智能工厂mes关键技术研究_罗凤.docx

《智能工厂mes关键技术研究_罗凤.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能工厂mes关键技术研究_罗凤.docx（65页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、西 南 科 技 大 学工 程 硕 士 专 业 学 位 论 文智 能 工 厂 MES 关 键 技 术 研 究作 者 姓 名 _罗 凤所 在 学 院 制 造 科 学 与 工 程 学 院 专 业/领 诚 机 械 工 程 学 校 导 师 I 雛 觀 校 外 导 师 吴 双 高 级 I 程师论 文 完 成 U 期 2017 年 6 月 13 UClassified index: TH166 U.D.C: 621Southwest universityOf science and technologyMaster degree thesisResearch on Key Technology of MES

2、 inIntelligent FactoryCandidate: Luo FengDepartment： School of Manufacturing Science and EngineeringSpeciality： Mechanical EngineeringSupervisor 1: Prof.Wang JunjiaSupervisor 2: Senior Engineer.Wu ShuangDate: Jun. 13, 2017声 明本 人 郑 重 声 明 ： 此 处 所 提 交 的 硕 士 学 位 论 文 智 能 工 厂 MES 关 键 技 术 研 宄 ， 是本 人 在 西 南

3、科 技 大 学 攻 读 硕 士 学 位 期 间 ， 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 宄 工 作 和 取 得 的 研宄 成 果 。 据 本 人 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 之 处 外 ， 论 文 中 不 包 含 其 他 人已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 西 南 科 技 大 学 或 其 他 教 育 机 构 的 学位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 宄 所 做 的 任 何 贡 献 均 己 在 论文 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了

4、谢 意 。 本 学 位 论 文 成 果 是 本 人 在 西 南 科 技大 学 读 书 期 间在 导 师 指 导 下 取 得 的 ， 论 文 成 果 归 西 南 科 技 大 学 所 有 ， 特 此 声 明 。学 位 论 文 作 者 签 名 ： f 辦 、 B 期 ：关于学位论文使用授权的说明本 人 完 全 了 解 西 南 科 技 大 学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， s 卩 ： 学 校 有 权 保 管 、 并 向 有 关 部 门 送 交 学 位 论 文 的 原 件 与 复 印 件 ； 学 校 可 以 釆 用 影 印 、 缩 印或 其 它 复 制 手 段 复 制 并

5、保 存 学 位 论 文 ； 学 校 可 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 或 借 阅 ； 学校 可 以 学 术 交 流 为 目 的 ， 复 制 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 ； 同 意 学 校 可 以 用 不 同 方 式 在不 同 媒 体 上 发 表 、 传 播 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 。作 者 签 名 ： j 导 师 签 名 .裝 戚日 期 ：uqx ；曰 期 ： 祕 口摘 要随 着 工 业 4.0 的 提 出 和 发 展 ， 我 国 为 加 紧 推 进 两 化 深 度 融 合 发 布 了 中 国 制 造 2025 战 略 ， 其 中 智 能 工 厂 作 为

6、工 业 智 能 化 发 展 的 重 要 实 践 模 式 。 而 MES 又 是 智 能 工 厂 实 现 信 息 集 成 的 必 不 可 少 的 中 间 枢 纽 ， 在 智 能 工 厂 环 境 下 构 建 MES 体 系 框 架 ， 研 宄 其 实 现 的 关 键 技 术 问 题 ， 为 智 能 工 厂 的 实 施 奠 定 基 础 。主 要 研 究 工 作 ： 首 先 提 出 了 一 种 智 能 工 厂 体 系 架 构 ， 对 智 能 工 厂 进 行 需 求 分 析 ， 构 建 了 智 能 工 厂 MES 的 总 体 体 系 框 架 结 构 ； 其 次 ， 对 智 能 工 厂 MES 的 关 键

