智能涂装 MES系统软件分析与设计

廉迎战 向德志 罗声权 田宏鑫

摘要：涂装智能化制造系统（MES）作为一种自动控制执行系统是智能工厂构建过程中不可或缺的技术之一，可有效地强化过程管理和控制，达到精细化管理目的。随着涂装生产模式的转变及智能化涂装的推进，使得 MES软件的重要性日益增加。以涂装智能化制造系统软件的应用及功能为基础进行研究，分析涂装 MES系统的整体结构和网络构建方案，对计划排程、智能监控、设备监控等系统功能模块进行了详细阐述，为完善涂装企业数字化设计能力，实现产品和制造过程的标准化和自动化提供参考。

关键词：涂装;智能化;MES系统软件

中图分类号：TP273             文献标志码：A        文章编号：1009-9492（2021）12-0162-05

Analysis and Design of Intelligent Coating MES System Software Lian Yingzhan1，Xiang Dezhi2，Luo Shengquan1，Tian Hongxin1

（1. Automation College， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As an automatic control execution system， coating intelligent manufacturing system （MES） is one of the indispensable technologies in the construction of intelligent factory. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of fine management. It can effectively strengthen process management and control and achieve the purpose of refined management. With the transformation of coating production mode and the advancement of intelligent coating， the importance of coating intelligent manufacturing system （MES） software is increasing. Based on the application and function of coating intelligent manufacturing system software， the overall structure and network construction scheme of coating MES system were analyzed， and the system functional modules such as planning and scheduling， intelligent monitoring and equipment monitoring were described in detail， which a reference was provided for improving the digital design ability of coating enterprises and realizing the standardization and automation of products and manufacturing process.

Key words： painting; intelligence; MES system software

0 引言

针对汽车行业、装备制造业、五金制品业等传统行业性的装备涂装生产过程、品质管理及设备管理等需求，利用机器人、工业互联网、云计算、大数据等新技术，构建精准、实时、高效的涂装智能数字化工厂[1-2]，实现生产線上机器、物料、系统、产品、人等参与主体各类要素信息的泛在感知、互联互通、云端汇聚等功能，加快企业生产过程的高效管控、智能分析和科学决策，推动企业智能、高效、优质、低耗、绿色、安全的制造和服务。把先进制造企业的信息化、自动化制造管理模式，使得企业生产与企业实际接轨，提升生产智能化水平。总体目标就是在设备联网+远程数据采集的基础上，实现智能化的生产过程管理与控制，打造适合中国国情的涂装智能数字工厂。

构建智能工厂的基础及核心为信息化及自动化管理，通过 MES制造执行系统、ERP 资源计划系统、WMS仓储系统以及智能化自动化等设备的互联互通、高效协同实现[3-4]。作为涂装智能数字化工厂制造平台的重要组成部分——涂装智能化制造系统（EMS）软件融合 PLM （产品全生命周期数据管理平台）的智能化设计制造平台的搭建，完善涂装企业数字化设计能力，利用涂装产品全生命周期数据平台，实现产品和制造过程的标准化和自动化，解决涂装产品数字化设计制造与 ERP 等其他企业信息系统的整合应用。

1 网络构建方案

网络构建可分为管理端、现场端两部分，为保障生产线的正常运行以及提高系统的可靠性、可用性和扩展性，采用分布式方式部署，将数据分散部署在多台独立的设备上[5]。如图1所示。

管理端 PC Server主要用于部署 MES数据库、管理端应用，同时对于管理端维护的基础数据、生产计划内容，可以自动同步到现场端，管理端采用 B/S架构，支撑联网用户对业务数据进行处理，同时将现场采集的数据实时展示。

现场端 PC Server主要用于部署 MES客户端数据库、客户端应用，用于现场客户端的管理，一方面负责同步管理端的计划、基础数据，同时连接生产线，进行数据实时采集，并进行数据转换、打包之后同步至管理端。

涂装 MES系统软件服务器部署及网络构建如图1所示，为保证生产现场的稳定性，如果管理端出现异常或网络问题，现场端支持单独运行，比如生产计划支持现场端的维护和调整，并保证数据的采集，待管理端恢复正常后，再将数据同步到管理端。

