机械设计及理论硕士论文-制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究.doc

工学硕士学位论文制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究 *2011年3月国内图书分类号: TP391工学硕士学位论文制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究硕 士 研究生：*导 师：*申请学位级别：工学硕士学 科、专 业：机械设计及理论所 在 单 位：机械动力工程学院答 辩 日 期：2011年3月授予学位单位：*Classified Index: TP391The Research of Productive Process Tracking Technology in Manufacture Execution SystermCandidate： *Supervisor： *Academic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Mechanical Design and TheoryDate of Oral Examination： March, 2011University： * *硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究，是本人在导师指导下，在*攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期：2011年03月20日*硕士学位论文使用授权书制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究系本人在*攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归*所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解*关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权*可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密R，在 5 年解密后适用授权书。 不保密 。（请在以上相应方框内打） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日-*工学硕士学位论文制造执行系统中生产过程跟踪技术的研究摘要制造执行系统（Manufacturing Executive System，MES）是企业信息系统集成的关键所在，是连接企业计划管理层和控制层的桥梁。生产过程跟踪是MES的主要功能之一，是整个MES的基础。生产过程跟踪对MES的其他功能模块提供着生产信息支持。本文从离散制造业需求出发，深入分析现有MES中生产跟踪和质量追溯过程中存在的问题，结合目前制造业车间生产信息流程，提出一种制造执行系统中生产过程跟踪方法。针对离散制造业，通过对各类自动识别技术的对比，使用条码自动识别技术作为作为制造执行系统中生产过程跟踪的现场数据收集手段。利用二维条码技术存储信息量大、采集速度快等优点，将二维条码技术与离散制造业生产过程相结合，使二维条码贯穿于整个生产过程中，将生产现场数据及时收集和传递给管理决策层，实现MES中的生产过程跟踪和质量追溯功能。为MES系统提供及时准确的车间生产实时信息反馈。同时使生产现场的各种信息传递更加迅速、即时的反应给管理决策层。基于二维条码技术的制造执行系统生产过程跟踪技术不仅可以对生产过程进行实时监控，并且还可以将生产过程跟踪中获得到的生产现场各种数据信息进行分析和利用，管理决策层可以根据自己的需要对这些信息进行统计和查询，有助于及时发现存在质量问题的生产环节，进而实现产品质量追溯功能。制造执行系统中的生产过程跟踪技术为MES其它功能模块提供数据基础，保证生产过程连续、均衡，最终降低了企业生产成本。关键词 制造执行系统；生产过程跟踪；数据收集 The Research of Productive Process Tracking Technology in Manufacture Execution SystermAbstractManufacturing Executive System is a bridge of Plan Management Tier and Plan execution and control Tier. It is the key to the integration of enterprise information system. One of the primary function of MES is product Tracking, but is can only get the information of number and brand about the products, cant