西北工业大学 工程硕士学位论文选题报告表 2015年 3月3 日 论文题目 数控加工生产线MES系统的设计与实现 论文类型 （请在有关项目下作√记号） 工程设计 研究论文 技术改造 工程管理 1 国内外研究动态 1.1 国外研究动态 数控加工生产线MES通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供了一种系统在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生调度等功能的方式。数控加工生产线MES强调控制和协调，从而使现代企业信息系统不仅有很好的计划系统如ERP、MRP II，而且更有能使计划落实到生产现场的执行系统。但是在20世纪90年代企业普遍采用的面向库存生产模式下数控加工生产线MES并未得到重视[1]。到了20世纪末期，随着JTT, TOC等新型生产模式的提出，以及客户、市场对产品质量提出更高要求，数控加工生产线MES才被重新发现并得到重视。同时在网络经济泡沫破碎后，企业开始认识到要从最基础的生产管理上提升竞争力，即只有将数据信息从产品级(基础数控加工级)取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。从这个时候起，数控加工生产线MES在国外被迅速而广泛地应用[2]。 数控加工生产线MES在国外尤其是美国和日本得到了广泛而深入的研究和应用。数控加工生产线MES国际联合会分别于1993年和1996年对实施数控加工生产线MES系统的企业进行了两次问卷调查，主要调查实施数控加工生产线MES给企业带来的好处，调查结果表明：数控加工生产线MES缩短制造周期 45%左右，降低在制品25%或更多，缩短生产提前期35%左右等等[3]。正是由于数控加工生产线MES在车间生产管理中的特殊作用，数控加工生产线MES软件产品得到了长足的发展，1995年AMR的统计调查报告显示[4]。数控加工生产线MES软件在1993年的市场份额达到1.5亿美元，在1994 —1995年数控加工生产线MES软件的市场份额以每年30%的速度增长，并预计在随后的十年里数控加工生产线MES软件的市场份额将会以每年30%或更高的速度增长[5]。正是由于数控加工生产线MES在车间生产管理中的特殊作用，国际上著名的软件厂商和企业界纷纷响应并加入数控加工生产线MES国际联合会，推出自己的数控加工生产线MES产品，例如，国际上著名的ERP软件供应商SAP公司在其产品SAP-R/3系统中整合了数控加工生产线MES功能，Honeywell公司也在它的协同生产管理解决方案(Unified Manufacturing Solutions)中整合了数控加工生产线MES功能，还有ASPEN Tech公司、EMERSON公司都在自己的产品中集成了数控加工生产线MES的解决方案[6]。在日本，生产管理协会、工厂数控加工推进协会、生产系统模型专门委员会、东京实践经营研究会、实践数控加工生产线MES研究会、工业调查会等组织经常组织数控加工生产线MES的调查、研究和召开各种主题专业会议。日本标准化与制造科技中心还制订发布了Open 数控加工生产线MES标准[7]。 1.2 国内研究动态 我国对数控加工生产线MES的研究开发起步较晚，目前主要停留在数控加工生产线MES思想、内涵及体系结构方面的研究上，应用系统开发一般局限于数控加工生产线MES单一功能。其主要特点是针对性强、实施周期短、资金投入少。我国的许多高等院校、科研院所都在从事这方面的研究与应用开发工作。在理论研究方面，加入了并行、敏捷、网络化、可重构等一些先进思想。在系统设计方面，则采用面向对象、构件、代理等技术，取得了不少有益的成果。九五期间，清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、南京理工大学、南京航天航空大学、华中理工大学等单位在国家863计划资助下在数控加工生产线MES理论与应用系统开发方面做了一定的研究工作[8]。 