离散型生产车间数据采集与分析系统设计

蔡煜颖，田 艳，王二威，赵素娟

（北京理工大学 珠海学院，广东 珠海 519088）

企业资源管理系统中，基础数据的采集、传递、（预）处理关系着决策系统得出的数据能否真正体现实时性、准确性、可靠性，并具有参考价值。更是实现生产线信息的透明化的一种有效手段，对刺激生产、协调生产的计划与控制，及时处理生产事故具有重要作用且应用领域广泛。数据采集系统是MES（制造执行系统）重要组成部分，目前，国内外对MES中所存在的数据采集关键技术研究相对较少[1-3]，已有的数据采集系统不但价格昂贵，并且未能与我国离散型制造行业的现状有效结合[4]。随着企业在生产中采用先进的制造与设计手段，特别是信息技术（计划系统ERP、执行系统MES、控制系统PCS）的应用[5-6]，大大提高了企业产品研发能力和市场竞争能力，促进了生产力的发展使企业取得了明显的效益。但是伴随着企业生产规模的不断扩大，信息需求与传输量明显增加，为了让企业的管理层和决策层与生产现场同步掌握各个装置的全部生产数据，更多的企业需要一种准确实时的数据采集系统，从根本上避免因地理位置、通讯、人为因素等不利影响，在改变原来生产数据的管理模式和提高企业整体工作效率的同时，为企业管理和决策提供及时、可靠的基础数据。文中以A企业离散型生产车间为对象，经过需求调研，设计并实现其数据采集与分析系统。

1 系统需求

系统需求主要包括功能性需求、非功能性需求和数据需求3个方面。

1）功能性需求是根据用户需要，系统必须满足的业务功能；本系统的功能性需求主要包括生产线现场数据采集并电子看板显示、后台管理显示和管理报表3个方面。

①看板显示

本系统需要在车间（生产线）采集生产进度等信息并通过大屏幕显示设备显示，从而帮助生产一线人员通过电子看板获得自己本班需要完成的任务，及时掌握生产进度，提前预警生产异常，防止盲目生产，及时、准确地向计划调度层次反馈生产进度及异常情况，提高生产效率。具体而言，生产现场电子看板需要实时显示信息如表1所示。

②后台显示

本系统除了需要在生产线现场显示上述信息外，各个部门也需要及时掌握生产信息，系统需要通过内部网络提供表1中的信息。此外，A企业管理人员还需要通过系统后台查询管理报表，包括日产量、周产量、月产量汇总表、订单完成率、质量异常统计表等，具体报表说明见本章“用户数据需求”部分。

2）非功能性需求

①可用性。本系统要求提供友好的用户界面，给出的用户手册（说明书）清晰明了、便于用户按照用户手册开展相关业务。②可靠性。生产线数据采集与分析系统要求具有较高的可靠性，尽量减少系统出错的概率，保证服务器不重启的前提下能够长时间的稳定工作；同时能够备份数据，在发生故障时能够恢复系统较少损失。③兼容性。系统要求能够自动适应目前主流的软硬件平台，便于在不同的硬件设施、不同的操作系统下运行。④安全性。系统要求具有防护体制，抵御来自内外部的风险，保证数据正确、完整、可靠；赋予不同用户相关权限，并对相关数据保密。⑤可扩充性与可维护性。当技术变化或业务变化时，不可避免将带来系统的改变；本系统要求具有较强的可扩展性和可维护性，能以尽量少的代价适应这种变化。

表1 看板显示信息Tab.1 Information displayed on Kanban

3）数据需求

本系统除了在生产线现场和后台显示生产进度等信息外，还需要根据生产数据提供一系列报表供管理人员参考，包括日产量、周产量、月产量汇总表；统计分析生产效率、质量异常等。如表2所示。