show all aspects of the characteristic of MES and the function of production process Management in MES.The article from the discrete manufacturing needs depth analysis the existing problems of production tracking and quality of the retrospect in the process of MES. Combine the current information of production in the workshop of manufacturing. Propose a method of tracking in the system of MES. For the discrete manufacturing and make comparison of various types of automatic identification technology, use the bar code automatic identification technology to collect the information in the process of production tracking in the MES. Using two-dimensional bar code technology merits of storing large amount of information and gathering speed quickly, this paper combines two-dimensional bar code technology and the production process of discrete manufacturing, and let two-dimensional bar code throughout the entire production process, and makes field data collect and deliver to the management decision-making level timely, finally achieves the functions of the production process tracking and quality traceability in MES. Meanwhile it can to provide timely and accurate real-time information feedback of workshop for MES system and makes a variety of production information feed back to the management decision-making level quickly and timely.The bar code technology of the research of productive process tracking technology in manufacture execution system not only could take real time monitoring but also could analyse and utilize the data information from productive process track. According the inner need manage layer could dispose and inquire the information so that find some potential quality problems in annual ring and achieve the retrospect function on product quality. Following technology in productive process provides data basis for other function modules in manufacture execution system and ensure that the product process could continuing and balance then reduce the cost of production.Keywords MES, product process tracking, date acquisition不要删除行尾的分节符，此行不会被打印-III-目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 国内外研究现状11.2.1 