基于5G环境下智能制造车间MES的设计研究

在数字化转型建设过程中，机械制造企业的难点是智能车间的设计。随着5G技术的发展，大量的带网络接口的智能设备的投入使用，智能车间的实施成为可能。本文从车间生产计划调度、过程管控、设备管理、质量管理、能耗管理和物流仓储等方面提出了车间MES执行系统设计的要求，同时对企业实施MES的过程提出了四个注意事项。1、引言随着网络信息技术的进一步发展，工业4.0、工业互联网、物联网、大数据、云计算及人工智能等有了更强大的基础支撑，很多企业在此基础上进行了规模较大的数字化转型建设工作，经过近几年的努力，许多企业成功地完成了数字化转型的初步阶段，办公协助系统、企业资源信息管理系统、计算机三维设计和3D打印等先进管理手段已经成为标配。企业的信息化水平得到了显著提升。

数字化转型对企业提出全方位的要求，而且，在一些企业中，虽然实施了信息化改造，但由于认识、水平和基础条件的限制，各个信息系统往往各自为政，互不协调，造成信息的物理隔绝，企业信息没有真正流通起来。究其原因，一方面是由于企业信息化的基础不够扎实、缺少互联互通的平台系统；另一方面是一些复杂过程如机械制造企业车间生产管理，难以用数字化来描述，许多设备上又缺少信息互通的接口等，再加上以前网络传输速度较慢、受环境因素影响较大的原因，许多机械制造企业不敢也不愿去做这项工作。随着信息技术的发展，目前，5G网络技术在传输速率、覆盖面和深度、信号时延、终端接入量等方面取得了质的飞跃，逐渐成为新一代的无线网络技术。这让制造车间的数字化建设成为了可能。如何在5G环境下建立一套制造车间的智能管理系统，本文对此进行了探讨。2、企业信息化管理平台的要求要建立智能制造车间，企业首先要建设包括产品数据管理系统（PLM）、企业资源计划系统（ERP）和办公自动化系统（OA）等的企业数字化管理集成平台，如图1所示。通过各业务系统实现业务管理数字化并实现了各系统之间的互联互通。利用5G网络核心设备与接入设备进行专门的5G通信网络建设，形成企业全5G网络传输氛围，实现超低时延和超大带宽需求，为更多的5G智能制造应用构建良好的网络基础环境。构建5G专网频段，实现5G信号保障，提供5G端到端的连接。为了确保企业数字化网络的安全可靠，企业5G网络最好要能够提供双冗余信号，确保能够实现公有云平台数据存储和数据安全。只有建立了强大的5G网络环境，智能车间的建设才更加容易实现。3、基于5G环境下的机械制造企业智能车间MES的设计智能车间的建设，最核心的是要建立一套在5G环境下的制造执行系统（MES）。用该系统来实现车间生产计划调度、生产过程控制、设备管理、质量管理、仓储管理、能耗管理和现场文明生产等数据管理，同时该系统还要能够整合车间各个模块之间的数据，实现车间全面数据平台及报表可视化平台，让数据赋能业务，实现生产管理可视化到智能决策的提升，推动智慧车间的全面升级，增强企业综合竞争力。据此，设计出机械制造企业智能车间MES执行系统框架，如图2所示。3.1车间生产计划管理通过MES与ERP互通，实现智能车间生产计划的排产。MES对ERP系统中的生产管理计划MRP进行解读，使之变成车间的生产计划。ERP系统中的总生产计划比较粗放，不能有效指导车间的具体生产，而MES则必须在接受到ERP系统的指令后，能够迅速将主生产计划根据PLM系统中的产品加工工艺流程、产品装配BOM等技术文件将车间生产要求转化为车间可执行的数字指令，同时MES根据车间人员、智能设备的生产能力及流水线的工作节拍将生产计划准确地传输到加工人员和加工工位。物流、加工过程、零部件的加工进度、产品的装配和入库等信息通过5G+的相关设备进入MES，同时加工质量的信息数据通过5G+检测设备同步进入MES中，实现从ERP主生产计划到MES计划调度的全面对接和双向传输，最终实现MES和ERP的集成。