一、CYL-MES系统方案设计

在生产中应用以IT为基础的系统，例如MES系统，必须满足对其他系统结构产生影响的特殊要求，如这些预先给定的要求：信息采集集成、数字孪生映射、可用性要求、人机工程学和可操作性，或者设备装置形成的环境条件。因为每一个生产条件都是独一无二的，刚性的MES系统灵活性较小，要以合理的成本适应这些给定的边界条件。这些给定的边界条件是由具有不同设计的生产过程的异构设备环境所组成的。现代MES系统必须根据客户需求，对不同的条件能可变的调节，保证系统不仅与生产层还能与管理层进行无缝的通信。因此，在CYL－MES系统的设计中，主要考虑以下的要求：

（1）模块化构建的标准软件要满足用户不断增加的需求（可扩展性）。

（2）考虑市场上MES系统和IT的规范（如操作系统、数据库等）。

（3）完整构造在所有生产过程中产生的数据（信息集成）。

（4）与周边其他信息的通信，例如ERP系统、设备和装置的控制或子系统。

（5）标准模块不仅容易适应生产过程，而且也容易适应用户的功能。

（6）高可用性和数据安全性。

（7）简单、符合人机工程学的数据采集功能。

（8）构造个性化的操作和计算方案。

为了满足上述的要求，根据最新发展的技术，开发了面向服务架构标准（SOA）的CYL－MES系统。这意味着，内部模块化结构以“服务”的相应形式，提供给MES系统服务。通过现有的软件模块可变组合形成的服务，在系统里提供所需求的MES系统结构。CYL－MES系统的整体服务架构方案如图1－22所示。

图1-22　CYL-MES系统的整体服务架构方案

由图可见，CYL－MES系统的整体架构主要由车间层、数据层、应用层和表现层构成。①车间层：包括生产过程中不同品牌、规格、型号的传感器、PLC、条码、数控机床、机器人等感知和执行单元。②数据层：该层主要实现制造过程数据采集与传输。数据采集的方式主要有传感设备、RFID设备、扫码设备等。③应用层：实现系统业务逻辑，即将生产管理、设备管理、人员管理、质量管理和物料管理等功能置于该层。当客户端提出任务请求时，应用层向数据层提出数据提取请求，并对提取出来的数据进行处理，将处理的结果通过应用服务器传送回客户端。④表现层：是用户与系统间信息交互的接口，负责结果展示及数据收集。车间层数据操作用户通过访问客户端应用程序，完成数据的人工录人和提交；生产管理层用户通过访问接口进行信息浏览和查询。

整体而言，CYL－MES拥有较高的柔性和丰富功能，能够有效地集成A机械集团有限公司的现有系统环境，以支持所有业务流程的执行。

二、CYL-MES硬件环境架构

1.缸体加工数字化车间环境

CYL－MES应用的缸体数字化车间主要包括一个环形生产线（如图1－23所示）和五个线边工位（如图1－24所示）。

CYL-MES硬件环境架构

图1-23　缸体数字化车间环形生产线

图1-24　缸体数字化车间五个线边工位

（1）CYL－MES数字化车间线上工位。

①工位一（铸造）：铸造工位配置了工频电炉和模具等设备。电炉实现铝合金／灰铸铁母液批量、连续熔化，电子配料系统自动配料；同时通过数据采集实时监测炉内熔解温度、时间、天然气压力等工艺参数。模具用于制造砂型，将铁水溶化后浇入模型中，冷却后开箱、清砂，完成毛坯制作。

②工位二（热处理）：热处理工位配置了电阻炉、铸造机等设备，完成缸盖缸体铸造成型、震砂、热处理和切割浇冒口等工序。铸造机配有智能加压控制系统、模温监控系统，智能加压控制系统可以监控电阻炉溶液温度、炉气温度、压力参数、充型位置等工艺参数。模温监控系统实时监测模具温度，及时反馈并调整工艺参数，实现铸件的顺序凝固。

③工位三（粗加工）：粗加工工位配置了数控加工中心，用于对缸体各面、孔等进行初次加工，目的是减少精加工加工负荷、控制加工切削量，以便后续精加工时产品质量更加可控。另外在上料位置增加了光感传感器，用来对不同机型缸体进行识别防错。

④工位四（清洗试漏）：清洗试漏工位配置了清洗机、试漏机等设备。清洗机主要用于对经过加工的工件水道、油道以及面和孔进行深度清洗，以便试漏机对工件进行泄漏测试。试漏机主要用来检验工件是否存在内部泄漏，探测可能存在的铸造缺陷（如气孔、砂眼等）。

⑤工位五（精加工）：精加工工位配置了拧紧机、研磨机等设备。拧紧机用于安装曲轴轴承盖，并通过在线扭矩测量实现关键加工参数的实时控制。加工中心分别进行粗镗和精镗，将孔加工到图纸要求尺寸。