制造执行系统MES研究现状及发展11.2.2 生产过程跟踪研究现状21.2.3 产品质量追溯研究现状31.3 课题研究的目的和意义31.3.1 提出的问题31.3.2 论文研究目的和意义41.4 论文研究内容5第2章 制造执行系统生产过程分析72.1 MES功能分析72.1.1 MES在企业中的定位72.1.2 MES的主要功能82.2 生产过程跟踪的内容92.2.1 生产过程跟踪的内容102.2.2 生产过程跟踪的目的102.2.3 产品质量追溯的内容102.3 需求分析112.3.1 生产流程分析112.3.2 间信息流分析122.3.3 需求分析132.4 本章小结13第3章 生产过程跟踪系统设计143.1 数据采集方式简介143.1.1 传统信息采集方式存在的问题143.1.2 数据采集方式简介143.1.3 条码技术在本方案中的应用优势153.2 系统流程和功能设计173.2.1 系统设计目标173.2.2 系统总体流程183.2.3 系统功能模块结构203.3 硬件环境和数据库设计223.3.1 数据库设计223.3.2 网络环境选择243.3.3 硬件构成253.3.4 方案中的二维条码内容273.4 追溯与统计功能303.4.1 系统追溯查询功能303.4.2 统计功能303.5 本章小节31第4章 系统应用实例324.1 企业背景324.2 生产过程跟踪系统应用324.3 应用效果对比354.4 本章小节36结论37参考文献38附录141附录245攻读学位期间发表的学术论文48致谢49-11 -第1章 绪论1.1 课题研究的背景制造业信息化是我国企业发展壮大、应对全球化竞争的迫切需要。目前，我国制造业信息化技术水平处于初期阶段，尚不能有效支撑制造业参与国际化竞争和在全球资源配置中取得有利地位，制造业信息化主要存在以下问题1. “信息孤岛”现象严重 上个世纪七十年代，传统的离散制造业制造执行系统中出现了数据采集、生产调度、工艺管理等独立的系统。这些彼此缺乏联系的系统相互很有可以达到数据共享，所以导致这些系统中存在数据重复、数据矛盾等问题，这就是信息孤岛现象。这种现象使车间生产信息的共享收到了阻碍，制约着车间内各个系统间的协调与发展，造成制造业整体信息化程度降低。2. 信息断层 随着市场竞争的日益激烈，上层计划管理系统受市场影响越来越严重。企业的决策者逐渐认识到计划的制定和执行受市场需求和生产执行状况的影响日显突出1。由于企业级的业务管理系统无法得到及时准确的生产实际信息和生产现场的真实情况，使得上层制定计划的准确性和可行性难以得到有效的保证。与此同时，由于生产现场人员与设备得不到切实可行的生产计划与指示，使得生产执行系统失去了原有的作用。一方面造成库存量过多，使得车间管理出现混乱以及资金占用过多，延误交货期的现象；另一方面由于人员、设备空闲，出现资源浪费的情况。1.2 国内外研究现状1.2.1 制造执行系统MES研究现状及发展为了解决制造企业中存在的信息孤岛和信息断层问题，制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的概念被提了出来2。国际MES协会MESA(Manufacturing Execution System Association)于1992年正式成立，MESA对制造执行系统MES所下的定义为：“制造执行系统进行信息的传递，能够使得从下订单到完成品间的生产过程最佳化。在进行生产活动时，MES可以提供及时、正确的数据，进行适当的导引、响应及报告，使得生产活动顺利进行。MES可以针对某些生产条件的改变立即做出快速响应，以便于减少不必要的活动，达到更佳有效的生产作业及流程。MES不仅改善了库存周转率、准时交货率、现金流量绩效等，而且能够准确、及时的为企业与供货商之间提供双向沟通所需的生产信息” 3。从目前看来，国内外广大研究者对MES的定义主要达成了一下几点共识首先，MES是企业生产车间与管理决策层密切联系的纽带，它的作用是不可取代的；其次，MES具有实时性，包含了产品从原材料到成品的一切时效数据，有易于企业对产品成型全过程的高效管理；再次，按照国际MES协会的定义，MES共有11个功能模块，包括：生产调度管理模块、人力资源管理模块、数据采集模块、详细生产计划模块、资源配置和状态模块、产品跟踪和产品数据管理模块、生产过程管理模块、质量管理模块、性能分析模块、生产设备管理模块、文档控制模块4, 5；虽然MES比MRP、CAD/CAM等的发展历史要短，但它却是企业实现生产车间管理实时化，健全企业实时化战略不可缺少的高新技术系统。而MES本身具有的全面协调性和实时控制性，使管理层在对企业的竞争性规划与生产的高效控制上实现了全方位的思考，所以短短几年间MES在国外企业的受欢迎程度甚至超过MRP、CAD/CAM等系统6。1.2.2 生产过程跟踪研究现状生产过程跟踪是制造执行系统的主要功能之一，它为整个制造执行系统提供着大量的数据基础。若要发展企业信息化的，就必须发展制造执行系统，所以对生产过程跟踪的研究是必不可少的。国内外诸多学者对生产过程跟踪进行了深入的研究。