通过集成，企业可以实现车间加工数据在整个系统的流通，保证信息的追溯和应用，实现企业数字化和可视化的进度管理。3.2车间生产过程控制管理MES贯穿生产制造的全过程，通过MES建立重要零部件的追溯体系，用激光刻码机等特定设备在定义好的零件上标刻QRCode，追溯原材料批次、加工工单、生产厂家和加工人员等。智能设备之间进行互联，通过多种传感器技术、数据采集卡等方式，采集机床运行的多种加工参数、零件测量数据和报警信息等，并将数据反馈给MES和PMC。车间管理者可以通过设备互联页面，实时了解加工状态，并分析机床OEE值。在发生报警的情况下，系统可以发信息提示相关人员进行处理。在过程控制中，车间通过PLC数据采集、生产者输入等方式采集设备和生产者加工信息并输入MES。3.3车间智能设备管理采用5G+设备互联，实现设备状态全面感知、信息高效处理，实现车间柔性生产。对各类智能设备（如图3所示）、生产线等进行5G网络采集，在相关总线和网络接口的基础上，通过5G模组转为5G信号，再通过5G专线网络，将采集的设备数据实时上传，再通过边缘计算MEC移动实时响应并处理。提升了工业数据实时采集能力。通过对设备运行状况实时监控，运行效率监控，设备故障异常管理，设备维修保养预警管理，减少设备宕机导致的非计划停机，提升设备利用效率、延长设备使用寿命。同时控制生产过程中因设备故障导致的不良品流出。对生产过程中的设备故障进行实施监控及设置故障预警值，提前预测并实时监控设备故障情况，缩短故障的处理时间，确保安全生产。3.4车间质量管理设计质量管控系统QMS，对车间加工质量进行控制。依据BOM清单，对零部件进行实体编码标识或批次码标识。车间质检员可通过5G+IPAD在QMS中获取零部检、过程检、来料检、成品检和抽检等质检数据，比对基础数据及标准，实现进料质量管理、过程质量管理、成品质量管理、不合格品处理，以及报表和看板等功能。同时智能检测设备也可对加工过程进行检测，将合格/不合格数据信息通过MES反馈给QMS，从而实现对车间加工质量的有效控制。对于出厂产品的管理，则可以通过相关工业物联码标识系统实现标牌智能标识，客户通过相关系统可以查询到生产产品的关键工艺信息、物料信息、流程信息和设备调试记录等信息。3.5物流仓储管理车间按照节拍化生产理念组织生产，工艺规划细分到各个工位，将物料的相关属性写入产品MBOM和工艺路线。AGV智能小车连接5G或WiFi，用于成品库、原料库、车间装配线运输、检测线运输和涂装线运输，实现原料入库、产品装配及包装、入库等流转自动化，实现仓库物流优化。建立自动化立库（包含原料库、成品库）及智能仓储系统WMS。通过WMS对仓库实行全库位管理，并建立数字化的库位模型，物料的分布和库存量一目了然。依据BOM清单，物料通过5G+IPAD扫码入物料库，物料数据同步到WMS中。WMS根据物料的出入库情况，分析出常用物料、呆滞品等信息。在物料使用频率数据的基础上，灵活设定WMS的入库原则，确保常用物料的库位尽量靠近出库口，减少物流的行程，提高出入库效率。通过WMS，对时效性物料实行“先进先出”和“先失效先出”的出库策略管理。通过对每种物料设定合理的安全库存、采购周期等属性，将信息流转变为物流，最大限度的减少采购量和实现最小库存量，提高经济效益。3.6车间能耗管理设计生产能源管理模块，实施对智能电表、天然气流量计、自来水和压缩空气流量计等计量仪表的数据采集，自动统计车间、生产线和智能设备等多个管理层级的能源消耗，按年、月、周和班次等时间维度统计能源消耗；并结合产量、产值等录入模块，实现各个管理层级和时间维度的单耗计量。