智能制造生产管理与控制（中级）课件 项目七　 智能制造系统生产管控

智能制造生产管理与控制产品BOM分析产品BOM在企业中存在的意义在制造业中，BOM是核心的基础数据，是产品数字化定义的重要内容，是连接企业产品工程设计和生产经营管理的桥梁。在产品全生命周期的不同阶段面对不同的生产部门，存在多种不同意义和用途的BOM视图，因此，保证这些BOM数据的完整性、正确性和一致性具有重要的意义。生产使用BOM来决定零件或最终产品的制造方法，决定领取的物料清单。产品成本核算部门利用BOM中每个自制件或外购件的当前成本来确定最终产品的成本和对产品成本维护，有利于公司业务的报价与成本分析。它利用BOM决定主生产计划项目时，动态确定物料净需求量，知道需求哪些自制件和外购件，需求多少，何时需要，标准用料与实际用料的差异分析。销售部门通过Internet访问数据源，可以方便报价，提供准确的零件设计信息与追踪制造流程等自助服务，客户还可以自己下定单购买备件。通过BOM的信息，还可以方便的考核各部门的业绩，抽取信息进行统计与分析。关节产品

本项目需要加工生产的产品为关节产品，对提供关节产品的图纸进行分析，产品包含四个零件：输出法兰、减速器、电机成品和关节基座。其中输出法兰零件、减速器零件以及电机成品零件交予外协，由外协负责加工生产，关节基座零件由汇博智能制造系统通过加工关节基座毛坯而成。关节产品BOM分析BOM是产品结构的技术性描述文件，它表明了产品组件、子件、零件直到原材料之间的结构关系，以及每个组装件所需要的各下属部件的数量。物料清单是一种树型结构，称为产品结构树，以关节产品为例，具体表现形式如下图所示。关节产品EBOM分析EBOM主要是设计部门产生的数据，产品设计人员根据客户订单或者设计要求进行产品设计，生成包括产品名称、产品结构、明细表、汇总表、产品使用说明书、装箱清单等信息，这些信息是工艺、制造等后续部门的其它应用系统所需产品数据的基础。在汇博智能制造MES系统的EBOM选项中，需要添加产品信息和配件信息，产品名称为关节，其配件包含基座、电机、减速器和法兰。关节产品PBOM分析PBOM是工艺设计部门以EBOM中的数据为依据，制定工艺计划、工序信息、生成计划BOM的数据。

在汇博智能制造MES系统的PBOM选项中，需要添加自制基座零件的工艺信息。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制设备管理MES系统设备管理模块设备是制造企业进行生产的主要物质技术基础，制造企业的生产率、产品质量、生产成本都与设备直接相关，因此MES系统中的设备管理就显得尤为重要。设备管理是以设备为核心，应用一系列系统的理论与方法，通过一系列技术等手段对设备进行全生命周期的综合管理，使设备的费效比达到最佳的程度，综合效益达到最大化。设备台账管理设备点检管理设备保养管理设备维修管理设备备品备件管理系统环境介绍基于数字双胞胎理念，构建机构数字孪生体，采用虚实结合和数据驱动模型的方式，真实的控制系统上进行操作和编程，驱动虚拟模型的运动和交互，实现关节产品的加工和装配。设备情况在汇博智能制造MES系统中，提供设备管理。设备配置界面可以添加/删除设备，添加的设备有仓库类、车削类、铣削类、测量类、机器人类和火花类，不同类对应智能制造系统中不同的设备。MES设备管理在汇博智能制造MES系统中，MES中的配置的设备应与平台中用到的硬件设备保持一致。下表为本项目所用到的设备情况及设备参数，本项目使用了工业机器人设备、加工中心设备、检测相机设备及三个仓库设备。序号设备名称IP地址端口设备分类设备类别设备品牌是否启用是否虚拟1工业机器人192.168.8.1038008机器人机器人类汇博机器人是否2加工中心192.168.8.168193铣削铣削类发那科CNC是否3检测相机127.0.0.16001测量测量类爱德华三坐标测量机是否4立体仓库127.0.0.16002仓库仓库类仓库是否5旋转供料仓库127.0.0.16003仓库仓库类仓库是否6井式上料仓库127.0.0.16004仓库仓库类仓库是否Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制运行环境准备任务要求汇博智能制造MES系统生产加工前，需要对各单元模块进行初始化操作。基座加工程序准备使用“NX”软件，编写并生成基座的加工程序“A011CNC-01.nc”。“NX”软件加工程序加工中心准备