我过很多学者也对企业信息化背景下的制造执行系统进行了研究，与此同时对生产过程跟踪也进行了研究。从目前的研究状况来看，企业在生产过程中主要针对生产计划的优化管理、在制品的管理、物料的下料管理和物流配送方面研究较多，而对现场生产数据及时采集和产品实时跟踪、产品质量情况统计以反映车间的总体状况方面的研究相对较少7,8。综上所述，目前大多数的研究主要集中在利用产品批次记录来解决产品质量追溯的问题上。综合我国离散制造企业的现状和相关的研究，在产品生产过程跟踪和质量追溯方面主要存在以下四点问题1. 生产现场信息分散、传递速度慢 在生产管理过程中，很多的质量信息分散在各个部门，往往处于孤立的状态，决策层想要收到这些信息需要很长时间，这样就造成了决策信息的延迟，并且无法为改进质量提供及时、准确的信息支持9。2. 缺乏先进的质量过程数据采集工具 国内很多制造型企业仍然采用传统的手工记录数据的方式，不但出错率较高，也影响了数据的真时性，无法及时发现存在的质量问题。3. 质量管理过程中采用的质量管理方法过于落后 目前很多企业还没有建立起相应的质量追溯管理系统进行科学统计和追溯，而只是仅仅依赖于管理人员的经验。4. 产品追溯分析能力不足 产品出现问题后不能准确找到影响质量问题的深层次因素，并且其中很多的数据需要人工处理，效率低下，严重影响了质量追溯的效率和水平10。1.2.3 产品质量追溯研究现状近些年来产品召回事件时有发生，吸引了社会各界的广泛关注，尤其是汽车行业，产品质量追溯事件时有发生。因此产品质量追溯越来越受到企业和广大用户的重视11。目前，一些发达国家已经对出口到其国家的产品进行了严格地跟踪与追溯，并为产品追溯建立了完整的管理信息系统。由于发达国家已在该领域做出可取的成绩，我国于2004年10月1日，国家发展改革委员会、国家海关总署、国家质检总局、国家商务部等共同研究、决策制定了缺陷汽车产品召回管理规定。为了积极响应该项规定，我国汽车制造行业已经对其产品的质量的可追溯性采取积极响应12。专家指出，要健全汽车产品的可追溯性就必须建立该产品的质量信息系统及产品的识别代码系统。产品质量的可追溯性已在ISO9000中被明确指出，通过这项强制规定，不但可以快速及时地找到产品各环节出现的问题与不足，还可以帮助管理决策层及时地做出相应的控制与调整，从而提高产品的合格率及企业的效益，降低总体损失。1.3 课题研究的目的和意义1.3.1 提出的问题离散制造是以零配件加工或组装为主的离散式生产活动，由零件或材料经过多个环节的加工或装配过程，生产出最终的产品。离散制造企业的生产模式往往都是典型的流水线生产为主，以车间为单位，按照工作中心进行成组布置。车间计划调度部门根据客户订单、企业自身生产能力、库存等条件制定相应生产计划，并安排生产车间进行生产。对于离散制造企业来说，生产过程中包含了大量管理所需的生产信息，如何快速、准确地获取上述生产过程中相关的各种数据，并实现与企业所需的管理系统的有效结合是需要进行深入的研究。对于生产过程中的产品跟踪工作，跟踪所获得的重点信息包括：物料信息、工艺信息、设备使用信息、操作人员信息、库存信息等。通过对每个加工物料配备自动识别技术的标签，能够实现在任意时刻跟踪产品的位置和工艺信息，达到获取每个产品的生产过程记录目的，最终为每一个产品建立完整的信息档案。以机械加工为主的离散制造业，在生产过程中的现场信息收集与快传递是生产过程跟踪、生产过程管理和质量追溯的关键技术和核心13。由于制造业生产过程以及产品自身的特点，给生产信息收集工作带来了很大难度，主要表现在以下三个方面1. 在加工过程中，随着物料生产车间、加工工位的不断变化，直到成品入库之前，物料的位置是时刻变化的，因此给物料的生产信息收集工作带来了很大的困难。2. 在加工过程中，由于生产车间工艺复杂，容易造成因操作人员人为的失误产生的产品质量问题。3. 在生产制造过程中，由于生产现场环境复杂，容易引起标签的磨损、污染、脱落现象，降低了识别的可靠性和准确性。正是由于目前物料标识与生产信息收集方面存在的困难，导致生产车间无法为企业管理决策层提供及时、准确的信息反馈。生产现场的生产信息能否及时、快速、准确的传递给管理决策层，已成为MES系统成功与否的关键。1.3.2 论文研究目的和意义我国在对于制造执行系统MES的应用与研究方面还处于起步阶段，企业信息化管理针对的依旧是传统的生产过程。在传统生产管理中，经营管理决策和实际生产过程无法有效和及时地衔接，二者之间缺乏生产信息的沟通。本文针对传统离散制造业MES中存在的问题，深入分析和研究制造执行系统MES的功能和研究现状，发挥条码自动识别技术的优势，提出一种基于条码技术的离散制造业MES的产品跟踪方案。方案中应用二维条码技术解决目前制造执行系统存在的实时采集生产信息的难题，解决了现有人工数据采集方式中存在的效率低、错误率等问题。该生产过程跟踪方案是在MES的基础上，将产品生产过程中的各项信息进行有效地整合，对各生产要素的相关信息进行追溯。方案中对应用二维条码技术所收集的生产数据进行分析处理，快读的完成数据的信息记录和存储，并且将数据采集结果上传到管理决策层，在企业决策层制定生产计划和进行生产调度时给了强有力的数据支持。