中小型制造企业“智慧车间”的设计构思
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作者:盛敏
摘要：随着供应链的全球化，智能制造引领制造业转型已愈加明显。中小型制造企业力图借助信息技术和新管理策略来达到精益化生产制造管理状态，从而加深了“智慧车间”的创新设计需求。通过对制造业“智慧车间”的市场概况和国内外系统应用现状分析，根据中小企业所需的柔性、成本、简化、集成特点，提出基于可配置化、可离线执行的MES云平台设计构思。利用柔性协同MES组件平台技术、可配置化离线执行工位终端技术和SAAS平台技术，满足中小型制造企业数据协同、解决离线断网、多租户定制数据存储等实际要求。
关键词：智慧车间;可离线执行;MES云平台;工位终端技术;SAAS平台
中图分类号：TP18 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0191-03
“智慧车间”是指通过网络、软件管理系统将自动化数控设备互联互通达到感知状态，通过实时的数据分析实现自动判断决策和精确执行指令的智能化车间，旨在提升产品整体生产水平，提高企业生产管理能力和满足客户需求的及时交付能力。随着物联网、5G、人工智能、云计算等技术的爆发，在2019年的国家政府工作报告中首次提出了“智能+”的概念。在中国制造“2025”等一系列国家政策积极推动下，智能制造引领制造业转型的趋势越来越明显。很多中小型制造企业开始想方设法地通过信息技术手段来更好地管理制造生产过程，改善生产质量，提高客户需求满足能力，从而催生了符合中小型制造企业“智慧车间”的创新设计需求。
1制造业“智慧车间”的市场概况
1.1制造企业“智慧车间”的需求巨大
随着供应链的全球化和信息技术的广泛应用，国内生产制造企业都处于产业转型升级的关键时期，对“智慧车间”的需求巨大。对于全国广大中小型制造企业而言，虽然产值低，生产方式相对落后，但是其转型升级的愿望和压力比大型企业更加迫切。由于成本问题，这些企业顾虑重重，大多数都未实现车间级生产智能协同管理，所以“智慧车间”的需求市场前景广阔。
1.2市场倒逼“智慧车间”成为制造企业的必然选择
制造企业为了做到按照客户的需求来进行按时精准交货，企业的成品发货、工艺、质量管理、生产执行监控、半成品及原材料库存甚至是供应商，必须要达到生产管理的协同化、精细化。这意味着厂家需要有效的组织和协调人员、物料、设备以及部门等所有资源，并对其进行整合，统一管理，精准调度。要达这个目标，仅仅通过ERP等传统的企业管理信息系统是无法做到的。这其中涉及了各个方面以及各个层次的技术、管理以及系统集成问题，包括了生产设备联网、管理流程规范重组、生产车间现场管控、生产执行制造MES系统、ERP系统等众多的专业技术和系统集成。
1.3市场缺乏中小型制造企业的“智慧车间”解决方案
对于中小型制造企业来说，企业本身产品系列相对单一、其部门职责相对集中，为了应对市场其生产、计划过程需要有极大的灵活性。而市场上的众多ERP和PLM等系统都是基于通用化管理流程开发的，无法满足其特例化需求。另一方面，市场上相对较大的ERP、PLM、CAPP等解决方案提供商，出于利潤和成本角度考虑，往往不会针对某个中小企业进行特殊的功能开发。因此，符合中小型制造企业实际需求的“智慧车间”解决方案目前在市场上相对缺乏。可以解决中小型制造企业智能制造需求，既满足其成本、人才和自身管理特点要求又有影响力的“智慧车间”平台仍未出现。
2“智慧车间”系统国内外研发现状
在生产制造信息化智能化领域，生产执行制造系统MES作为核心层已经得到了充分的研究和产品化，国外一些专门从事企业信息化软件开发的公司正逐步将协同思想和工具融入自己的MES方案中，如美国的公司已经发布了一软件系统，德国西门子公司推出了系列产品，除此之外其他一些公司如Honey-well、ASPEN Tech、EMERSON、Interwave等纷纷在其系列软件中融入或增强了协同制造功能。更进一步，由于MES系统在生产管理领域的重要作用，美国仪器、系统和自动化协会ISA（In-stmmentation，System，and Automation Society，）在MES的基础之上，提出了制造运行管理MOM（Manufacturing Operations Man-agement）的概念。其将MES的思想从单纯的生产制造部门中提炼出来，站在总体管理和供应链管理的角度来架构企业的整体生产运作体系。这个思路其实是从供应商供货开始管起，一致到成品订单发货环节，其本身就是将供应链管理的思路融合在生产管理。