对高耗能设备的三相电流、三相电压、三相功率、功率因数和谐波等参数的监测，对设备的运行状态和运行时长进行统计分析；当设备参数超过限值时，自动发出告警提示；对设备的重点工艺参数进行实时监测，并结合工艺参数，综合分析设备的能源效率。对于有多个设备组成的连续生产线，分析产线各个设备的协调运行情况，避免当主产线停止运行时，辅助设备还在空转运行。结合生产计划和能源单耗的历史数据，对未来的能源消耗进行月度和年度预测；实时监测工厂的最大需量曲线，当最大需量达到阈值时，通过调整可中断负荷来控制最大需量，节约能源。3.7车间现场管理由于智能车间中采用大量的自动化生产线和智能设备等，因此对现场管控的要求就非常严格。如何做好智能车间的现场管理，采用5G+工具是一个非常有效的办法。安装5G+AI摄像头。实施安防视频监控系统，通过采集人员行为数据智能图像识别，对未佩戴安全帽、吸烟、玩手机、烟火、人员逗留、人员出入预警和通道异物等情况分析报警。同时通过智能AI监测分析，实现对现场生产环境的安全监测。采用各类传感器、温控器等智能设备及时将车间现场的不安全因素传送给各个监控点，实现车间全方位、无死角的监管。4、MES与其他信息管理系统的集成实施智能车间的MES与企业的CRM、PLM、ERP、SRM和OA等系统的集成，实现研发设计协同、供应链协同、生产制造一体化和车间管理协同。MES与ERP集成。ERP中的生产计划、产品交货信息及全程的生产管控要能够及时传输到MES中，MES根据ERP主生产计划建立车间的生产计划，车间对产品的生产过程的各种信息要能够反馈到ERP系统中。MES与PLM集成。研发人员通过PLM系统将与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、图纸文件和结构信息等）及所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）传递到MES，实现项目全过程跟踪管控，实现设计标准化、编码规范化、图纸数字化、工艺数字化、审批流程化和签字电子化。MES与SRM集成。采购部门通过SRM系统与车间MES对接，实现供应链的协同管理。通过系统评估供应商绩效，实现绩效和供货配额规范透明化管理，实现了传统业务流程变革，通过电子对账，减少人工对账出错率，提高工作效率，通过条码管理、送货通知，实现快速出入库，提高库存周转率。MES与OA系统集成。OA系统是企业办公管理的重要手段，企业决策和具体管理一般都是要通过OA系统，而车间管理的一些重要数据也必须能够及时通过OA系统传递到企业的决策部门。MES中绩效考核、人员管理等数据要能与OA系统进行相互传输。5、MES设计过程中的注意事项5.1智能车间设计全面考虑、按需分步进行智能车间的设计从一开始就要有通盘的考虑，不能因为目前有许多条件不具备就不考虑。正确的做法是在全面评估企业实施MES的信心后，建议企业可以将容易实施的先做起来，对于目前有难度或条件不具备的要预留接口空间，不能出现一起上，一个都用不好的情况。5.2MES软件模块的选择现在能够完全做好全系统的MES软件的供应商并不多，MES的各子模块的设计也千差万别。由于软件设计人员和车间管理的人员对车间管理需求的理解不一致，导致许多MES不能很好地适应车间管理的需求。5.3实施过程中要预留应急通道作为管理工具，MES也不是万能的，尤其是在刚开始实施的阶段。企业实施MES的目的是为了提高效率，降低人工成本和管理成本，如果因为某些突发因素导致系统出现问题，则一定要预留人工处理的流程，不能被系统所困。5.4要加强现场操作人员技能水平的培训，提高系统的可靠性数据收集和处理是MES运行的关键，而数据的处理原则是企业制定的，合理、科学的处理方法会极大提高系统的效率。因此现场操作管理人员要能够根据车间管理的实际不断修正一些流程，优化数据处理的环境，确保MES的高效可靠。6、结束语根据《国家智能制造