不仅达到了MES中对物料进行生产过程跟踪的目的，还为整个企业管理提供了大量生产现场的实时信息。本文研究的基于二维条码技术的制造执行系统MES生产过程跟踪技术具有重大的工程意义。应用二维条码技术采集的生产数据进行记录并且保存这些生产信息，以这些信息为基础建立唯一的产品档案，可以有效的实现产品追溯功能。基于这种可追溯性可以甄别出来使用过有缺陷元器件的产品，从而可以帮助客户在发现存在不良产品的时候，最大可能地降低召回的产品数量，以降低缺陷带来的损失。通过二维条码技术在生产跟踪中的应用，对生产过程中的加工工位信息、状态信息、实物数量、质量数据以及生产过程相关的人员、设备等信息进行实时采集，全面掌握制造现场生产状况、生产进度等信息。实现对产品生产过程跟踪与管理，为制造执行系统提供及时准确的车间生产实时信息反馈。降低库存量，加速资金周转，保证生产过程连续、均衡，最终降低企业生产成本。从而提升企业在质量管理、车间作业调度以及管理决策层控制能力等方面的能力。据统计，MES的应用给国外企业带来经济效益是无与伦比的，必将为管理界带来又一次历史性的革命。总而言之，基于MES的可追溯性系统能够给企业带来巨大的经济价值，未来的应用前景也是不可估量的。1.4 论文研究内容本论文深入分析和研究传统离散制造业制造执行系统中关于生产过程跟踪与产品质量追溯发展现状及存在的问题。将现有自动识别技术进行分析和对比，提出将条码技术应用于MES中进行现场数据的收集和传递。提出了一种基于条码技的制造执行系统MES生产过程跟踪方案，方案中应用条码技术动态的获取生产过程信息，并详细记录生产过程中产品信息的变化情况。本论文共分为四章第一章 介绍了本论文的研究目的、研究意义以及论文主要研究内容，阐述了制造执行系统的国内外研究现状，以及制造执行系统MES中生产跟踪和质量追溯的研究现状。第二章 提出了现有MES存在的问题，并对MES中的生产跟踪的目的、研究内容进行深入分析。还对现有数据采集方式进行对比，选择条码自动识别技术作为本方案的数据采集手段。最后对现有离散制造业车间的信息流程进行研究。第三章 提出基于条码技术的制造执行系统MES生产跟踪方案，对离散制造业生产跟踪进行需求分析。论述方案的设计目的，方案实施的具体流程和方案的具体功能。对一维条码和二维条码技术进行对比，分析得出适合于本方案的二维QR码。并且对数据库进行设计。第四章 以一离散制造企业为背景，展示本方案的应用运行实例，并且对企业应用本系统前后进行对比。证明了本系统的可行性。第2章 制造执行系统生产过程分析2.1 MES功能分析2.1.1 MES在企业中的定位制造执行系统MES是介于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，是为了解决计划系统与控制系统之间的信息交流而存在的14,15。制造执行系统在计划管理层与控制层之间起到了很好的联系作用，填补了计划层与控制层中间的空白。AMR于上世纪90年代提出的企业集成模型非常清晰的描述了制造执行系统MES在企业系统中的位置，如图2-1所示。图2-1 AMR的企业三层集成模型Fig.2-1 Three integration model of business in the AMR1. 计划层 起到制定生产计划的作用。是为企业决策层提供决策运行手段的平台，负责生产计划制定、财务管理等工作，侧重于企业生产组织、经营决策等。2. 执行层 主要作用是优化运行、优化控制、优化管理。作为生产数据处理平台，具有生产调度、物料跟踪、生产过程资源配置管理、质量管理以及生产过程数据采集等功能。3. 控制层 有效地对生产工艺过程进行高精度控制，包括过程控制、设备控制、PLC控制等，其主要功能是控制设备生产完成所需的工艺要求16。2.1.2 MES的主要功能企业可以通过制造执行系统将企业内计划部的最新计划及时传递到生产车间，再根据车间里记录的所有的相关信息实现高效、低成本的生产。MES作为一个功能齐全的新型高科管理系统容纳了包括车间物料流动位置、产品订单、产品加工实时数据、产品质量控制、设备性能评估数据、库存数据管理以及人力资源信息管理等在内的一切车间管理信息。因此，车间可以很方便的利用MES的这项实时、准确、全面的信息库及时地向企业决策层提供准确的车间动态信息17。同时，企业决策层也可以及时了解和掌握企业正在发生的生产状况及存在的问题，并及时作出应对措施。由于MES本身具有的优势，国际MES协会（MESA）给出了记录MES的主要的功能模型，如图2-2所示。