表2 用户数据需求Tab.2 Demand for user data

2 业务流程分析及优化

本系统所涉及的业务流程简述如下：

>生产部根据计划编制生产指令 （制定过程需要跟车间、物流部等有关部门协调）；

>生产部确定生产指令后，下达各车间；

>生产线根据当日生产指令，选择执行某订单；

>质控部质检员检验电机性能、噪音、外观等，出现质量问题，记录相关信息，最终形成相关报表；

>出现生产异常（如停线等），相关人员负责解决；

>车间记录生产过程中的各种生产异常情况，并确定责任部门，最终形成生产异常汇总表报至生产部；

>生产部审核车间上报的生产异常情况以及生产信息，最终形成各种管理报表。

现行的业务流程如图1所示。

系统所涉及的原有流程均由人工记录并传递信息，在将要构建的生产线数据采集与分析系统中IT设备与技术将代替手工操作，大大提高管理效率与效益；业务流程的优化包 括如下几点：

图1 现行业务流程图Fig.1 Current transaction flow diagram

1）质量异常信息由系统负责记录，系统自动产生质量异常报表；质检员专注于其核心业务，无需手工记录质检信息。

2）系统记录生产异常信息，保证了信息的准确性；生产异常信息实现车间与生产部的共享。

3）系统自动产生各种生产报表，无需生产部管理人员手工统计、书写各种报表，减轻了其工作强度。

4）系统实时提供各种报表，企业领导可随时查询相关信息，提高了企业反应速度。

5）通过电子看板可以发现并暴露出生产中存在的问题（停线、质量异常等），从而可以立即采取相应的对策。

6）保证生产部门按照生产计划生产，防止过量生产。

3 系统设计方案

3.1 系统设计策略

根据项目规模、用户需求等实际情况，项目采用目前管理信息系统领域最为成熟的结构化系统设计方法。该方法运用一套标准的设计准则和图表工具，自上而下地对系统进行分解，其基本目的是处理功能模块化，数据结构模型化，系统平台开放化，从而得到结构明晰，适应性强，可靠性高，安全性好，效率和效益都令人满意的系统实现方案（物理模型）。

3.2 计算模式设计

根据用户实际管理需求和系统应用现场情况，本系统采用B/S（浏览器/服务器）与C/S（客户机/服务器）混合计算模式。

控制台端需要实时采集生产数据（上线数、下线数、各种质量异常数据等），系统需要通过串口控制各个数据采集设备，服务器和控制台均需要较强的控制、协调能力，因此系统控制台端拟采用C/S计算模式（采用胖客户端模式，数据库服务器放置于A企业机房内，应用程序安装在控制台电脑上）。

企业领导及生产部、车间、质控部有关人员需要实时得到有关制造执行情况的各种报表（如生产进度、生产日报、异常分析报表等），因此后台管理端采用B/S计算；该模式下用户通过内部网络可直接调取有关报表，而无需层层上报汇总，减少中间环节，保证了信息的真实可靠。

3.3 控制台端总体结构设计

系统控制台采用C/S计算模式，应用程序部署于生产线现场的控制台（应用服务器）上；该部分的总体结构如图2所示。

图2 系统控制台端结构图Fig.2 Structure diagram of the console

3.4 后台管理端总体结构设计

后台管理端采用B/S计算模式，总体结构如图3所示，其功能包括生产信息查询、生产订单、质量异常、生产异常和系统管理5个主要模块。

图3 系统后台管理部分结构图Fig.3 Structure diagram of the admin section

4 结束语

文中针对离散型生产车间生产现场实物流与信息流不匹配的问题，以A企业生产车间为实际，经过详细的需求调研和业务流程分析，设计了生产现场数据采集与分析系统。该系统主要采取采用B/S与C/S混合计算模式，分为数据采集与看板显示的控制台端和数据分析的后台管理端，既能使得车间生产人员及时掌握生产进度，提前预警生产异常，防止盲目生产，提高生产效率，又给企业中高层管理人员实时获得有关制造执行情况的各种报表，便于决策管理。

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