管理端、現场端的网段划分根据现场实际情况进行配置。

2 涂装 MES系统结构

引用先进的现代化车间布局方式，在企业智能设备上安装网络设备，利用网络技术将车间与生产、管理系统连接起来，打破信息孤岛。在车间内使用先进的无纸化工厂管理模式，实现企业设备、生产、管理、市场等数据资源共享[5]。涂装 MES系统结构如图2所示。通过涂装智能化制造系统软件 DNC连接现场各自动化设备、统一协调生产流程，同时支持智能终端、平板、电视大屏等设备显示。

3 涂装 MES系统软件功能

涂装 MES系统具有比较完整系统架构和功能布局，同时模块之间又可以通过权限、角色的配置，允许单模块独立使用，具有较为灵活配置的特点。项目过程中可以结合业务管控的范围和实际情况，选择匹配的功能模块[6]。

涂装 MES系统包括10个功能模块：基础建模、计划排程、设备管理、质量管理、人员管理、现场管理、数据采集、监控分析、系统管理。以下对系统功能模块简要介绍。

（1） 基础建模

系统提供物理建模、制程建模，将物理世界进行数字化，支持后续的业务控制，权限区分，监控/报表分层等。可以结合组织架构实际进行定义：集团、分子公司、工厂、车间、生产线、工段、工位等。可以结合产品的工艺流程进行定义：产品、BOM、关键物料、组成关系、图片及特性等。实现物理组织架构、生产线与产品工艺流程的关联，支持后续的现场监控分析，业务关联处理等。

（2） 计划排程

既可以独立运行，又可以与外围管理系统进行集成接口[7]。计划排程具备工单管理、排程引擎、指令下发、例外管理等业务管控功能。计划引擎的计算因子可以结合实际管理需要，进行增补和调整，具有较强的适应性。排程结果可以按照不同的颗粒度体现，比如可以按照批次、经济批量，也可以按照单件管理。同时对于排程的结果进行可视化体现。排程结果可以依照规则与设备层实现集成互动，能够自动将生产指令下发至设备层，并且结合管控需求设置不同的状态，并根据约束进行锁定等。实时采集过程数据，实现产品过站、出站等管理。

（3） 设备管理

设备清单及明细管理，位置关联等。可实现设备的集成连线、数据采集、信号交互及过程控制。设备状态、通讯等信息采集，预防性维护建议，现场的设备 Andon提报等。设备运行效率及数据统计分析。

（4） 质量管理

结合设备条件的过程质量控制。过程质量数据的采集、转换和运算，提供基本的分析图示和原始数据。质量数据的自动归档，溯源查询和检索。自定义报告或分析报表。

（5）现场管理

现场管理的内容可结合实际需要，支持客户端二次开发与调整，快速适应。客户端可支撑实时读取数据显示、图片调用、文字体现，并可以按照频率、事件等自动刷新，确保展示内容的有效性。

（6）数据采集

数据采集的可配置架构，支持快速的配置和扩展。多种采集方式组合，满足现场业务管控需要。设备集成的代码配置，数据采集的转换、比率缩放、含义等，满足用户识别，方便可读性。数据采集展示内容可自定义配置等。

（7） 监控分析

系统可视化配置功能、报表工具等满足监控和分析需要。支持与监控设备集成，满足 LED、LCD、拼接电视等相关集成，实现可视化展示。

（8） 系统管理

系统具有较为完整基本系统管理功能和系统安全策略，3个层面的设计：用户/终端安全、访问控制、系统/数据安全。具有系统基础管理功能，包括用户、权限、菜单角色、工作流、单据配置等[8]。

4 涂装 MES系统部分软件界面

4.1 计划排程软件界面

系统可根据订单及相关的工艺 BOM、工艺路线制定生产计划。选择“自动排产”后，系统会自动带出订单信息中的“开始时间”和“要求完成时间”，系统根据订单时间以及每道工序的工时，按底层零件、首道工序优先排产原则，自动计算出每个零件每道工序的开工日期和完工日期，如图3所示。生产人员可根据需求，对生产计划进行批量修改或是撤销重排。生产计划制定后，可以对生产计划做一些状态的管控，生产计划审核之后，才可以发布，生产计划发布之后，才可以根据生产计划进行派工。

4.2 智能监控界面

车间监控软件对车间内的所有设备进行实时监控，并将监控数据传输到设备管理页面[9]。设备管理系统对车间内各设备的运行状态进行实时展示。监控软件根据 RFID 实时数据，控制输送带、机器人、AGV 小车、机床、加工中心等持续运转，如图4所示。车间监控软件实时显示以下内容。

