容易粘贴。根据上述原则，对条码标识对象的选择如下：①选择工厂分配给每个员工作为人员惟一标识的代码作为编码代码，制成条码标签粘贴在每个工人每日必须佩戴的工卡上；②在生产中，在制品零件是以批次为基本单位进行加工和移动的，而每个零件批次的流水作业卡包含了该批次零件的基本信息、加工工序信息和加工数量且流水作业卡跟随本批零件的整个加工过程。所以选择流水作业卡作为标识零件的条码标识对象。针对每个批次印制能够惟一标识该批次的条码标签粘贴在流水作业卡上；③根据标识每台设备的设备编码印制设备条码标签供采集设备信息使用。

3.1.2 条码编码规则

1) 惟一性。每一个编码对象只能有一个代码，一个代码也仅表示惟一的一个编码对象。

2) 规范合理性。在一个代码标准中，代码的类型、结构以及编写格式要统一和规范化。

3) 稳定性。即代码不宜频繁变动，编码时要考虑其变化的可能性，保持代码系统的相对稳定。

4) 可扩充性。必须留有适当的后备容量，适应编码对象特征或属性以及其相互关系可能出现的变化，从而满足系统不断扩充的需要。

5) 简化性。计算机在运行过程中需要处理的数据量很大，为了缩短处理的时间、减少存储空间，同时也为便于条码阅读器的识别，编码不能过于冗长，应当尽量简化。

6) 适用性。代码要尽可能翻译编码对象的特点，以助于记忆并便于人们了解、识别和使用。

系统根据上述编码规则[3-6]，初步设计有关人员、设备、物料的编码格式。

I—三位流水号，由 001 开始。

I—公司代号；

II—设备所属部门编号；

III—同部门设备序号。

I—总代号，用P表示；

II—产品编码；

III—车间编号(或预留)；

IV—工序号。

I—总代号，用R表示；

II—分代号；

III—分类号；

IV—原料编号；

V—计量单位代码；

VI—序号。

3.2 数据采集模块框架体系的设计

目前常用的关系数据库应用模式有B/S 结构和 C/S 结构。针对造船企业数据采集量大的特点，选择 B/S 模式，见图3。

图3 B/S架构应用模型

B/S架构的软件开发模式在结构上分为三部分:客户端、应用服务器、数据库服务器。相应的数据库访问逻辑也分为三个层次:界面表示层、业务逻辑层和数据访问层。该结构中，数据访问层放在数据库服务器上，主要负责数据的存取、访问及优化。主要的业务处理功能即业务逻辑层则在应用服务器上实现，而提供系统与用户交互的界面表示层和简单的业务处理功能则放在客户端。

3.3 数据采集过程示例

采用SQL Server数据库， 演示过程如下，Visual C#.net实现系统开发。需要工人录入的信息可分为：工人每天工作状态信息、加工任务信息和完成任务信息三个部分。设计出基于班产统计的数据采集界面。实现生产数据的快速采集和数据的一次录入多次使用。工人每天填写的班产信息，其中大部分数据都可以通过扫描人员条码、批次流水作业卡条码、设备条码来匹配相应信息，需要录入的只有时间和数量等数字信息。这样不仅减少了工人手工录入生产信息的出错几率，同时也减少了工人使用键盘录入字符的范围，节省了录入数据信息所花费的时间。

通过显示终端,操作员将获得条码的实际信息,同时可输入少量的加工质检信息,并将这些信息传到车间计算机上,由此完成零件的一次加工,并跟踪到车间主机上。同时,对复杂工序加工时,通过扫描工序条码,从车间计算机上获得该批零件对应工序的生产工艺信息,并显示在终端上,指导操作员加工。通过访问SQL数据库获得零件加工的所有进程信息。利用条码实现对操作员、零件状态、加工进展、设备的监视,这样，管理者就能及时查看零件加工进度、质量分析、设备负荷、零件转移情况等。系统基本满足MES上层各功能模块对生产现场信息的需求。

4 结束语

针对目前船舶制造企业普遍存在的数据采集难题，提出的基于条码技术的数据采集方法使数据采集手段更简单，速度更快，采集所得数据更为完备。减少了车间信息获取难度，加快了获取车间生产现场数据的能力，为车间生产构建了一个敏捷化处理环境，很大程度上改变了当前车间生产作业方式。提高了车间生产效率，有助于有效地缩短造船周期。

[1] BILL SWANTON. Do we need a new model for plant systems[R].USA:AMR Report,1998.

[2] 陈禹六.IDEF建模分析和设计方法[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3] 陈丹晖,刘 红.条码技术与应用[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 徐晓霞,贝雨馨. B/S模式与C/S模式之比较[J].延边大学学报：自然科学版,2002(2):126-129.

[5] 迪尤逊.SQL Server 2005 基础教程[M].董 明，译.北京:人民邮电出版社,2006.

[6] 罗福建,白忠建,杨 剑.Visual C#.NET程序设计教程[M].北京: 人民邮电出版社,2009.