7、 技 术 问 题 进 行 了 详 细 研 宄 ： 在 智 能 工 厂 运 用 物 联 网 技 术 ， 实 现 对 智 能 工厂 智 能 设 备 的 网 络 互 连 ， 研 宄 MES 以 OPC-UA 统 一 架 构 集 成 现 场 智 能 设 备 和上 层 ERP 的 集 成 策 略 。 确 定 了 智 能 集 成 OPC-UA 服 务 器 结 构 ， 建 立 了 MES 集成 信 息 模 型 ， 实 现 对 智 能 工 厂 生 产 现 场 异 构 设 备 的 统 一 交 互 集 成 ； 最 后 ， 根 据上 述 的 研 宄 成 果 ， 本 文 选 择 基 于 .NET 开 发 平 台 的

8、Visual Studio C#为 开 发 环境 ， 以 SQL 为 系 统 数 据 库 管 理 平 台 ， 结 合 智 能 工 厂 具 体 需 求 ， 开 发 了 B/S 三层 模 式 的 MES 原 型 系 统 。关 键 词 ： 智 能 工 厂 ； MES;0PC-UAAbstractWith the development of industry 4.0, China has intensified the two-depth integration of Chinese manufacturing 2025 strategy, including intelligent factory

9、 as an important practice of industrial intelligence development model. As an production process management system, MES is an indispensable intermediate hub for intelligent information integration. It is an important research value to construct MES system framework in intelligent factory environment

10、 and study its key technical problems.The main research work is as follows: Firstly, an intelligent factory architecture is proposed, and the implementation of the manufacturing execution system under the intelligent factory is analyzed. Secondly, the overall system framework of the intelligent fact

11、ory manufacturing execution system MES is constructed. The key technical issues of MES were studied in detail: in the intelligent factory using the internet of things technology to achieve intelligent equipment network interconnection in intelligent plant; studied the integration strategy of MES to

12、OPC-UA unified architecture integrated the field intelligent equipment and the upper enterprise resource management layer (ERP). The intelligent integration platform OPC-UA server structure is established, and the information models such as intelligent devices and sensors are established to realize

13、the unified and interactive integration of heterogeneous devices in the intelligent factory. According to the above research results, the appropriate development application framework structure and logic Structure, this paper chooses the Visual Studio C # based on the .NET development platform as th

14、e development environment, uses the SQL as the system database management platform, and develops the MES prototype system of the B / S three layer mode with the concrete demand of the intelligent factory.Key words: Manufacturing Execution System； Intelligent Plan； OPC UA目 录1 i 仑 .11.1 课 题 研 宄 背 景 、

15、目 的 和 意 义 .11.2 MES 研 宄 现 状 .21.2.1 制 造 执 行 系 统 .21.2.2 制 造 执 行 系 统 研 宄 现 状 .51.3 智 能 工 厂 MES 研 宄 现 状 .71.3.1 智 能 工 厂 .71.3.2 智 能 工 厂 MES 研 宄 现 状 .81.4 主 要 研 宄 内 容 和 论 文 结 构 .91.5 本 章 小 结 .112 智 能 工 厂 MES 体 系 结 构 设 计 .122.1 智 能 工 厂 体 系 框 架 .122.2 智 能 工 厂 MES 系 统 总 体 架 构 .142.2.1 智 能 工 厂 MES 网 络 拓 扑

16、架 构 .142.2.2 智 能 工 厂 MES 总 体 架 构 .152.3 智 能 工 厂 MES 需 求 分 析 .162.3.1 业 务 流 程 分 析 .172.3.2 功 能 需 求 分 析 .192.3.3 系 统 用 例 分 析 .212.4 系 统 总 体 设 计 .222.5 本 章 小 结 .243 智 能 工 厂 MES 集 成 关 键 技 术 研 究 .253.1 MES 自 动 采 集 和 集 成 技 术 研 宄 .253.2 OPC UA 信 息 建 模 研 宄 .273.3 基 于 OPC UA 的 MES 信 息 建 模 .283.3.1 需 求 获 取 .2