（1） AGV小车数据：位置信息、运转状态信息、报警信号等。

（2） 机器人数据：工作状态、运转状态信息、报警信号等。

（3） 机床及加工中心：实时信息、报警信号、当前程序号、NC加工进度等，其他信息详见机床监控页面。

（4） 仓库传输带：运转状态、报警信号等。

4.3 设备监控界面

设备监控软件对设备进行实时监控，并将监控数据传输到设备管理系统。设备管理系统不仅可以监控设备的运行数据，还可以根据生产工艺，从文档发放系统获得 NC 代码，再将加工数据传输至机床或加工中心。

监控数据包括每台设备的开机、待机、报警、关机设备数量[10]，并计算统计设备开动率。可以查看设备实时数据及当天的开关机状态、工作曲线，包括转速、负载和进给参数。如图5所示。

4.4 设备数据采集界面

硬件采集机床是以传感器+数据采集模块的方式对机床的生产加工信息进行采集[11-12]。所采集的信息受到传感器的限制，不如网卡采集机床那么多。硬件采集主要可以采集开关机时间、主轴负荷、机床待机、加工状态、三色灯状态等，根据设备与采集硬件，采集信息与界面有所不同。如图6所示。

4.5 统计图表

设备统计图表有助于更直观、更清晰地展现设备运行状况，有助于设备数据的分析。系统支持按时间段统计设备开机率和利用率。在设备树上选中设备，设定开始时间和结束时间，可查询设备在该时间段内的开机时间、关机时间、加工时间、待机时间，系统同时计算开机率、利用率，并以饼图或图表的形式显示。如图7所示。

5 结束语

随着涂装车间自动化、数字化、智能化的进一步发展以及产业转型升级发展的需求，涂装智能工厂的实现已经成为工业生产的重要发展方向。涂装 MES系统软件作为涂装智能工厂发展过程中极为重要的一部分，将在实现管理端到现场端纵向贯通，从计划调度管理到现场设备层的互联互通以及建立支撑多公司、多组织、多工厂的数字化模型等方面发挥重要的作用[13-14]。为实现这一目标，需要充分考虑涂装生产实践过程中的需求，尽可能完善涂装 EMS系统软件的功能，软件整体进行合理的分析与设计。

参考文献：

[1]于泽淼，李文刚，郭鑫，等.涂装车间自动化、数字化、智能化新技术[J].汽车工艺与材料，2020（12）：25-28.

[2]周清，朱苏，陈立男.涂装工艺设计软件系统概述[C]//中国造船工程学会，2014.

[3]武迪，王妮，张文雯.基于 MES系统的智能工厂研究应用[J].中国设备工程， 2021（6）：26-27.

[4]沈文轩，毛亮，陈维杰，等.涂装智能车间模式[J].造船技术，2020（3）：69-73.

[5]杨静，刘博伦.汽车涂装参数管理信息化控制系统智能化改造[J].现代涂料与涂装，2020，23（8）：66-69.

[6]段彬，史海波.可配置的 MES软件系统权限控制方法[J].制造业自动化，2013，35（6）：12.

[7]张弛.汽车制造行业中的 MES设计[D].长春：吉林大学，2014.

[8]宋鹏程，马春阳.基于 MES模式的车身涂装一体化课堂教学设计——以中涂底漆施工中喷枪的调整与测试为例[J].汽车维护与修理，2021（2）：11-13.

[9]范彪，张永军，时明亮.智能化涂装车间的探索与设计[J].现代涂料与涂装，2015，18（1）：67-68.

[10]徐超，周宏，刘建峰.涂装智能化设计的工程定义及应用研究[J].船舶标准化与质量，2020（4）：22-26.

[11]何建兰，罗文平.汽车涂装车间设备环网稳定性问题研究[J].现代涂料与涂装，2020，23（12）：55-58.

[12]邱胜苗，李鹏，胡飞，等.浅谈汽车涂装智能制造的质量管理策划和实施[J].汽车实用技术，2019（20）：170-172.

[13]陈凤鸣，严哲.船舶分段生产 MES系统的实现与应用[J].微型电脑应用，2014，30（8）：44-48.

[14]王嘉庆.AVI与 MES结合在汽车涂装车间的应用[J].汽车工艺与材料，2015（8）：69-72.

第一作者简介：廉迎战（1963-），男，硕士，副教授，研究領域为控制科学与工程，已发表论文23篇。

（编辑：刁少华）