2.1国外方案不符合中国市场
国外厂商以“盖普乐车间数字化管理方案”为代表的解决方案建立在企业高度自动化产线设备基础上，对企业网络通讯环境要求极高，非常强调数据的集中统一存放和处理，不适合国内中小型离散制造企业现状。经过对盖普乐产品的认真研究，发现其车间数字化解决方案对生产数据的集中统一处理要求极高。但是针对国内中小企业来说，生产一线数据不易过于集中，只要能够保证现场数据单独离线存储，集中服务器事后及时能拿到数据即可。另外在一部分场景下离散制造还是需要人工介入，所以需要系统能够提供一定的半自动化与人工介入相结合的技术解决办法，一般来说在离散制造领域，这需要“工位终端”承担这个角色。而国外的绝大多数解决方案没有针对性的软硬件技术手段。此外，国外厂商目前没有一家提出过基于Saas（软件即服务）模式的云平台智慧车间解决方案，他们基本都是针对企业进行定制化私有部署的，这样实施成本非常高。
2.2国内研发滞后手段不足
国内厂商虽然有Saas平台但是限于专业背景，其生产现场机联网手段不足对于自动化程度尚不成熟、网络通讯尚存在不足的中小企业，国内传统ERP软件商也纷纷基于原有ERP系统研发自己的SAAS模式的MES服务平台，但是由于对生产底层机床设备、工控自动化产线不够熟悉了解，导致其开发的平台并未得到大规模应用。 从上表中可以看出，国外的解决方案成本较高、同时对企业生产管理和生产自动化要求较高。国内代表性企业出于成本考虑和国内客户特殊需求也有推出Saas化平台，并且对客户的管理规范和自动化水平要求没有那么高，但是此类平台大都只考虑了生产协同管理人员和管理后台的需求，对于生产现场中生产任务及一线操作的离线执行安全没有更好的低成本解决办法，只能定制化开发，这无形中削减了Saas模式低成本，短周期优势。
3中小型制造企业“智慧车间”的系统需求
3.1可根据需求柔性实施，并随生产流程的改进持续演化
系统应是建立在各种自动化编程、组件化等技术基础上的，并包含各种车间管理建模工具、流程引擎、规则引擎、表单引擎等技术框架。在整个系统实施时，无须开发程序，只需要根据客户需求进行灵活配置发布。从而整个系统可以根据客户管理需求随时调整演化。
3.2实施成本低
由于中小企业普遍对“智慧车间”系统的研发和应用投入成本有限，因此系统应具备柔性配置、组件化技术特点，在具体实施时可以最大限度地做到快速、低成本。
3.3简化集成
对于中小企业来说，做到车间级的整个生产过程的精确管理把控，其中涉及众多环节：工艺、计划、质量、供应商、生产库存、生产配送、成品仓库等。目前各环节均是独立软件管理。中小企业普遍无法承受这些软件集成，所带来的成本和时间。因此，系统应从最简化最必要的思路入手，将所有的必要环节简化，最终集成在一个系统内实现。
4中小型制造企业“智慧车间”系统的设计构思
4.1总体思路
通过深入调研中小型离散制造生产企业生产管理现状及需求，并结合产线自动化技术背景，现提出基于符合中小型制造企业实际生产管理需求的“智慧车间”一体化系统设计方案。该“智慧车间”设计方案集合了机联网方案、外协供应商协同管理、生产计划、生产监控、生产现场管理、生产库存及生产配送等中小型制造企业生产过程必需的核心需求和功能。
4.2技术原理
基于可配置化、可离线执行需求的MES云平台涉及的技术有：柔性协同MES组件平台技术、可配置化离线执行工位终端技术、SAAS平台技术。三项技术的具体逻辑关系为：柔性协同MES组件平台负责对工位终端和云平台进行管理和可视化配置，SAAS云平台负责进行生产的协同、计划调度，并将精准的生产任务相关信息下传给工位终端，工位终端根据生产任务对生产过程中的人机料法环进行监控，并及时将生产状态上传给云平台。一旦断网，工位终端可以继续离线执行生产任务，不影响生产进度，等到網络畅通又可及时上传生产数据到云端。
4.3功能设计
