面向机械车间的制造执行系统

    制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）是管理和优化从任务投放到完成加工整个生产活动的硬件和软件的集合。它在计划层信息管理的MRP Ⅱ/ERP与制造单元的设备控制系统之间构筑一座信息桥梁，连接企业上层管理与工作地之间过去一直被忽略但却急需解决的信息断层。MES利用当前精确的信息，报告和指导制造单元发生的实际活动，快速响应变化条件，驱动有效的运行和过程，减少非增值活动，改善运行资产的利润、交货期、库存周转和资金运行。

    采用制造执行系统对制造单元的生产管理进行协调，抛弃传统生产系统金字塔式的管理结构和过细、固定的分工方式，实现权利下放、分散管理，提高资源的利用率，解决分布式局部优化和全局优化之间的关系，形成生产过程中线路最短的闭环调节系统，提高制造单元的自主管理能力和企业的应变能力，为企业及时准确地提供生产过程状态信息，解决生产信息集成问题。

1 面向机械车间的制造执行系统模型

    以单件小批为生产特点的机械加工车间是典型的离散类制造车间，其产品品种繁多，工艺变化大，生产计划经常变更，工序级的生产计划编制困难，对车间调度的实时性要求高。针对以上特点，我们对制造执行系统的模型加以改进，使之更适应机械车间的生产特点，如图1所示。其工作流程如下：

图1 面向机械车间的制造执行系统模型

    先由计划层ERP系统根据主生产计划向生产单元下达带有零件名称、数量和基木时间限制的任务单。

    作业计划系统接受任务之后，首先向图库、工艺库和程序库查询相关信息，如果信息缺乏，则向有关系统发出指令要求及时补充所需信息。如向CAPP系统发出零件名称、批量、原料等信息，要求制定相应工艺。CAPP系统根据这些信息通过图档管理系统从数据库中得到该产品的图纸后进行工艺规划，并将规划好的工艺存入工艺资源库，并向数控程序管理系统发出工序信息，要求准备加工程序。数控程序管理系统则根据工序图产生数控程序，并将其存入加工程序库。作业计划系统得到计划编制所需要的全部信息后，做出一组面向工作地的作业计划和资源分配指令。这些作业计划和指令需要在人员、设备、程序、原料等资源条件和交货期、批量、工艺等生产条件的约束下，根据工艺信息，加进工序周转时间、装夹辅助时间等进行优化排序。

    排序完成后的作业计划经过调度员的确认向各个工作地或操作者发出应完成作业任务的电子工票。操作者可以在工作地终端输入自己的用户名和密码，通过电子工票随时察看自己当前应当进行的工作和下载完成这些工作所需要的信息（如图纸、工艺、程序、刀具等），并根据这些信息向刀具管理系统查询、借用需要的刀具，通过数控程序管理系统查询程序用到的工作坐标、刀具种类、刀号、补偿量以及装夹定位坐标等，利用装在本地计算机上的通讯软件将加工程序传输到数控机床的控制系统中，调整机床状态，按要求安装刀具和装夹毛坯，最后完成实际加工。一般来说，不同操作者、不同零件或不同批次都需要一张电子工票。对同一个操作者，作业计划系统可以生成多张电子工票，但操作者在同一时刻只能看到一张当前最优先的电子工票，工票的优先级按要求完成相应作业的时间排序。当操作者完成了当前工票指定的任务后，需进行信息反馈，如：实际完成时间、数量、零件名称、完成者姓名、成品数量、次废品数量、次废品原因、未按时完成的原因等。软件根据计算机系统的时间自动记录，完成者姓名和零件名称也由工票登录时的用户名自动判断。反馈信息后操作者可以看到下一张工票的内容，并可立即进行相应的工作。同时检验员对各操作者反馈的工票进行确认，经过确认的工票被认为是有效反馈信息，送统计系统进行数据统计和分析，统计后生成各种报表数据，包括向ERP系统的上报信息、每个操作者的绩效数据、零件进程单等。

    在生产过程中，利用传感器技术对机床的运行状况进行实时自动采集，如通过检测机床的总电源得到开机时间、关机时间，通过检测主轴和进给系统的运转得到实际加工时间，对于数控机床还可以通过判断程序是否运行得到更为准确的实际加工时间，通过检测主电动机电流的变化可以判断切削用量是否合理等。当然，对于具有网络功能的数控机床，许多数据可通过机床本身带有的网口得到。这些数据通过局域网被自动送入机床数据库，统计、分析这些数据可以得到每台机床的开机率、实际利用率以及历史使用数据等。不仅为作业计划的下一步制定提供必要依据，也为设备的维护、保养提供重要的参考信息。

    对于加工产品的质量，或者由在线检测系统自动将检测的数据送到产品质量管理数据库，或者由检验员将检测的质量数据手工输入系统。质量管理系统将对所检测的有关数据进行统计、分析，给出产品误差的分布、系统误差的变化趋势、随机误差产生的原因等，为及时消除误差，提高产品质量提供必要的依据。

    为了使切削刀具得到充分利用，一般要求设立专门的中央刀具库，由专用刀具管理系统进行管理。通过刀具管理系统可以查询每一把刀的参数、状态、位置以及剩余寿命等信息。避免重复购置、丢失、使用时才发现短缺等情况发生。一般操作者应当根据加工任务向刀具管理员借用所需要的刀具，并在使用完成后归还所借刀具，并反馈刀具使用情况和影响刀具寿命的相关信息，如本刀加工时间、被切工件的材料等。刀具管理系统自动通过这些信息计算刀具的剩余寿命。

2 调度算法设计

    车间作业调度与控制技术是实现生产高效率、高柔性和高可靠性的关键。在研究分析现有调度算法成果的基础上，我们提出了一种有效的动态调度模型及算法——基于优先系数的复合队列交叉法。该算法计算复杂度低，反应灵活，能有效实时地解决系统发生机器故障/修复、急件加工等意外事件发生的问题，能较好地实现调度中的负荷平衡、按时交货、生产周期短等系统目标。

    2.1 算法思想
    基于优先系数的复合队列交叉法首先建立任务队列、设备队列、总体队列三种队列，然后，利用队列间的联系和约束，以总体队列为主线，任务队列、设备队列作参照，完成作业计划与调度。

    优先系数具有下列几个性质：
    满足工序顺序约束：即同一工件的不同工序，工序号小（工艺上要求先加工的工序）的作业必排在工序号大的作业（工艺上要求后加工的工序）前面，优先调度加工。对同一工件的不同工序而言，其交货期限相同，而后继工序总加工时间不同，且随工序号的增大而减小。
    满足交货期要求：对任务量（后继工序总加工时间）相同的作业而言，交货期越早，其交货期限就越短，优先系数就越小，调度优先权越高。
综合考虑多种因素：通常，各项作业的交货期不尽相同，任务量也各不相同，要使各项作业能按时交货，就要综合考虑影响按时交货的各种因素。对于交货期晚的任务，有可能任务量较大，需要加工时间长，不能仅因其交货期晚而晚安排加工；对于交货期早的任务，有可能其任务量小，需要加工时间也短，此时就需优先安排其它急于加工的任务（虽然交货期相对较晚，但任务量相对更大，要实现按期交货则时间比较紧张的那些任务）。应用优先系数既考虑了作业的任务量，又考虑了交货期的要求，它反映了加工交货的紧迫程度。