开启FANUC数控机床设备，并将机床的模式切换到“自动循环”模式。PLC程序下载使用博图打开“Znzz1X-PLC程序（初级-网孔版-应用编程）”程序，并将该程序到PLC中。工业机器人联机准备

开启工业机器人设备，切换到“自动”模式，加载项目“ZnzzDemo”中的“main”程序，并运行main程序。工作站MCD联机准备打开“Znzz1X-MCD（中级-网孔版-应用编程）”，并使其处于“播放”模式。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制系统设备配置任务要求本次任务需要在MES中对加工设备进行设置，将MES中设备与系统中的设备保持一致。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制关节产品EBOM创建任务要求本次任务需要在MES中对EBOM进行设置，新建关节产品的EBOM信息。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制关节产品PBOM添加任务要求本次任务需要在MES中对EBOM进行设置，添加自制件基座零件的工艺信息。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制订单来源生产订单

MES是生产执行层的信息系统，它既要从业务系统接收生产任务，又要通过收集生产过程中的实时数据，及时的处理各种实时事件，以达到调整和优化生产过程的目的，并将收集到的生产过程信息反馈给业务系统。MES要与上层的业务系统和下层的控制系统保持双向的通信和数据交换，如右图所示。在业务层，企业会根据销售的预测或基于客户的订单形成企业的销售计划或销售订单，到了执行层，MES会将订单转化成生产计划或生产订单，而生产订单与销售订单可能不再是一一对应的关系了，因为生产车间可能会根据生产调度与安排的需要把一个销售订单拆分成多个生产订单，这就是所谓的“拆单”。生产订单经过MES系统的排产后将派出工序物料计划和生产作业计划，工序物料计划用于指导物料配送，生产作业计划用于指导工位生产。订单数据的导入方法在智能制造系统中，通常会提供“ERP导入”、“数据文件导入”和“手动录入”三种销售订单数据的导入方法。订单数据从ERP导入手动录入从数据文件导入ERP系统导入在拥有中、大型的智能制造系统的企业中，一般包含ERP（企业资源计划）系统，如果企业在实施MES时能够做到与ERP系统进行很紧密的集成，则可以实现销售订单从业务层的ERP向生产执行层的MES的自动传输。数据文件导入

MES通常会采取基于数据文件的订单导入方式，数据文件一般采用特殊的格式（与MES系统有关）。数据文件一般包含订单号、货号、生产序号、型号、数量、交货日期等内容。手动录入

MES系统中提供手动录入订单的方式，一般而言，MES系统都会提供一个手动输入订单的界面，供使用人员手动输入订单。在汇博智能制造MES系统中，订单的方式采用的是手动输入。根据订单的情况，在该界面新建订单，选择需要生产的产品，输入生产的数量，即可完成订单的创建。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制物料管理物料管理

物料的管理是对企业在生产中使用的各种物料的采购、保管和发放环节进行计划与控制等管理活动的总称。物料管理是企业生产执行的基础，它接收来自生产执行层的物料请求，通过一系列物料活动的执行，对生产执行层进行及时的物料响应，生产执行层再根据物料响应结果做进一步的生产执行决策。物料管理对象物料基础数据管理：生产中涉及的物料种类多且颇为繁杂，比如原材料、辅料、零件、成附件、标准件、产品等，。物料采购管理：MES物料管理可以根据采购物料需求计划自动生成采购单，同时通过MES系统对物料的采购情况的跟踪查询，可以实现对实际采购进度与计划进度落差的报警，同时还能够对完成的采购单的结清处理，对按订货点采购物料提出采购计划。外协管理：对外协申请单的维护与管理，对外协零部件的生产进度的跟踪。此外MES系统还对外协件交接的数量、质量，时间等数据进行记录，对外协件的质量问题进行协凋。物料管理对象物料库存管理：库存管理是物流管理的核心，为了保证物料管理的正确性，MES系统对车间内各种外购件的库存进行统一管理，主要包括对物料入出库、库区与库位等信息的管理。在制品管理：在制品，即已投入生产并分布于车间现场的在制品物料，MES物料管理功能通过在制品管理，可以实现对在制品物料的全程跟踪。投料管理：MES系统根据现场在制品生产需求，生成派工单和工段领料单，MES物料管理功能据此进行物料出库管理，对投入的外购件按工装进行管理。仓库介绍在汇博智能制造系统中，毛坯、零件和产品均存放在仓库之中。其中立体仓库有6个仓位，用于存放基座、基座毛坯和关节产品；旋转供料仓库有6个仓位，用于存放电机零件，井式上料仓库有12个仓位，用于存放减速器、法兰零件。序号仓库名称仓位数量状态类别备注1立体仓库6正常使用原料+成品存放基座、基座毛坯和关节产品2旋转供料仓库6正常使用原料存放电机零件3井式上料仓库12正常使用原料存放减速器、法兰零件MES系统料仓管理仓库是企业物资供应体系的一个重要组成部分，是企业各种物资周转储备的环节，同时担负着物资管理的多项功能。在汇博智能制造系统料仓管理界面中，该界面可以对每个仓库的仓位进行物料信息的绑定。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制生产订单的创建任务要求本次任务需要在MES中完成两个关节产品生产订单的创建。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制仓位添加任务要求序号仓库名称仓位数量状态类别备注1立体仓库6正常使用原料+成品存放基座、基座毛坯和关节产品2旋转供料仓库6正常使用原料存放电机零件3井式上料仓库12正常使用原料存放减速器、法兰零件本次任务需要在MES中对仓位信息进行设置，参照下表对实际仓库的仓位数量进行仓位设置，创建对应数量的仓位及类别信息。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制料仓管理设置任务要求本次任务需要在MES中对料仓管理进行设置。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制生产排程生产排程生产排程是指将生产任务分配至生产资源的过程。在考虑能力和设备的前提下，在物料数量一定的情况下，安排各生产任务的生产顺序，优化生产顺序，优化选择生产设备，使得减少等待时间，平衡各机器和工人的生产负荷，从而优化产能，提高生产效率，缩短生产周期。

