压力变送器制造车间MES的设计与实现

崔 晨

(上海自动化仪表有限公司，上海 200072)

0 引言

压力变送器制造车间具有品种多、小批量生产等特点。车间排好生产计划后，往往根据经验制定物料需求计划和领料单，这样就可能导致物料不够或浪费。在制品跟踪过程中，采用纸质卡片形式，无法做到流程实时共享；插单现象也容易造成生产管理混乱等。传统方法缺乏生产执行数据的广度和深度[1]。

制造执行系统(manufacturing execution system,MES)的突出特点是优化生产过程[2]，协调生产任务。将MES引入企业压力变送器的制造车间，可实现制造自动化，从而提高生产力和竞争力[3-4]。

1 压力变送器车间工艺流程

首先进行半杯体加工、零件清洗、玻璃烧结、球面磨削、再清洗、真空镀膜、膜片处理、膜片张紧等，这些工序统称为电容传感组件制作；然后对膜盒进行焊接、在膜盒中心位置进行灌油；最后进行膜盒封装，并贴上二维码作为标志。压力变送器的生产工艺流程如图1所示。

图1 生产工艺流程图

电路板用于三防处理和温度测试等。在机械构件加工并且检测合格前提下，进行整机装配。整机根据量程范围进行温度补偿、整机调试，在所有工序完成后包装出厂。生产过程中，在每一道工序完成后都会进行半成品检验，对不合格品进行统一报废处置。

2 MES功能模块设计

2.1 系统模块架构

基于压力变送器车间生产特点设计的MES主要包括基础信息管理、生产过程管理、生产调度管理、查询和报表管理、可扩展接口等五部分。

基础信息管理主要用于对登录系统的用户进行管理、跟踪车间设备信息、对车间内物料移动进行计划监视、记录每天系统数据更新情况等。

MES架构如图2所示。

图2 MES架构图

生产过程管理中，电容膜盒是压力变送器重要的检测元件，相应关键工艺参数都要分步记录在MES中。温度补偿是保证变送器数据准确测量的前提。为准确得到各个点的补偿值，需要进行装配、校验、包装、统计、质量检测等工作，实时记录每一批次产品的最终采集信息，严把产品质量关。

按照生产计划或订单需求，生产调度管理用于对生产运营的整个过程进行协调和管理，并对每一环节进行更优化的排产，控制生产过程中的物料流和库存。有偏差时，系统及时响应和报警。

当压力变送器出现返修时，系统能在尽量不影响当前生产任务的同时，在对应生产环节进行插入式排产，并对返修过程进行记录。膜盒的制作周期较长，可以作为半成品进行出入库管理。通过看板实时显示车间的生产过程，从而提高加工效率。

查询和报表管理便于管理员进行记录追踪和存档工作。生产过程中的任一环节可作任意级对应的关联查询，并且在一些必要的环节设定报表查询功能，以便产品跟踪，实现半成品、成品从原材料、生产加工、装箱全流程的质量信息管控。

2.2 系统模块流程

MES生产规划运行流程如图3所示。通过企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)或管理员调度产生订单和料号，保证订单数据的准确性，同时防止产生重复的号码。采用统一的流程管理，防止生产过程顺序错误。每个制作环节都有相应的半成品系列号条码，方便进行相关联的数据追踪，防止因产品不合格造成后续成本的浪费。

图3 MES生产规划运行流程图

系统流程精确到每个环节的作业过程。系统流程如图4所示。

图4 系统流程图

通过统一的生产工序管理，在数据采集端，利用无线射频识别(radio frequency identification，RFID)和条形码技术选择生产任务[5]，降低输入错误率。每个产品零件上都有唯一条码，以便系统作关联记录和统计。

