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面向MES的车间生产调度系统的研究与实现 |
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作者：许文砚 叶文华 |
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引 言
车间作业调度指根据车间实际加工过程中随时出现的情况，对车间作业计划做出调整和修改，使车间生产得以顺利进行，保证零件按期交货。车间作业调度是生产管理的重要职能，是对生产计划的补充和完善，主要包含被加工工件的动态排序和生产资源的实时动态分配两方面的内容。
近年来，随着信息化技术的不断提高，位于企业上层计划管理与底层工业控制之间的制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）逐步形成并得到迅速发展。作为MES的一个重要环节，车间作业调度贯穿于企业的整个生产过程中，是保证车间生产在动态实时环境下能够高效可靠运行的关键。有关资料表明，制造过程中的大部分时间消耗在非切削过程。因此，有效的调度方法和优化技术可以使车间设备和人员得到充分的利用，赋予企业生产活动以柔性，提高效率，降低成本，实现企业利益的最大化。
针对MES中的生产管理进行深入研究，在此基础上开发了适用于中小型企业的生产调度原型系统，并详细分析了该系统的功能特点以及具体的实现方案。
1 系统设计思想
MES的应用环境主要是生产车间，其任务是对整个车间的制造过程进行优化，根据动态生产过程中的实时数据做出相应的分析和处理，为操作人员和管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源的当前状态信息。
生产调度作为MES中的重要模块，对应于生产管理系统的短期计划安排，主要目标是通过良好的作业加工排序最大限度减少生产过程中的准备时间，优化某一项或几项生产目标，为生产计划的执行和控制提供指导。生产调度直接控制生产的稳定和有序的执行，良好的生产调度能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间的流动时间，减少在制品库存，保证准时交货。MES是面向敏捷车间的先进生产管理系统，如何设计并实现作为其核心功能的调度系统是重要的研究内容。
在不同的问题环境中，生产调度的优化目标也不同（如加工总流程时间最短、零件按期交货、设备利用率最高等），目前还没有哪一种算法能够使得各种性能指标均取得较为满意的值。另外考虑到车间生产过程的动态性，完全依靠计算机进行调度可能无法满足实际要求。因此，本系统的设计构想是：针对不同的优化目标设计不同的调度算法，对零件进行初步加工排序并以甘特图显示调度结果，同时结合直方图对机床加工负荷进行分析与安排，充分发挥调度人员的智慧和经验，通过人机交互对调度结果进行手动调整，直至满足要求。基于以上思想，车间生产调度系统的流程图如图1所示。
图1 车间生产调度系统流程图
2 系统模块组成及主要功能
系统包括以下几个功能模块：系统管理、基础数据管理、调度数据管理、算法设计、加工调度、人工调整、车间信息显示、检测加工冲突和调度结果输出，各模块的关系及详细功能划分如图2所示。
图2 车间生产调度系统功能模块
主要功能模块说明如下：
a）调度数据管理模块：该模块的主要功能是为每组加工任务建立一张调度表，用以对排序计算所需的基本数据（包括零件编号、工序编号、批量、加工时间、所用机床等）进行管理，在算法设计时将直接从选定的调度表中提取数据进行加工排序；
b）算法设计模块：在本系统中采取基于规则的启发式方法来解决多道工序竞争一台机床时的工件排序问题和一道工序可在多台机床上加工时的机床选择问题，该模块包含几个子模块，以对应不同的优化目标，根据相应的目标分别选择优先分配规则并进行算法设计；
c）加工调度模块：根据定单情况和实际生产需要选择调度目标，通过已设计好的算法对零件进行加工排序，确定每台机床上不同工序的加工顺序和各道工序的开工、完工时间，并将排序结果用甘特图的形式显示在屏幕上；
d）人工调整模块：利用调度人员的经验对动态生产过程中的实际情况进行分析和处理，通过人机交互，对计算机排序结果进行手工拖动，直至获得满意的结果；
e）车间信息显示模块：以甘特图的形式显示零件的工艺路线及每道工序的加工状态，以直方图的形式显示每台机床的加工负荷，作为人工调整的依据；
f）检测加工冲突模块：人工调整之后，检测每台机床上不同加工任务之间是否存在时间重叠，即某道工序的开始时间是否在该机床前一加工任务的结束时间之前；对于某些多工位允许有部分加工重叠时间的机床，则检测其加工重叠时间是否在允许的时间冲突范围内；
g）调度结果输出模块：保存最终调度结果，并以甘特图和数据表格两种方式输出，甘特图使得各台机床上所安排的加工任务及其先后顺序一目了然，数据表格为调度人员和操作人员提供工序开始时间、加工时间、结束时间等详细数据，此结果即作为车间生产的依据。
3 系统实现关键技术
3.1 调度结果的显示
对于调度人员及操作人员来说，调度结果的显示要求简单明了、方便查询，并能提供每道工序的基本加工信息。本系统采用两种甘特图来显示调度结果：一种以机床为纵坐标，显示每台机床上不同任务的加工顺序，为操作人员提供加工依据；另一种以零件为纵坐标，显示不同零件的工艺路线及每道工序的加工状态，方便调度人员在不同时间段对零件的加工进程进行查询。
甘特图2的每项任务（即每道工序）均由程序内部控件生成，在基础数据管理中设定零件的颜色代码，显示调度结果时同一零件的各道工序用同种颜色表示，而不同零件的颜色不可重复，以便于调度人员进行浏览。考虑到甘特图是从总体上显示该车间整批加工任务的调度结果，无法显示精确信息，因此在结果输出界面中设置工件基本信息框，当选中某道工序时在信息框中显示该工序的基本加工信息，包括工件号、工序号、加工设备、开始时间和结束时间等。
3.2 人工调整
将调度结果甘特图中的各道工序设置为允许鼠标进行拖动，则可根据车间生产的实际情况对计算机排序结果进行手动调整，同时工件基本信息框中的加工信息也将随着工序位置的变化而改变。手工调整有以下几点约束：某道工序移动时，其同一零件上的后续工序将同时移动相应的时间长度；工序向前移动时，其开始时间不能大于其前道工序的结束时间；零件第一道工序的开始时间不能小于零。
3.3 调度结果存储方式
在数据库中，调度结果用临时表和正式表两种方式进行存储。临时表只有一张，用来存储计算机排序后的临时加工数据，生成甘特图时将从此表中提取数据。调度结果经过人工调整，满足车间生产实际情况和机床能力要求后，方可存入与相应加工任务表同名的正式表中，永久保存调度结果且作为派工依据，同时将删除临时表中的数据。
3.4 系统实现
鉴于上述系统的设计思想和关键技术，本系统采用Client/Server结构，以Visual Basic6.0为开发工具，利用ODBC接口（open database connectivity，开放式数据库连接）访问数据库管理系统，开发出简单实用的车间生产调度系统，其调度主界面如图3所示。
图3 系统调度主界面
4 结束语
针对MES中生产管理的具体要求和特征，提出了一种面向中小型企业的车间生产调度系统模型，并开发出了实用的原型系统，针对不同优化目标对零件进行计算机排序结合手动调整，从而合理安排生产过程和机床负荷，减轻调度人员的负担，优化车间生产运作，提高生产效率。
本系统操作方便简单，人机界面友好，且采用模块化结构，便于扩充，既可以作为一个独立的车间生产管理系统运行，也可以与上层的ERP、MRPⅡ等管理系统进行信息关联，为其提供车间生产数据。(end)
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(10/20/2009) |
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