在汇博智能制造系统中，零件加工生产的方式有手动排程和自动排程两种排程方式。手动排程

手动排程是由企业的计划人员根据其经验或者一定的规则来制定企业的生产计划。假设有A、B、C、D四个订单需要进行排产，如下表订单情况所示，算法按照最短工期（效率高）、最早交货期、按照工期和交货期之间的距离3种方式进行排程，比较这3种排程算法，按照作业逾期天数为评价标准（越小越优）。作业需要天数交货期交货期与工期之差A6104B253C12142D9167作业需要天数完成天数交货期逾期天数B2250A68100C1220146D9291613合计19作业需要天数完成天数交货期交货期与工期之差逾期天数C12121420B214539A62010410D92916713合计32订单情况最短工期排程交货期排程工期和交货期之间的距离排程作业需要天数完成天数交货期逾期天数B2250A68100D917161C12291415合计16自动排程自动排程通过软件来进行排程，软件将计划人员的手工排程经验进行整理、提炼，并抽象为相应的自动化排程规则（算法）。遗传算法神经元算法禁忌搜索算法模拟退火算法遗传算法首先将所有工件的每一道工序定义为一个操作，然后将所有操作的排列定义为一条染色体（编码过程），染色体上的每一个基因代表一个操作，基因的排列顺序就是操作的实现顺序，随机产生的染色体作为初始种群，根据调度问题的优化目标函数构造染色体的适应函数，根据适应函数值的大小确定染色体是否生存，对生存下来的染色体经过遗传、交叉和变异产生下一代种群，重复上面的过程,最终求得调度问题的近优解。由于遗传算法具有高效性、鲁棒性、通用性和灵活性的特点，国内外众多学者将它应用调度问题上，并取得了很好的效果。神经元算法人工神经网络的主要思想是用人工神经元相互连接组成一个计算网络，并行高效地求解问题。它的主要特点是能够学习，通过给网络提供一定的训练样本，然后根据网络的实际输出与希望输出之间的偏差，利用某种方法逐步修改各人工神经元之间的连接权，使之形成求解某些问题的能力。它的主要缺点是效率受训练影响很大，并在问题规模较大时，计算速度慢，结构参数难以确定。模拟退火算法它的基本过程是：从某一温度开始，对某一随机系统状态进行扰动，每次随机选择一个小的扰动，并计算其对系统的影响，通过多次扰动来模拟某一温度下系统的热平衡过程。

模拟退火法能以一定的概率接受差的能量值，因而有可能跳出局部极小，但它的收敛速度较慢，很难用于实时动态调度环境。禁忌搜索算法

禁忌搜索算法是一种基于局部搜索过程的迭代求解算法，算法的基本过程如下：首先按照某种方法给出一个初始可行解，从该可行解开始，计算其邻居，并按照一定的标准从中筛选一个最好的，让它替代当前的可行解（移动），再重复上述过程。在移动过程中，把最近的移动信息放在一个禁忌表中，迭代的时候禁止向禁忌表中元素移动，从而避免了循环移动，从而提高了算法的运行效率。APS算法需建立数学模型，且求解过程复杂，为解决多工序、多资源的优化调度问题而引入高级计划排程（AdvancedPlanningandScheduling，APS）软件工具。APS在做出生产排程决策时，会充分考虑能力约束、原料约束、需求约束、客户规则以及其它各种各样的实物和非实物约束，它是一个实时的排程工具。APS可以使一个独立的软件工具，与企业的ERP系统和MES系统集成后发挥高级排程的作用；APS也可以作为MES的一部分，为企业的生产执行提供高级排程功能。