MES能对车间在制品、库存等全程进行动态管理和监控；能将正在加工的产品名称、工序号、批次号、编号等信息直接显示于工位看板。这样大大减少了工人的工作量。工人完成自己相应工序后，相关数据随即被输入数据库中并加以保存。当车间现场发生意外情况时，相关部门迅速得到信息，及时作出调整，排除事故，使后续生产顺利进行。

3 MES实现方法

3.1 整体思路

MES采用客户机/服务器(client/server,C/S)模式。C/S模式具有界面清晰、数据实时处理能力强、传输速度稳定、安全性好等特点，能满足车间各制造环节频繁地与系统相关功能模块通信的要求。系统分为客户端、服务器、数据库三层。数据库不再与客户端直接相连，而是通过若干业务逻辑构建共享数据库，从而减少双方的连接次数，提高数据库服务器的运行效率和安全性能，也方便系统的维护。

服务器采用Servlet技术开发[6-7]。数据库管理系统采用MySQL软件定义、存储数据。

3.2 客户端

客户端使用微软推出的用户界面框架(windows presentation foundation，WPF)。它以DirectX为核心绘图函数，视觉效果更佳。其外观使用可扩展应用程序标记语言(XAML)设计，操作行为则使用C#语言实现，界面清晰美观[8]。

根据系统模块架构和车间工区划分情况，将客户端界面主菜单分为半杯体制作、膜盒制作、传感头装配、温度补偿、总装、质量检测、生产调度管理、查询和报表管理、基本信息管理。菜单需要根据工区进行权限设置，不同工区的工人只能对自己的作业页面进行操作；管理页面只对参与相关管理工作的人员开放权限。客户端既支持工人扫描自身工号二维码登录，又支持扫描工单自动弹出相关作业。

客户端使用HTTP协议发送Request请求给服务器，待服务器处理完成准备进行Response响应时，会将响应封装成Json格式回传给客户端。客户端收到后对Json包进行解析，并进行相应的用户界面处理。客户端采用POST方法推送数据至服务器。

服务器利用StreamReader类获取GetRespons-eStream的内容，并以StreamReader类的Read方法依次读取每一行的内容直至行尾，实现数据格式转换。核心代码大致如下。

Stream respStream = response.GetResponseStream();

//响应信息为Stream

StreamReaderrespStreamReader = new StreamReader(respStream,Encoding.UTF8);

//UTF8解析

byteRead = respStreamReader.Read(cbuffer,0,256);

//解析放入byteRead

respStream.Close();

客户端会事先和服务器定义每组Json包的数据类型和结构形式，然后通过JsonConvert.DeserializeObject(strBuff)反序列化，将收到的Json包进行数据解析。解析后的相应字段可显示在客户端。

3.3 服务器

服务器主要用于处理客户端请求。Servlet工作原理如图5所示。当服务器响应后，把请求转交给Servlet引擎进行处理。如果Servlet中含有访问数据库的操作，则还要通过Java数据库连接(Java database connectivity，JDBC)驱动对数据库进行操作访问，最后Servlet将动态生成的信息发送至客户端[9]。

图5 Servlet工作原理图

在一个Servlet周期，要调用init()方法和destroy()方法。init()方法在javax.Servlet接口中定义，完成初始化工作。初始化后Servlet接受客户端请求。当处理请求完成时，destroy()方法被调用，释放init()方法中申请的资源。而Servlet处理请求的流程大致为：Servlet根据请求创建对象HttpServletRequest和HttpServletResponse，然后调用doPost()方法响应客户端请求。

HttpServletRequest接口主要包含getCookie()方法和getSession()方法，分别用于存放客户端的Cookie数组和获取当前HTTP会话对象。HttpServletResponse接口是对客户端的HTTP响应，其中包含的addCookie()方法和setStatus()方法，分别用于向响应结果中加入Cookie和将响应状态码设定为指定值。此外，Servlet分配1个Session用于存放客户端的状态信息，getId()作为Cookie保存在客户端中，用于让Servlet读取并找到相应的状态信息。invalidate()可以定期释放Session占用的资源；setAttribute(name,value)和get Attribute(name)用于读/写Session中的属性值；isNew()用来判断Session是否为新创建。