⑥工位六（打标）：打标工位配置了打标机。当生产的产品检验完成后，生成产品整个生产过程工艺参数的二维成品码，通过激光打标机进行二维码激光雕刻，实现产品生产全过程的信息追溯。

⑦工位七（包装）：包装工位通过人工手工进行装配操作，将生产的产品放入到包装袋中，做好产品的封装和保存。

（2）CYL－MES数字化车间线边工位。

①生产管理工位：生产管理工位配置了计算机、IPAD等终端设备。本工位承担了所有的生产管理工作，包括生产计划制订、生产排程、任务分派下达、生产跟踪控制、查询统计和绩效管理等。

②物料成品库工位：物料成品库工位配置了计算机、扫码枪等设备，本工位包括物料库库位和成品库库位。库中存放灰铸铁、铝合金、曲轴轴承盖以及加工完成后的成品。生产订单下发后，由人工从本库取出相应数量的原料，放入料盒，推送至线边库工位。本工位中的计算机用来使用MES中的库存管理功能。

③线边库工位：包括配置手持PAD、扫码枪和分料盒等。生产订单下发后，由原料库将原料运送到生产线边库。线边库管理员使用手持PAD上的线边库收发物料管理进行物料的收发操作，然后再将原料、轴承盖用分料盒配送至相应的工位。

④维修工位：包含计算机和扫码枪等设备。在环形线工位上发现的异常在制品都被转至维修工位进行维修操作，修好后再将其返还到环形生产线中。

⑤终检工位：包含计算机和扫码枪等设备。成品加工和装配完毕后，由包装工位操作工手动将产品转至本站，进行产品质量确认。终检完成后，在计算机上生产产品入库单，将产品送至成品库位进行入库操作。

2.CYL-MES网络拓扑结构

CYL－MES网络拓扑结构如图1－25所示。基于有线网络／4G／5G网络实现每一单独工件、每道加工工序的身份识别；基于工业协议转换器链接每一台设备的控制器，实现所有设备的互联互通互操作；基于数据层实现机器视觉、温度传感、能源仪表等各种智能传感和仪表的互联及数据采集。有线网络、无线网络覆盖整个车间，连接设备、传感器、智能仪表、卡看板、现场终端等几百个网络节点。

图1-25　CYL-MES网络拓扑结构(www.daowen.com)

3.CYL-MES数据采集方案

（1）车间物理连接服务。

CYL－MES系统与设备、装置、控制系统和刀架等其他生产设施间的通信，承担了所谓的车间物理连接服务。根据要求以及技术的可能性，在设备侧开始丰富地实现简单设备接口的可能性，通过与设备传感器直接连接，能够轻易地获取节拍和数字信号，以及模拟测量值如温度、压力、转速与速度等。这些都可以变成一个简单的记录。选择价格合理的设备，通过一个串行接口与BDE终端直接连接，或通过CYL－MES系统中局域网加以集成。按照要求，设备接口根据需要模块化地加以扩展具有基于工业标准的安装和连接选项。

为提高有关数据交换的要求，调整数据或NC记录首先要传送到控制系统，使用CYLMES系统进程通信控制器（Process Communication Controller，PCC）。进程通信控制器拥有支持多种协议和接口技术的丰富的驱动程序库。该驱动可被配置，由此按照响应的应用目的或使用情况加以个性化的调整。对于MES系统，进程通信控制器确保一个统一的、面向应用的视图，并承担“翻译”成具体的设备／自动化语言。

进程通信控制器支持一系列的特定部门的工业标准。例如，在塑料生产中注塑机集成的Euromap 63标准，或用于饮料和食品工业罐装生产线的连接的魏恩标准。高效而广泛应用的OPC（OLE for Process Control，过程控制OLE）接口可以用PCC实现。而针对A机械集团有限公司生产车间实际情况，CYL－MES进程通信控制器通过标准化接口提供多样化的设备连接，如图1－26所示。

图1-26　CYL-MES进程通信控制器通过标准化接口提供多样化的设备连接

（2）采集和信息面板。

采集和信息面板（Acquisition and Information Panel，AIP）是基于Windows的用户界面，并作为人与MES系统之间的连接器。使用对话窗口实现相关数据的人工采集，在生产部门使用触摸屏和其他外围设备，如条形码或RFID读取器。因为采集对话窗口可以个性化地配置，所以采集和信息面板为每个任务提供正确的采集对话窗口，如图1－27所示。伴随着的信息，例如工件物料清单、工艺流程、检验指令或图样，可以为工人建立少纸化甚至无纸化生产的显示功能。同时，显示数控数据和调整参数，并直接输送到设备和装置控制器中。

