团围四固团口 8 i仿，攫壤ICADICAMIC A EICAP P面向柔性MES的制造资源数据模型构建张大凯，葛茂根，蒋增强。张铭鑫合肥工业 大学机械与汽车工程学院，合肥230009)Manufactu reResourceDataModelConstructionf orF lexibleME SZHAN GDa-kai，GEMao-gen，JIANGZeng-qiang，ZHA N GMing-xin(SrhoolofMechanicalandAutom otiveEngin eering,Hef eiUniversityofTechnolog y，He伯j230009，Chin a)Abstract：Nowadaystheflexibledesignofm anufacturingexecutionsystembecom esincreasinglyimportantbecauseofthecharacteristicsofmuhivarietyandsmalllotmanufacturing pat ternAccordingtoan alyzingthefu nctionofMES“intbeon-sitem anufacturingprocess，thispaperpr oposesthebasicdatarequir em entsontheplantm an ufacturingresou rcetom eettherequir ementsonflexib leproduction，andbuil dsproductstructureBOMdatam odelbasedonseriespartsT hen，pr oductpr ocessconfigurationismapped byusingthelinkingroleofprocess，inordertoachieveconfiguredflexibleME Swhichisputman ufacturing pr ocessasthecoreF inally，thispaperveri fiesthefeasibilityandef fectivenessoftheabovem entionedtheorybyusingtheapplicationofHF U T IEMESKeywords：MES；man ufacturingresour ce；B OM；processconfiguration；seriesparts随着企业 生产模式 向多品种小批量 的转化，不同产品的工艺规程各不相同，很容易造成操作工的混乱而出现漏装误装操作，因此，对车间现场生产过程 的指导和监控变得日益复杂。鉴于此，MES作为连接了企业计划层与控制层的车间过程控制系统日益受到企业 的青睐。本文针对 面 向多品种、小批量生产模式的过程，研究车间制造资源数据的管理模型，解决多品种小批量系列化产 品生产制造执行系统的柔性化配置问题。1制造资源数据管理的需求分析为了更好地说明柔性ME S制造资源数据管理的重要性，首先结合前人研究成果，分析了MES在多品种、小批量、系列化产品生产过程的功能需求，把ME S在车间现场生产过程中的作用分成三个层次：指导生产。依据生产过程中在线加工的产品种类，告知工作单元要完成什么操作(what)，在哪里做(where)，谁来做(who)，如何做(how)。监控生产。实时监控现场，发生异常则立即通知相关人员。信息追溯。根据产品条码 追溯到产品的生产加工过程信息，如批次号、零部件的供应商信息、质量信息等2 。MES要在企业 生产过程中发挥上述作用，如何设计合理的基础数据模型是系统实现成败的关键。如针对产品多品种、系列化的特点，如何有效地设计产品基础数据模型，最大限度地降低数据存储量、简化产品配置的操作4 2i机械工程师2010年第8期工作量、提高系统的运行效率，是首要考虑的关键 问题。在指导生产时，告知工序当前产品需要装配什么零部件，需要产品配置数据的支撑；描述由什么人、什么设备按照什么步骤来装配零部件，则需要_ 丁艺、人员及设备配 置数据的支撑。在监控生产时，监测工艺规格波动状况，需要工艺质量特性数据的支撑。保证产品与制定供应商提供的零部件正确匹配，则需要零部件供应商数据的支撑。鉴于此，将这些基础数据依据车间制造资源进行分类，包括：产品(零部件)基础数据、_ T艺基础数据、人员基础数据、设备基础数据，进而构建面向ME S的车间制造资源数据模型，为MES上层 功能的实现提供完整、高效的底层数据支持。2基于 系列的产品结构BO M数据模型2J基于系列 的结构BO M构造方法的提出在现代制造企业中，B O M(Bil lofMaterials)是核心的基础数据_ 3】 。在MES中，产品结构B OM是指导与监控生产的源头数据。考虑到多品种、小批 量系列化产品结构B OM“大同小异”的特点，如何合理地 设计BOM数据结构，最大限度地减少数据的存储量，便利柔性MES柔性配置变得尤为重要。鉴于此，本文提出“系列件”的概念，以最简化的方式完成同一系列下产品结构BO M中一级 父子关系的配置，进而通 过递 归 引用关系，实现整个BOM的配置。如图l中所示，通过定义产品与零部件父子系列件，把同一系列 下 产品结 构B O M中的相 同部分以产品系列为对象，进行“大同”配 置；由客户个性化定制的不同部分则以各产品本身为对象进行“小异”配置。因为同一系列下众多产品的结构B O M信息大部分相同，故称之为“大同”，由客户个性化定制导致的差异只占较少一部分，故称之为“小异”。22基于系列的产品结构BOM构造 过程当有多种产品或部件的结构BOM大致相同，只在使用一个或少数几个零部件时存在选 型差异，称这些产品的集合为系列件。在组成产品结构BO M树时，系列件与其他零部件一样，可以作为树 中的节点，供父产品或部件调 用、调用子部件或零件，另外，系列件 同样可以调用 子系列件。