服务器根据客户端的请求类型，对系统中的应用逻辑进行判断和处理，并将处理结果返回给客户端。

3.4 数据库

MySQL数据库可以运行在不同的操作系统，实现多用户、多线程、多语言的程序接口[10]。根据压力变送器的工艺流程，数据库主要表单名称及内容如表1所示。

表1 数据库主要表单名称及内容

表1中：质量检测关联了五大工艺中所有的检测数据；账号管理则覆盖了整个MES系统。

五大工艺流程中，各环节的批号和编号具有相关性。膜盒制作由两个批次相同的半杯体组成；变送器在完成膜盒、电路板等元件组装后，会根据出厂编号进行温度补偿和总装。

MySQL提供了一套JDBC。它由一些类和接口组成，用于实现通信，并访问、操作数据库，使得开发和操作数据库可以直接调用，无需考虑资源内部的问题。操作数据库的步骤大致如下。

①加载MySQL的驱动。

String driver = "com.mysql.jdbc.Driver";

②定义要连接数据库的url地址。

String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/mes_db";

③加载数据库驱动。

Class.forName(driver);

④调用DriverManager的getConnection()方法，获得对象。

conn =(Connection) DriverManager.getConnection(url,用户名,密码);

⑤连接完成后，针对数据库操作中不带参数的SQL语句，使用Connection接口的createStatement()方法传递。

Statement stmt = conn.createStatement();

而对数据库中的表进行插入、更新、查询、删除等带有参数的操作，使用Connection接口的prepareStatement()方法传递。

PreparedStatementpstmt =(PreparedStatement) conn.prepareStatement(“insert、update、select、delete的SQL语句”);

pstmt.setString(1,user.getName());

//对数据库进行操作

inti = pstmt.executeUpdate();

//执行insert/update/delete等语句时使用

inti = pstmt.executeQuery();

//执行select/update等语句时使用

⑥操作完成后关闭JDBC对象，释放所有资源。

4 结束语

MES实现了压力变送器制造车间的信息共享，将制造计划与实际生产相结合，提高了生产设备的利用率和企业的管理效率，实现了车间管理流程的信息化。系统既具有简单实用、可配置性强、界面简洁等特点，还具有一定的扩展性。该系统为企业实现信息化制造、信息化管理和提高自身竞争力提供了一定的参考。

[1] 丛力群,毕英杰.打造数字化协同制造企业——MES未来发展的新方向[J].自动化仪表,2010,31(10):1-4.

[2] 黄河清,俞金寿.面向流程工业的MES及其关键技术[J].自动化仪表,2004,25(1):10-15.

[3] PAN F C,SHI H B,DUAN B.Manufacturing execution system present situation and development trend analysis[C]//2015 IEEE International Conference on Information and Automation,2015:535-540.

[4] LEE S W,NAM S J,LEE J K.Real-time data acquisition system and HMI for MES[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26(8):2381-2388.

[5] 张明虎,张暐,殷欣,等.RFID手持设备追溯管理系统设计与实现[J].自动化仪表,2017,38(1):57-60.

[6] 林立.微软解决方案架构与MES项目实施[J].自动化仪表,2008,29(2):134-137.

[7] MACHIDON O,SANDU F,CHITIC M,et al.Design and deployment of reconfigurable hardware using web services[C]//Networking in Education and Research Joint Event RENAM 8th Conference,2014:1-6.

[8] WILLIAMS M.Visual C#.NET技术内幕[M].北京:清华大学出版社,2007.

[9] 刘晓峥.浅析基于JSP技术的JavaBean和Servlet[J].科技视界,2015(34):241-241.

[10]胡敏.Web系统下提高MySQL数据库安全性的研究与实现[D].北京:北京邮电大学,2015.