17、83.3.2 定 义 类 型 模 型 .303.3.3 类 型 实 例 化 .313.3.4 MES 系 统 信 息 模 型 集 成 .323.4 本 章 小 结 .344 智 能 工 厂 MES 原 型 系 统 开 发 .354.1 系 统 数 据 库 设 计 .354.2 系 统 管 理 .384.3 生 产 计 划 排 成 管 理 .404.4 质 量 管 理 .434.5 物 料 管 理 .434.6 OPE 性 能 分 析 .484.7 本 章 小 结 .50总 全 吉 .51 M. 53参 考 文 献 .54攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 文 .581 绪

18、论1.1 课 题 研 究 背 景 、 目 的 和 意 义随 着 工 业 4.0 的 提 出 和 发 展 ， 我 国 为 加 紧 推 进 两 化 深 度 融 合 发 布 了 中 国 制 造 2025 战 略 ， 其 中 智 能 工 厂 作 为 工 业 智 能 化 发 展 的 重 要 实 践 模 式 。 智 能 工 厂 是 运 用 信 息 技 术 、 互 联 网 技 术 、 自 动 化 技 术 和 云 计 算 以 及 大 数 据 挖 掘 等 先 进 技 术 ， 对 工 厂 进 行 实 时 监 控 ， 实 现 远 程 控 制 的 精 细 化 、 信 息 化 管 理 ， 对 制 造 生 产 过 程 达

19、 到 高 度 自 动 化 ， 全 面 掌 握 制 造 过 程 数 据 ， 分 析 预 测 解 决 生 产 过 程 出 现 或 可 能 出 现 的 异 常 事 件 。 为 了 满 足 客 户 需 求 ， 减 少 生 成 成 本 ， 提 高 产 品 质 量 并 缩 短 生 成 周 期 ， 实 现 生 产 过 程 管 理 的 透 明 化 ， 在 智 能 工 厂 构 架 生 产 过 程 实 时 管 理 系 统 MES 是 比 不 可 少 的 环 节 。 在 智 能 工 厂 中 ， 机 器 人 参 与 的 全自 动 化 生 产 线 ， 需 要 的 工 位 人 工 操 作 少 ， 少 数 的 人 员 参

20、与 大 多 借 助 过 程 管 理系 统 制 造 执 行 系 统 监 控 生 产 现 状 ， 及 时 处 理 生 产 突 发 事 件 ， 以 及 维 修 和 维 护生 产 设 备 。 而 传 统 生 产 车 间 是 人 工 和 机 器 共 同 参 与 完 成 生 产 ， 生 产 过 程 中 制造 执 行 系 统 人 为 参 与 因 素 多 ， 传 统 的 制 造 执 行 系 统 己 经 不 能 满 足 智 能 工 厂 生产 过 程 管 理 的 需 求 ， 主 要 存 在 以 下 几 个 问 题 ：(1) 数 据 采 集 不 全 面(2) 工 位 与 工 位 间 的 数 据 不 能 及 时 传

21、输(3) MES 与 其 他 系 统 集 成 性 差传 统 MES 大 都 存 在 手 工 输 入 数 据 ， 不 仅 耗 时 而 且 存 在 误 差 和 信 息 滞 后 的缺 点 ， 不 能 准 确 快 速 事 实 传 输 数 据 和 处 理 事 件 ， 己 经 不 能 满 足 其 网 络 化 智 能化 生 产 的 需 求 。 当 前 智 能 工 厂 制 造 需 求 己 经 超 出 传 统 MES 的 应 用 范 畴 ， 然 而MES 作 为 生 产 过 程 管 理 系 统 ， 是 智 能 工 厂 实 现 信 息 集 成 的 必 不 可 少 的 中 间 枢纽 。 在 智 能 工 厂 中 设

22、备 全 自 动 化 通 过 工 业 软 件 控 制 管 理 ， 员 工 通 过 MES 的 客户 端 或 移 动 端 就 可 操 控 生 产 ， 其 中 MES 集 成 了 智 能 工 厂 生 产 的 其 他 软 件 系 统 ，形 成 了 全 面 协 同 生 产 管 理 系 统 ， 管 理 智 能 工 厂 生 产 制 造 的 每 个 环 节 ， 更 加 精细 化 管 理 智 能 工 厂 ， 提 高 其 智 能 化 。 因 此 在 智 能 工 厂 环 境 下 构 建 MES 体 系 框架 ， 研 宄 其 实 现 的 关 键 技 术 问 题 ， 具 有 重 要 的 研 宄 价 值 。1.2 MES