为了简化数据采集和避免输入错误，可以从计量和检验设备中直接读取结果，并输入对话框中。

通过应用现代的界面构建采集和信息面板（AIP），并且根据在生产中用户的需求量身定制。通过应用程序组的划分以及在特殊情况下对每个工作地个性化配置，为员工和设计人员提供他们真正需要的功能，并符合他们正常的工作流程。为了直观地处理，多层次的输入窗口考虑了适用于所有MES应用的基于应用的采集工作流。这些应用从通过常规的BDE／MDE对话窗口进行人员时间采集的简单应用（如上下班打卡），直至物料记录、检验结果或者批次和批号的完整应用。

（3）备用的数据采集功能。

可以使用移动设备诸如智能手机或PAD，如图1－28所示，这是非常有意义的，特别是在大型生产领域里采集现场数据。

图1-27　在BDE上简单对话例子和工人自检验AIP应用

图1-28　在智能手机上CYL-MES系统应用的例子

用户界面与终端设备屏幕自适应匹配，使用基于浏览器的界面采集数据和信息检索。例如，员工在工作地或者职工公司通过连接在互联网的个人计算机上，进行生产工序的查看、接收、执行和完工层操作。

系统功能设计

三、CYL-MES软件功能设计

1.CYL-MES软件功能结构

根据客户提出的要把车间生产管理“人”“机”“料”“法”“环”五大要素信息相连，通过MES系统的数据分析与统计实现对生产管理智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的功能目标，遵循ISO／IEC 62264中制造运行管理模型的四大管理范畴（生产运行管理、维护运行管理、质量运行管理和库存运行管理），CYL－MES从数据管理、生产管理、物料管理、质量管理和设备管理五个方面进行功能模块设计，具体功能结构设计如图1－29所示。

图1-29　系统具体功能结构设计

（1）数据管理：主要实现对产品、产品物料清单、产品工艺的管理及工厂日历的管理。本模块为车间生产计划的制订及调整的基础依据。

（2）生产管理：主要实现编制各车间生产计划，参考各车间信息实时生产进度，协同监控各车间生产计划执行情况。参考装配齐套查询功能、车间装配、生产进度报表以及生产能力，对下月计划进行统筹编制和调整。

（3）物料管理：用于实现对原料、零件、半成品、成品进行管理。此模块可以与ERP系统进行集成应用，向ERP系统提交物料申请计划，直接接收总厂配送的物料，减少库存管理人员的工作量，加快物料流转过程中业务处理数据，并提高准确性。

（4）质量管理：用于提供工序质检结果的记录功能，针对不合格的工序，系统提供维护质量判定结果的录入功能，同时支持根据不同判定结果，判断是否需要生成不合格品通知单信息，以及不合格品通知单的详细信息维护信息。

（5）设备管理：用于实现对设备整个生命周期的管理，通过对设备联网和设备通信的改造，对设备运行数据和生产数据实时采集，实现对设备操作过程实时监控、设备故障自动预警，从而使设备保持良好的运转，提高资源和设备利用率，挖掘生产潜力，提高企业效益。

2.CYL-MES软件部署

CYL－MES软件部署图如图1－30所示。

CYL－MES软件包含两大类：服务器端和客户端。服务器端程序部署在一台服务器中，其中包含数据库系统、应用服务器软件和MES服务器软件。系统提供了两种形式的客户端程序，包括Web页面和App，每种形式的客户端又分为不同用途的客户端，具体介绍如下。

（1）生产管理客户端与车间大屏。生产管理客户端与车间大屏位于车间的管理区。生产管理客户端是Web页面形式，用计算机上的浏览器访问。该客户端软件提供了所有生产管理功能，包括基础数据管理、生产计划制订、生产排程、生产任务下达、生产跟踪与控制、生产信息查询与统计以及生产绩效管理等。车间大屏用于实时显示车间的各种生产数据，便于管理人员及时了解生产运行情况。

（2）工位生产客户端：工位生产客户端位于环形产线的每个工位上，以App形式提供，用工位PAD访问。工位生产客户端用于接收工位生产任务，采集工位生产数据。

图1-30　CYL-MES软件部署图

（3）库存管理客户端：库存管理客户端位于物料成品库工位，以Web页面形式提供，通过计算机上的浏览器访问。库存管理客户端包含的功能有：物料库位管理、物料出入库管理、成品库库位管理和成品出入库管理。

（4）线边库收发料客户端：线边库收发料客户端位于车间的线边库工位，以App形式提供，用手持PAD访问，主要功能是接收库房发来的物料包，按照工序物料需求，将物料精准配送到生产工位上。

（5）维修客户端：维修客户端位于车间的维修工位，以Web页面形式提供，用计算机上的浏览器访问。维修客户端用于处理从环形产线上的工位传来的维修任务。

（6）终检（FQA）客户端：终检客户端位于车间的FQA检验区，以Web页面形式提供，用计算机上的浏览器访问。FQA客户端接收最后一道工序传来的产品信息，如果检验不合格，则退回工序；如果检验合格，则生产成品入库单。

（7）质量客户端：质量客户端位于车间的质量站，以App形式提供，用手持PAD访问，用于处理物料异常，首检检验和巡检。