图2-2 MES功能模型 Fig.2-2 The function modle of MES资源分配和状态管理 对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具(如刀具、夹具、量具等)、物料、工人等其他生产能力实体以及开始进行加工时必须具备的文档(工艺文件、数控设备的数控加工程序等)和资源详细历史数据，对资源的管理还包括为满足生产计划的要求而对资源所作的预留和调度；人力资源管理 提供按分钟数量级更新的员工状态信息数据(工时，出勤情况等)，根据人员工作模式以及业务需求的变化，指导人员的工作和提供人员的有关状态；生产质量管理 根据工程目标来实时记录、跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题，对制造过程中的采集信息进行分析，实现产品质量的控制；设备维护管理 跟踪和指导企业维护生产设备以保证制造过程的顺利进行，并产生除报警外的阶段性、周期性和预防性的维护计划，也提供对直接需要维护的问题进行响应，以保证他们的可用状态以实现企业的执行目标；生产过程追踪 通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性；生产调度管理 以作业、订单、批量以及工作订单等形式管理和控制生产单元中的物料流和信息流。生产调度能够调整车间规定的生产作业计划，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制每一点的在制品数量；现场数据采集 提供生产数据与产品参数的信息采集平台，监视、收集和组织来自人员、机器和底层控制操作数据以及工序和物料信息，这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取；文档控制 管理和分发与产品、工艺规程、设计或工作令有关的信息，同时也收集与工作和环境有关的标准信息，以及对生产历史数据的存储与维护；级详细生产计划管理 负责生成操作计划，即详细生产计划，提供指定生产单元相关的优先级、属性、特征、方法等的作业排序功能。其目的要安排一个合理的工序以最大限度地压缩生产过程中的辅助时间，这个计划于有限能力的生产执行计划；生产过程管理 根据计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程，监控生产过程，自动修正生产中的错误，提高加工效率和质量，或者向用户提供纠正错误并提高制造行为的决策支持；性能分析 能提供实时更新的实际制造过程的结果报告，并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进行比较，其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高18； 2.2 生产过程跟踪的内容 通过对MES的主要功能的分析，以及生产跟踪模块对MES整体功能的作用，本文对MES中的生产过程追踪模块进行研究19。生产过程跟踪的实质是随时获取物料的生产过程信息，获取生产信息的前提是对产品的制造过程进行跟踪和监控，并将生产信息收集存储后快速的传递给企业管理层与决策层。2.2.1 生产过程跟踪的内容MES中的生产跟踪模块是整个制造执行系统的基础，对其他功能模块提供生产现场的各项数据。生产跟踪模块提供全流程的实时信息，包括从产品原材料到生产工艺再到库存等各个生产环节。生产过程跟踪指自生产计划生成后，对每个产品进行的完整的生产过程跟踪，直到产品加工完成并且入库20。生产过程跟踪所面向的跟踪目标主要是产品的生产车间、生产工艺、生产工序、加工人员信息、起始加工时间、原材料信息、入库时间、质量检测结果等。生产过程跟踪将有关产品工艺、生产设备、操作人员等各方面的信息进行了全面的串联和记录。2.2.2 生产过程跟踪的目的作为MES的主要功能，生产过程跟踪不是仅仅对生产线上的产品产量进行统计，而是要获得全面、系统的生产数据，其中包括：工艺信息、人员信息、设备信息、原材信息等等。并且还要对这些信息进行深层次的分析和利用，才可以有效的解决MES的局限性的问题。由于产品生产过程中形态不断改变，信息在不断的增加，这就要求我们要以动态的思想去进行生产跟踪。在企业生产制造过程中，在制品的加工过程中的工位信息、状态信息、质量数据以及生产过程相关的人员、设备等信息都是在随时变化的，实时的掌握生产现场动态生产状况，对产品进行生产跟踪，其目的在于通过有效的数据采集手段，实现对在制品的跟踪与管理，为MES系统提供及时准确的车间生产实时信息反馈。2.2.3 产品质量追溯的内容如果说生产过程跟踪是收集所需的各种生产信息，那么产品质量追溯的任务就是将这些信息加以利用。产品质量追溯将生产过程跟踪中所获得的产品生产过程中的人员、设备、原材料、加工工艺等信息，进行快速、准确的查询。这些信息可以完整展现产品生产流程，企业管理者可以通过产品质量追溯来查询产品的历史信息，其中包括任意产品的生产时间、生产流程、加工工艺、质量检测结果等21。产品质量追溯主要面向企业管理层人员，利用产品生产过程跟踪中获得的生产信息，可以查询到每个产品历史信息档案。产品质量追溯对于企业决策层进行生产调度和制定生产计划、加强生产过程管理、及时发现质量问题、优化生产流程具有重要意义。2.3 需求分析需求分析是整个方案设计过程中的重要环节。为了本方案的顺利设计和实施，现在对整个生产流程和信息流程进行全面的需求分析。2.3.1 生产流程分析针对离散制造业机械加工车间一般的生产过程主要经过以下几个步骤：产品订单、作业计划制订、生产任务下发、零件设计、零件加工、库存管理。