23、 研 究 现 状 1.2. 1 制 造 执 行 系统国 际 制 造 执 行 系 统 协 会 （ MESA)对 制 造 执 行 系 统 （manufacturing execution system,简 称 MES)的 定 义 ： MES 能 通 过 信 息 的 传 递 ， 对 从 订 单下 达 到 产 品 完 成 的 整 个 产 品 生 产 过 程 进 行 优 化 的 管 理 ， 对 于 工 厂 发 生 的 实 时 事 件 ， 及 时 做 出 相 应 的 反 应 和 报 告 ， 并 用 当 前 准 确 的 数 据 进 行 相 应 的 指 导 和 处 理 1。 制 造 执 行 系 统 （ MES

24、)弥 补 了 管 理 层 与 控 制 层 之 间 的 断 层 ， 实 时 掌 握车 间 的 加 工 状 况 ， 同 时 将 信 息 及 时 反 馈 给 管 理 层 ； 并 且 将 多 套 系 统 集 于 一 体 ，从 而 做 到 了 数 据 统 一 和 数 据 共 享 。上 个 世 纪 70 年 代 ， MES 还 没 出 现 ， 车 间 生 产 管 理 大 都 是 独 立 的 单 一 功 能软 件 。 比 如 车 间 作 业 计 划 系 统 、 工 序 调 度 、 工 时 管 控 、 设 备 状 态 监 控 、 库 存控 制 、 生 产 统 计 、 质 量 管 理 、 数 据 采 集 等 软

25、 件 来 完 成 解 决 个 别 问 题 。 软 件 与软 件 不 能 集 成 和 实 现 数 据 的 共 享 ， 不 能 从 总 体 出 发 来 优 化 制 造 过 程 。 与 此 同时 ， 随 着 MRPII/ERP 生 产 管 理 系 统 的 发 展 ， 企 业 只 有 从 企 业 的 高 层 管 理 人 员的 角 度 来 制 定 计 划 ， 综 合 管 理 ， 使 企 业 在 最 佳 状 态 下 资 源 整 合 。 MRPII/ERP 侧 重 对 企 业 进 行 资 源 计 划 管 理 ， 而 在 没 有 生 产 车 间 反 馈 回 实 时 信 息 的 情 况 下 ， 再 好 的 生

26、产 计 划 也 会 存 在 偏 差 。 MRPII/ERP 在 无 法 获 取 生 现 场 的 实 时 信 息 ， 导 致 生 产 计 划 与 生 产 现 状 不 同 步 ， 使 得 合 理 的 计 划 不 能 有 效 完 成 。 当 时 企 业 在 生 产 管 理 上 即 存 在 横 向 系 统 间 的 信 息 孤 立 ， 又 存 在 上 层 计 划 管 理 ERP 和 底 层 控 制 间 纵 向 系 统 间 的 信 息 孤 立 。 随 着 科 技 的 发 展 ， 为 弥 补 上 述 生 产 管 理 中 面 对 的 缺 陷 ， MES 就 应 运 而 生 了 。 制 造 执 行 系 统 ME

27、S 是 由 美 国先 进 制 造 研 宄 机 构 AMR (AduancedManufactruring Research)在 1990 年 11 月 提 出 并 使 用 ， 其 对 MES 的 定 义 a 3 “MES 是 位 于 上 层 计 划 管 理 系 统 与 底 层 工 业 控 制 之 间 、 面 向 车 间 层 的 管 理 信 息 系 统 。 它 为 操 作 人 员 、 管 理 人 员 提 供 计 划 的 执 行 、 跟 踪 以 及 所 有 资 源 （ 人 、 设 备 、 物 料 、 客 户 需 求 等 )的 当 前 状 态 信 息 ”。 该 公 司 通 过 调 查 大 量 的 企