自动排程的优势现在很多制造企业都把生产计划的制定交付给经验丰富的计划人员，由计划人员手动进行排产、排计划。这样可能会存在如下风险：该计划人员休息时，生产计划制定受到一定影响；该计划人员接近退休时间时，需重新培养计划人员；容易受到“嗓门大”的销售人员的影响；不能验证计划的有效性。

APS可将计划人员的手工排程经验进行整理、提炼，并抽象为相应的自动化排程规则，一方面使得计划人员的手工排程经验得以保留和传承，另一方面又可以充分发挥自动化排程速度快，全局优化程度高，处理复杂问题能力强的特点。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制产品装配关节产品产品一般都由若干零件和部件组成，按照规定的技术要求，将若干零件组合成部件，再将若干零件和部件组合成产品，这个过程称为产品装配。如下图所示，在产品装配界面中，选择需要进行装配的订单，单击“开始装配”，系统会对该订单中的零件进行装配。关节产品-组成本项目的关节产品由基座、电机、减速器和法兰四个零件组装而成，先将基座零件进行加工生产，再使用MES中产品装配功能进行零件装配，完成关节产品装配。关节产品-装配流程如下图所示，关节产品的装配过程。先将电机成品零件放入基座，再将减速器零件放入，最后将法兰放入,关节产品完成装配。装配电机装配减速器装配法兰Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制加工生产基座零件任务要求本次任务需要在MES中使用手动排程和自动排程完成两个基座零件的生产。