如图2-3所示。图2-3 生产流程模型图Fig.2-3 Process chart of production 图2-3中所示的生产流程中主要涉及到的管理活动主要包括设备管理、人员管理、质量管理文档维护工作等。离散制造业产品生产过程相对较复杂，其特点主要有1. 车间现场数据复杂 离散制造业生产过程中涉及到的图纸、人员、技术要求等信息众多，例如零件图、装配图、工艺信息卡等各种生产必备信息。很多企业内部目前是通过人工记录的纸质文件来完成数据统计和上报工作的，在生产过程中各级人员需要按时填写生产进度信息、质量信息等相关报表。由于人工记录数据操作时间长、错误率高，所以就造成了生产信息向决策层进行反馈不及时的现象22；2. 纸质文档易污损 由于生产现场环境较差，多数纸质文档容易受到污损，导致操作工人看错图纸尺寸时有发生，这样就会造成合格率下降，影响生产效率；3. 生产过程动态多变 在一般的机械加工车间中，生产系统都属于离散制造动态系统，在生产过程中，由于生产车间的不确定性，并导致一些异常事件的发生23。4. 物料管理困难 生产过程中的原材料、半成品、成品的制造周期长短不一，在制品的加工工艺路线复杂多样，造成对物料的管理较为困难，而且由于在制品在生产过程中位置处于不断流动变化的状态，其存放点分布广，流动性大。所以如何及时、准确的记录在制品的变化信息，成为在制品管理中的一个难点。2.3.2 间信息流分析离散制造业中各生产部门之间需要进行信息交流，但是目前的交流方式都是以电话和人工传递为主，有少量计算机辅助功能。车间各部门在信息化进程中正处于一个孤立的状态。目前，制造业中大量生产车间的信息存储和传递依然采用纸质文档的形式，如单据、表格、通知等。极大地影响了信息内容和信息获取效率，车间工作人员很长时间要浪费在翻查文本的过程中，尤其是在各部门信息汇总时，信息的收集更为复杂24。信息的价值就在于它的快速流动和共享，滞后的信息价值大大降低。采用落后的信息获取手段和信息传递方式已无法满足现有的生产制造企业管理需要。实际生产中，制造车间产生的各种信息数量庞大，车间管理决策层无法及时、准确的获取所需信息25。基于这种信息管理现状，导致很多不良后果1. 管理人员工作效率低，决策滞后且缺乏准确性 由于信息获取速度慢，工作人员在工作时间内需要进行大量生产信息收集以及上报工作，极大地降低了管理层人员的工作效率，导致决策层获取信息严重滞后，而且信息缺乏准确性26。2. 部门之间协调性差 机械加工生产的特点决定了企业内部各个部门都必须围绕生产紧密配合，形成高效的协作体系。对于各部门而言，这种相互之间的协作关系是靠部门之间进行信息交流而完成。3. 无法获取物料加工信息 由于生产现场信息不够准确，信息的传递速度较慢，导致生产现场管理混乱，决策者得到的信息往往无法真实的反映当时的生产能力，更无法得知物料所在的具体位置，以及正在进行的加工工序。2.3.3 需求分析本方案面向离散制造业用户设计，离散制造业对生产过程跟踪管理的需求主要体现在生产过程的跟踪、实时生产进度、产品信息追溯查询三方面1. 生产过程跟踪需求 生产过程跟踪指根据生产计划从原材料入库开始跟踪每个原材料完整的生产过程，直到最终完成加工后成品入库27。跟踪的内容包括了每个产品所经过的工序、生产时间、工艺信息、技术要求、加工设备状态、工艺质量检测等信息，整个跟踪过程不光记录这些信息，还对这些信息进行存储。并且还对这些信息进行统计和查询，管理员能根据产品编号、名称和生产日期等条件查询出产品的详细的产品信息。2. 实时进度查询的需求 大部分制造业车间都需要对生产信息进行及时的掌握，力求做到第一时间掌握生产进度，所以就需要及时的掌握每个车间的每一条生产线上的生产进度状况。企业生产进度以产品加工完成、未完成、加工中三种状态的形式反映给用户，让管理层人员可以有效地掌握产品的生产进度，为生产调度和制定生产计划提供准确的信息作为参考。用户可以通过各种条件查询生产进度以及人员、设备工作情况。3. 产品追溯的需求 利用生产过程跟踪过程中所获得的产品生产过程中的各项生产数据信息，可以全面的实现产品追溯。用户可以查询过去某个时间段所生产的产品数量、名称等信息。还可查询任何一个零件过去某段时间内的工艺路线、技术要求等信息，设备信息、质检状态等数据。2.4 本章小结本章中提出了制造执行系统MES中存在的问题，还对对制造执行系统MES中的生产跟踪和质量锥度的内容进行深入分析，结合现有数据采集方式的优势，选择条码自动识别技术作为本方案的数据采集手段。最后对现有离散制造业车间的生产过程以及信息流程进行研究，为下一章中方案的功能设计奠定基础。第3章 生产过程跟踪系统设计3.1 数据采集方式简介3.1.1 传统信息采集方式存在的问题对离散制造业生产车间内产品生产过程中进行数据收集的目的是及时掌握车间的实时生产状况。如今多数生产过程中的数据采集工作采用的是生产车间由专人在车间巡视并手工记录的方式获得的车间大致生产信息，并且有专人每天定时向上一管理层汇报所收集到的现场生产信息28,29。这种信息获取方式复杂繁琐，有以下几个缺点1. 