28、 业 ， 发 现 大 多 企 业 通 过 MES 对 管 理 系 统 ERP/MRPII、 SCADA/HMI 等 功 能 单 元 进 行 集 成 和 协 调 控 制 ， 让 企 业 拥 有 良 好 的 企 业 资 源 管 理 系 统 ， 还 能 保 证 计 划 有 效 执 行 。在 1992 年 AMR 又 提 出 了 企 业 信 息 化 架 构 三 层 模 型 3rd Layer Model) 计 划 层 ERP， 控 制 层 PCS 以 及 位 于 计 划 层 与 控 制 层 中 间 位 置 的 执 行层 MES (如 图 1-1)。 中 间 层 MES 的 作 用 就 是 使 生 产

29、过 程 的 管 理 可 视 化 、 透 明化 、 规 范 化 和 实 时 化 ， 实 现 自 动 化 与 管 理 信 息 的 融 合 。 ERP 层 根 据 车 间 制 造资 源制 定 生 产 计 划 ， 并 将 生 产 计 划 下 达 到 MES， MES 再 将 生 产 计 划 排 程 为 业 务 计划 。 MES 将 业 务 计 划 指 令 传 达 到 车 间 PCS 生 产 控 制 层 。 同 时 ， MES 层 收 集 制造 过 程 PCS 的 实 时 信 息 ， 处 理 汇 总 上 传 给 ERP 层 ， ERP 层 再 根 据 生 产 信 息 的反 馈 调 整 计 划 。 运 用

30、 计 算 技 术 、 优 化 技 术 及 控 制 技 术 ， 企 业 信 息 集 成 生 产 过 程管 理 系 统 MES、 上 层 ERP 系 统 和 底 层 控 制 系 统 PCS,实 现 了 管 控 一 体 化 ， 能够 确 保 系 统 获 得 长 期 的 业 务 与 价 值 。Fig.1-1 3rd Layer mode I of enterprise informationMES 基 于 上 层 计 划 管 理 系 统 ERP 生 产 计 划 ， 利 用 车 间 丰 富 的 实 时 现 场 信息 和 制 造 资 源 ， 对 生 产 活 动 做 出 快 速 反 应 。 1997 年 M

31、ESA 根 据 企 业 的 实 际 情况 ， 实 践 归 纳 出 H 个 主 要 的 MES 功 能 模 块 如 图 1-1,其 中 包 括 资 源 (如 材 料 、 工 具 、 机 械 设 备 、 员 工 、 其 他 设 备 及 文 档 等 )分 配 和 状 态 管 理 、 工 序 详 细 调 度 、 过 程 管 理 、 生 产 单 元 分 配 、 维 护 管 理 、 人 力 资 源 管 理 、 文 档 控 制 、 性 能分 析 、 质 量 管 理 、 数 据 采 集 、 产 品 跟 踪 和 产 品 清 单 管 理 7_9。在 1993 年 和 1996 年 MESA 针 对 “实 施 ME

32、S 能 给 企 业 带 来 的 好 处 ”对 那 些 实 事 了 MES 的 企 业 进 行 了 两 次 调 查 问 卷 ， 调 查 结 果 显 示 事 实 MES 给 企 业 带 来 了 巨 大 的 经 济 效 益 （ 如 表 1-1),提 高 了 企 业 在 行 业 中 的 竞 争 力 。表 1-1 MES 应 用 产 生 的 经 济 效 益 单 位 ： Tab.11 Economic benefits of MES application unit %序 号 项 目 效 益1 制 造 周 期 缩 短 452 数 据 输 入 时 间 缩 短 753 半 成 品 数 量 减 少 244 为 交 班 而 准 备 的 纸 面 工 作 量 减 少 615 引 导 时 间 缩 短 276 因 纸 面 工 作 所 带 来 的 损 失 减 少 567 产 品 缺 陷 降 低 18