使用手动排程进行生产时，系统每完成一步加工工艺，需要确认一次，并同时下达下一步生产指令，直到完成零件加工完成！任务要求本次任务以自动排程为例，演示基座零件的加工生产。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制零件装配任务要求本次任务需要在MES中使用产品装配功能，完成关节产品的生产。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制数据采集数据采集的意义随着信息化与工业化的深度融合，信息技术渗透到了工业企业产业链的各个环节，推动了以“智能化生产、个性化定制、网络化协同和服务化延伸”为代表的新兴智能制造模式的发展，其核心是基于海量工业数据的全面感知。工业数据采集可以实现对生产现场各种工业数据的实时采集和整理，为企业的MES、ERP等信息系统提供大量工业数据，通过对积累沉淀的工业大数据的深入挖掘，实现生产过程优化和智能化决策。数据采集的定义工业数据采集是利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息进行实时高效采集和云端汇聚。工业数据采集对应工业互联网平台体系架构中的边缘层，如下图红圈线所示。通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集大范围、深层次的工业数据，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。数据对象工业数据采集广义范围既包括工业现场设备的数据采集和工厂外智能产品/装备的数据采集，也包括对ERP、MES等应用系统的数据采集，具体如下：工业现场设备的数据采集：主要通过现场总线、工业以太网、工业光纤网络等工业通信网络实现对工厂内设备的接入和数据采集，可分为三类：对传感器、变送器、采集器等专用采集设备的数据采集；对PLC、RTU、嵌入式系统、IPC等通用控制设备的数据采集；对机器人、数控机床、AGV等专用智能设备/装备的数据采集。主要基于智能装备本身或加装传感器两种方式采集生产现场数据，包括设备（如机床、机器人）数据、产品（如原材料、在制品、成品）数据、过程（如工艺、质量等）数据、环境（如温度、湿度等）数据、作业数据（现场工人操作数据，如单次操作时间）等数据。主要用于工业现场生产过程的可视化和持续优化，实现智能化的决策与控制。数据对象工厂外智能产品/装备的数据采集：主要通过工业物联网（3G/4G/5G、NB-IoT等）实现对工厂外智能产品/装备的远程接入（通过DTU、数采网关等）和数据采集。主要采集智能产品/装备运行时关键指标数据，包括但不限于如工作电流、电压、功耗、电池电量、内部资源消耗、通信状态、通信流量等数据。主要用于实现智能产品/装备的远程监控、健康状态监测和远程维护等应用。对EPR、MES等应用系统的数据采集：主要由工业互联网平台通过接口和系统集成方式实现对MES、ERP等应用系统的数据采集。采集方法RFID方式：是对人员、物料等进行编码、位置、状态等信息的实施采集，通过RFID芯片的绑定，将人员、物料的信息等写入RFID中。通过实际使用，这个方法简单直接，效果良好。普通以太网模式：通过以太网开发包的设备，采用windows操作系统进行以太网接口的设备，可以利用第三方软件开发商提供的开发接口，对设备进行网络传输，满足各类数据的传输需求。而且将各种设备的状态信息、参数信息进行保存，满足对数据库集成的实时采集要求。数据采集卡：通过与生产设备的相关I/O点与对应的传感器进行连接，采集相应的加工信息，包括设备运行加工、设备故障等参数等。适用系统包括无串口和无局域网络设备，采用的方式为开关量采集卡、模拟量采集卡等。采集方法人工辅助方式：适用于非自动化设备以及不具备自动信息采集功能的自动化设备，采用手工填表、条码扫描、手持终端等，实现对数据的采集。其具有灵活方便的优势，弥补了自动采集在丰富性、适应性上的缺陷，但也存在实时性和准确性的缺点。TCP/IP协议的以太网模式：以太网的配置是未来技术发展的趋势，这种信息采集模式内容非常丰富，而且可以实现远程控制。目前众多设备厂商，如配备了局域网口，拥有大量方便集成的接口，可以实现实时采集数控设备程序运行信息、设备运行状态信息、系统状态信息、报警信息、运行程序内容信息、操作数据、设备参数等数据。通过设备的及时限制，实时数据采集可以进行生产的事先预防，对于生产加工、质量管控有很好的作用。采集方法组态软件采集：通过PLC控制类的设备对非数控类组态软件进行相关信息的读取，包括各种模拟量信息，如温度和压力等，将读取的I/O点信息存入数据库中。作为工业自动化领域的新型软件开发工具，组态软件可以帮助开发人员利用软件包中的工具，对软件进行硬件配置、数据、图形等的开发工作。组态软件通过串口或者网口与PLC相连，数据采集和处理通过计算机完成，可以将各种曲线进行实时输出。经过实践验证，组态方式实时数据采集具有投入少，连接方便、稳定性强的特点，对于智能制造中的工控来说性价比最高。数据采集体系架构工业数据采集体系架构包括设备接入、协议转换、边缘数据处理三层，向下接入设备或智能产品，向上与工业互联网平台/工业应用系统对接，如下图所示：数据分析数据分析的目的是把隐藏在一大批看来杂乱无章的数据中的信息集中和提炼出来，从而找出所研究对象的内在规律。在实际应用中，数据分析可帮助人们做出判断，以便采取适当行动。数据分析是有组织有目的地收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。对全流程质量数据的采集及处理，形成一体化质量管理系统，用来质量异议追溯查询及分析；在局部或相关区域对能源介质数据采集、分析及管理，形成能源监控或能源管理系统，目的是能耗分析与统计比对，有助于能源分配及节能减排；单独对检化验或计量进行数据采集与应用，形成计量、检化验系统，是将物料计量及过程成分进行有效采集和管理。

制造业企业应利用这些基础数据，解决现场信息孤岛，使得信息化整体效应，透明流转，提高企业效率。Thanks!感谢聆听智能制造生产管理与控制设备数据采集设备数据采集为准确及时掌握设备运行状态、生产的情况，防范和减少设备事故故障发生，提高设备运行可靠性，通过MES系统采集各个单元设备的信息，主要记录设备运行的数据，包括设备运行、故障停机、设备事故等数据。设备数据采集的对象在汇博智能制造MES系统中，设备采集的对象有：加工中心数据采集、工业机器人数据采集、监控数据采集，如下图所示。加工中心数据采集工业机器人数据采集监控数据采集加工中心数据采集

MES系统提供加工中心的状态监控界面，如下图所示。该界面提供了加工中心的运行状态、工作模式、主轴转速、进给倍率、机床坐标、报警记录等重要的运行参数；展示机床当前加载的程序编号、程序名称以及刀具号。利用这些可视化的数据，设备管理人员可随时随地准确的掌握该设备的生产信息、故障信息等关键信息。工业机器人数据采集

MES系统提供工业机器人的状态监控界面，如下图所示。该界面提供了工业机器人的在线状态、状态信息、待机位置、工作模式、机器人速度、各个关节轴的角度等信息。为设备管理人员提供实时工业机器人的状态信息。监控数据采集

MES系统提供视频监控界面，如下图所示。该界面能够实时提供现场的画面，在关键设备上安装监控摄像头，实时或者通过回调视频的方式来远程监控设