“智慧车间”一体化系统主要功能模块包括：生产执行制造MES子模块、电子看板子模块、生产仓储配送子模块、外协加工协同管理子模块。模块可根据企业客户实际生产管理需求灵活组合及个性化调整。具体子模块及功能如下：
4.3.1生产执行制造MES子模块
生产执行制造MES模块是整个系统的核心，它负责为客户管理监控以及协调生产过程，负责将工厂企业计划准确实时下达（并即时监控）到设备、工人、库存等环节，同时负责将现场生产数据及时反馈给管理计划层。该模块的研发为SAAS平台提供了重要的生产管理需求实践数据，应涵盖企业生产人员组织、工艺设定、物料管理、库存管理、生产计划下达、生产跟踪等方面生产管理监控功能。
4.3.2电子看板子模块
电子看板是“智慧车间”一体化系统中的现场协同重要工具，电子看板应将MES模块中的生产数据实时、透明、精确展示，从而达到生产各个环节协同的目的。电子看板广泛应用于各种行业的中小型离散制造生产企业。作为整个“智慧车间”信息协同的重要工具，满足生产数据、质量数据、异常信息等车间生产信息自动实时显示在车间LED屏、液晶显示器或电脑终端，实现车间生产管理数字化、透明化和可视化。电子看板的主要功能可包括：生产数据电子看板，实时展示生产计划及完成数量;产线工序电子看板，及时展示产线各工位或各工序的生产信息;物料电子看板，及时展示物料状态信息;设备电子看板，实时显示设备的状态信息;质量电子看板，实时显示产品质量合格率、不良率数据。
4.3.3外协加工协同子模块
外协加工协同主要用于企业和企业自己的加工供应商协同生产：在生产过程中产品某些工序需要供应商加工，此时需要通过此模块设定批次号及数量、质量要求，加工供应商企业通过云端登录该模块及时获知加工需求信息，并可直接打印加工零件的批次条码号（或二维码）。满足加工完成送回时，企业仓储部门直接扫码收货，提高了收货信息的及时性和准确性。
4.3.4生产仓储配送子模块
生产仓储配送子模块主要功能是协同生产库存部门与生产制造部门。满足在当生产计划下达时，计划数量会同时下达到生产线和仓储部门，仓储部门在系统指引下，根据计划要求及时按要求将原材料送达生产线，达到配送的主动性和及时性。
5设计构思的特点
5.1实现数据协同
基于本体的可视化工艺表达及建模技术，解决了工艺部门与生产一线的数据协同问题，让工艺部门的数据可直接在生产监控中使用，无须人工转换数据，提高效率。构建基于语义本体的可被计算机系统解释执行的工艺路线及工艺参数配方表达及建模方法/32具：首先用OWL语义表达体系建立制造企业工艺信息描述语义本体体系，再构建可视化工艺建模工具，生成XML文件来存储基于语义本体的工艺流程及配方参数，然后构建工艺文件解析器将工艺文件解析成可解释执行的工艺内存对象，生产监控软件即时调用执行。
5.2解决离线断网的安全问题
基于linux嵌入式环境的可视化配置引擎——解决Saas模式下一旦断网离线导致生产停滞的安全问题。实现技术思路：规则配置引擎负责可视化配置业务规则，业务规则被打包成业务规则包，可分布式离线存放在不同嵌入式环境中，供事务对象调用。事务对象建模工具用于将某些业务场景处理事务（包括现场移动终端操作，或一个复杂后台交互逻辑。比如：PDA扫描物料条码入库、根据规则整体调整公司某个部门员工工资等都可看成为一个事务）打包成一个事务对象，此事务对象负责调用规则引擎对象、元数据等，进而驱动元数据对象和规则引擎对象运行。
5.3多租户定制数据存储模型
数据作为企业应用的核心，一直以来备受重视。系统模式中的通用数据和个性化数据统称为可定制数据，其存储模型的设计在数据架构设计中至关重要。针对单稀疏表大量空间浪费的问题，系统采用多稀疏表的改进方案。多稀疏表方案中将多个稀疏表进行编号，从1开始，到n结束。用来存储这些稀疏表的元数据信息。Tenantid表示租户的id，Tableid表示租户定制的表id，Extl，Ext2...，为租户定制的扩展列的列名。在多稀疏表的模式下，使用多个不同列数的稀疏表代替原有的固定列数的稀疏表来存储租户的定制数据，建立了多个稀疏表的控制表，用于确定租户的表位于哪个稀疏表中，同时建立了对应的元数据表来保存定制字段的描述信息。多稀疏表的存储方案在很大程度上缓解了单稀疏表方案中存在的空值问题，使表空间得到更充分的利用。
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