如图2(a)与图2(b) 所示，产品A与产品A：是两种类似的产品，在它们的BOM中，配 置的零部件大部分相 同，仅在部件g。与g：上有所不同，g。与g：的区别在于二者配 置的零件i与j2不同，我们把A。和A：归于系列件A培，和g：归于系列件g，j，和j2归于系列件j，这样，就可以把A。与A：的B OM合并在一张视图2(c)中，相对应的，我们在数据库中就省去了A。一aA。一f与A：一aA：一f、gl-h、gl-i与grh、gri的分别存储，代之以AaA-f、g-h、g-i的方式只需存储一次即可。这样，当与产品A。或A：的结构类似的产品比较多 的时候，这种构造方式所省去的关系数据存储量与配置操作工作量就相当可观 了。另外，如图2(d)中所示，当向一个已经 配 置完成的产品系列中新加入一个产品时，如将产品A，加入A系列件，A，将继 承A系列件 中的所有“大 同”配 置信息，同时继承所有“小异”配置信息的合集，然后 根据实际需求，对于”小异”合集进行手动修改。在此过 程中，数据库将检索仿一，毽臻ICADIC AMICAEICAP P圃固四唾匾殛A系列件所具有 的“大同小异”信息，为A，自动添加配置B O M记录，完全避免了A，的重复配置操作过程，最大限度地降低了工作量，实现 了产品结构B O M的快速创建。3工艺配置导 向的制造资源数据模型3J产品工艺配置的构建MES要指导车间组织生产，并在生产过程中监控实时信息数据与设定工艺标准是否一致，必须提供产品生产的工艺过程信息，而产品的工艺路线则是描述产品工艺过程信息的纲领性文件。本文用产品工艺配置数据来表达产品工艺路线，工艺配置是指对产品零部件制造工艺过程和装配工艺过程的描述，和各工序节点间的隶属关系，其展现在用 户面前的表现形式是产品工艺配 置树H 。产品结构BO M确定以后，产品配 置树也就相应确立起来了，针对产品配 置树的任一节点均要对其工艺过程设计。如图3中所示，自上而下其具体步骤如下：(1)确定根节点产品A的总装工艺路线，由工序A。和工序A：组成，并将这两道工序作为根节点A的子节点。(2)结合产品配置树与工序内容，获得在工序A执行过程中，需要安装部件a，在工序A：执行过 程中，需要安装部件b，进而获取部件a的分装工艺路线，包括工序a与1二序a：，部件b的分装工艺路线，包括工序b与工序b2,此时，我们把工序a。与工序a：作为工序A，的子 节点，把工序b。与工序b：作为工序A：的子节点。通过上述操作，以产品配置树为基础，把任意子节点的工艺路线以工序的形式分解，替代其在树中位置，再把各工序与该子节点的各子零部件节点对应起来，把各子零部件节点工艺路线 中的各工序作为上一级工序的子节点，以此类推，直至分解到零件节点不 再有子节点，这样就得到了产品工艺配置树。32产品工艺资源配置 的构建产品工艺配 置的建立，确定了产品的工艺路线，即明确了产品的生产需要经过哪些道工序，但是MES对生产的指导作用，需要让车间明确该工序是 由谁来操作、由哪台设备执行、工时定额 多少、需要使用哪些供应商的多少数量的零部件、需要检测 的质量特性数据有哪些等等5 。为此，本文以产品工艺配置为基础，通过构建产品工艺资源配置，以工序为核心，来实现各种制造资源数据的有机集成。产品工艺资源 配置树是以产品结 构BOM为基础，以产品工艺配 置树为导 向，以树 中各工序节点为核心，通过工序与各种制造资源的调用关系，对工艺配 置树进行资源信息扩展，形成的工艺资源配置树结机械工程 师2010年第8期l 43圃国四固团口 8 i 仿一，毽旗ICADICAMIC AEIC AP P构。它建立了产品数据与人员、设备、零部件、质量特性等其他制造资源的联系，对产品的广义工艺信息进行了全面描述。为了实现产品工艺资源 配置树以工序为核心对各制造资源的有机集成，在构建数据模型的时候，我们运用面向对象的技术，创建工序类，并以这个对象类为主体，创建物料类、设备类、人员类、质量特性类等，并标注它们之间的关系，来全面描述产品的工艺过程信息，进而为ME S实现指导与监控生产提供数据支持。如图4中所示，产品类与零部件类继承自超类物料类，工序类依赖于产品类，质量特性类则依赖于工序类；由工序执行过程中对人 员、设备、零部件的调用，得 到工序类与人员类、设备类、零部件类的关联关系；由人员对象按照部门来引导，得到人员类与部门类之间的组合关系，人员岗位类、绩效类、排班信息类则依赖于人员类；由设备按 照工作单元来引导，得到设备类与工作单元类之间 的组合关系，设备负荷信息类、维护信息类、通讯信息类则依赖于设备类。4应用实现本文所 描述的面向MES的制造资源数据模型已经在制造执行系统H F UT IEME S中得到了应用。HF U T IEME S是我们所研制的面向柔性生产环境的车间级 生产管理与调度解决方案，包含诸如产品BO M管理、产品工艺配 置管理、作业计划管理、物料配送、质量管理、设备管理、人员管理、可视化监控、产品生产过程信息报表站管理等功能模块。目前该系统已经在安徽安凯汽车股份有限公 司、合肥车桥有限责任公司、六安江淮汽车齿轮制造有限公司等多家企业成功实施并获得了显著效益。围绕ME S指导生产、监控生产与信息追溯这三个层次上的作用，以车间各制造资源为对象，描述在生产过程中各对象如何在MES的指导下执行生产和对生产关键环节 的监控，并形成产品档案，实现信息追溯。图5是MES系统制造资源管理的U ML活动图。图5中创建一组对象：工序、产品、质量特性、零部件、人 员、设备、档案表单与监控模块。粗竖线表示泳道，代表各对象对活动的责任，明确各活动是由哪些对象进行的。在ME S系统现场运行过程中，我们以一道工序为出发点，当工序到达工作单元 后，MES首先确定 当前正在生产 的 产 品编号，并得到其产品配置树，进而得到产品配置资源，系统实现界面如图6(a)所示，依据产品配置资源，MES为该