速度慢 手工方式输入数据的方式输入速度慢，不能满足实际工作的需要。输入时间长，导致车间数据严重滞后，造成统计数据在时序上混乱，都给工作带来了极大的影响。2. 可靠性低 人工手动输入数据的方式错误率高，使得无法进行整体的数据分析进而无法给管理决策提供真实、可靠的现场数据依据。3. 及时性差 人工手动输入数据的记录方式统计过程复杂、缓慢，造成信息延迟。当生产调度或生产管理层看到所上报的生产现场信息时，现场情况已经发生变化，造成生产调度和管理人员对生产数据掌握不准确，不能合理的制定生产计划。为了解决上述问题，实现生产车间现场大量生产数据的实时、快速、准确的采集，必须使用现代化的数据采集方式，最好的采集方式是能够实现操作人员、加工设备、生产流程等信息及时、准确的上传到管理层人员手中。MES中数据采集的目的，归根到底就是用一种及时、快速、准确地获得信息的有效手段，获得生产车间现场的各种信息，以解决由于人工输入数据输入速度慢、错误率高等造成的信息采集方面的“瓶颈”难题30。3.1.2 数据采集方式简介随着计算机及传感器等高新技术的不断进步和自动识别技术自身的研究向着深度与广度发展，推动了自动识别技术向着多功能、小型化、软硬件并举、识别准确、传递快速、安全可靠且经济适用等方向发展。常用的的自动识别技术主要有：条码识别、射频识别、光学OCR识别、磁卡识别等，下面就几种自动识别技术优缺点进行对比31，如下表3-1所示。表3-1自动识别技术对比表Table3-1 The correlation table auto identification项目名称条码键盘OCR词条（卡）射频输入12位数据速度0.3-2秒6秒4秒0.3-2秒0.3-0.5秒误读率1/150001/1000000001/3001/10000印刷密度最大20字符/英寸10-12字符/英寸48字符/英寸4-8000字符印刷面积长宽（15mm4mm）2.5mm高6.4mm高直径长（432mm）至纵横（5486mm）基材价格低无低中高扫描器价格低无高中高3.1.3 条码技术在本方案中的应用优势 条码技术作为一种新型的自动识别技术，是多种高新技术结合的产物，经过近年来的研究和应用现在已发展的较为成熟。将条码自动识别技术作为MES的信息收集手段有着很大的优势。在信息输入方面，条码作为一种图形识别技术与其他的识别技术相比有如下特点321. 操作简单 条码符号简单易懂，扫描操作简单易行。2. 信息采集速度快 普通人工键盘录入数据的速度是200字/分钟，应用条码扫描技术录入信息的速度大概是4000字/分钟。3. 可靠性高 采用条码识别技术方式录入信息，错误率仅为1/1000000，首读率可以达到98%以上。4. 灵活、实用 条码识别技术可以单独使用，也可以和其它设备结合使用，组成灵活、实用的自动识别系统。5. 设备成本低 与其它自动化识别技术相比，条码识别设备操作简单、购买费用较低。将条码技术应用到MES中的生产过程信息跟踪中，可以有效的解决了MES中对物料加工过程、人员、设备、生产时间等重要数据的实时采集问题。在条码自动识别技术中条码标签分为两种，一种是一维条码标签另一种是二维条码，两种条码标签如图3-6所示： a）一维条码 b）二维条码 a）One dimension barcode b）Two dimension barcode图3-6 一维条码和二维条码图Fig.3-6 One dimension barcode and two dimensioncode二维条码是一种既经济又实用的新型自动识别技术，除了具有一维条码也具备的优点外，同时还具有很多优点，如1. 准确率高 二维条码采用的纠错方法与一维条码相比在信息识别与存储上具有更高的准确率； 2. 容量大 二维条码的容量是一维条码的几十到几百倍；3. 可表示图像数据 二维条码可以用字节数据表示一维条码不能表示的图像数据，如照片、指纹等；4. 对文字识别具有灵活性 二维条码针对不同语言文字信息有其独特的转换方式，即将其转化成同一表达方法同一字节流的形式进行输出；5. 具有加密性 二维条码还具有加密功能，有效地对条码标签内的信息进了保护33；我国对二维条码的研究开始于1993年。目前，二维条码技术已在我国的汽车行业自动化生产线、珠宝玉石管理、医疗急救服务卡、高速公路收费管理上得到了应用。2010年初，我国铁道部在为了遏制倒卖假火车票的现象，将二维条码应用到火车票购买系统中，将原火车票上打印的一维条码改成了二维条码。这也是因为二维条码技术的储存量大、保密性高、追踪性高、抗磨损性强、成本低等特点。售票人员将相应的票务信息（如车次、价格、车次等）利用二维码制码软件加密后制成二维条码，将其打印在客票的票面上。检票人员则通过二维条码识读设备进行识读。从而有利于铁路部门发现假票、倒票等不法行为，并予以打击34。3.2 系统流程和功能设计3.2.1 系统设计目标根据上一章对离散制造业产品生产流程分析以及生产车间数据采集方面存在的问题分析，综合条码技术的优势，本文提出一种基于二维条码技术的制造集成系统生产过程跟踪方案，方案为每个工件配备唯一的含有工件信息的条码标签