清华大学杨帆等提出一种基于Agent的分布式流程工业制造执行系统结构，这种结构非常有利于分布式流程工业制造执行系统的管理和控制，具有较好的柔性和扩展性；何霆等人构造了先进制造车间计划调度问题的基础功能模型，建立了作业分批与计划调度的数学模型，并给出了求解此类问题的常用算法：李黎等人提出了一种基于瓶颈分析的优先权调度算法，用于解决制造执行系统中的动态实时调度问题:周华等人提出了基于Agent模型、Role模型和Charactez模型驱动的机遇代理的制造执行系统体系结构，以达到快速控制系统的目的[9]。 浙江大学胡春等人在数控加工生产线MESA模型的基础上提出由计划执行与工厂管理、数据采集与处理两部分组成的数控加工生产线MES功能模型，并比较和分析了连续作业生产与离散工业生产对数控加工生产线MES各模块功能需求及模块间关系存在的差异[10]。 北京航空航天大学张书亭等人从建立敏捷制造企业的车间生产管理系统出发，分析和论述了制造执行系统的功能和应用特点，提出使用先进的数控加工生产线MES思想和软件辅助建立敏捷车间系统，他们还试图构建基于Agent的数控加工生产线MES框架结构以解决数控加工生产线MES的敏捷性，实现车间控制的柔性、快速反应性、动态重组和优化，曾波等人提出利用MAS建立分布式的数控加工生产线MES调度问题，周华等人基于Holon(全能体)构造数控加工生产线MES，阐述了在车间多变环境下，如何保证制造系统的伸缩性和敏捷性[11]。 南京理工大学孙宇等讨论了制造执行系统的本质，肯定了制造执行系统在企业敏捷制造战略中的重要地位，并建立丁具有良好的开放性、集成性并能适应不同制造过程的基于C/S结构及系统设计方法的车间控制(数控加工生产线MES)；夏敬华等人提出面向敏捷制造的车间先进管理控制系统(AMCS)，试图构建车间级的敏捷制造系统，在控制结构和功能拓展上，增强数控加工生产线MES的可重构性、可重用性和规模可调性；陈杰等人对制造过程建模技术及面向过程的车间管理和控制方法进行了分析和研究，采用面向对象技术建立了制造过程模型，实现面向过程的车间管理和拧制[12]。 南京航空航天大学曹江辉等人分析了制造执行系统产生的背景、发展趋势，从制造执行系统的软件实现方法包括领域分析、面向对象分析、面向对象设计和应用CORBA技术等，实现制造执行系统的可重构性；朱建江等人进行了基于Holon的可重构数控加工生产线MES的研究，定义了企业数控加工生产线MES的Holon模型，给出了系统控制软件的分布式网络计算模型，提出三种软件重构方式；杨浩等人采用面向分布式对象的远程方法调用技术，提出了一种开发开放式、模块化、分布式、可配置、可集成和可维护的制造执行系统框架的系统方法[13]；曹春平等人研究基于UML和Petri网的I-ME S建模技术，引入了Microsoft Windows DNA技术来满足买家环境下对制造执行系统的可基础性、可重构性、可适应性、可扩展性和互操作性的要求，并开发了相应的原型系统[14]；胡建等人研究了面向并行工程的制造执行系统，采用了运行状态实时采集技术、数字控制程序传输技术、不同数控系统集成技术、车间工作流程重组技术和系统可重构技术建立了面向并行土程的制造执行系统总体框架[15]；仟守纲等人利用误差反向传播神经网络研究了制造执行系统软件构件库构件的提取方法[16]；阎志华等在制造执行系统的开发中应用OAGIS标准来提高制造执行系统的可集成性[17]。 华中理工大学饶运清等认为数控加工生产线MES是实现车间生产管理敏捷化的基本技术手段，指出敏捷化、智能化和集成化是数控加工生产线MES技术与系统的重要发展趋势，并采用分布式人工智能中的MAS(Multi-Agent System)理论与方法以及基于CORBA的分布式对象技术研究敏捷化智能数控加工生产线MES框架模型，设计了Agent的统一结构形式以及各Agent之间的协作机制，并开发了相应的原型系统AI数控加工生产线MES，不仅能够满足数控加工生产线MES运行敏捷性的要求，而且具有可集成性好、智能性强、开放性好、互操作性强、可重构性好等特点;刘世平等提出了基于MAS的敏捷化车间管理控制系统的体系结构，采用面向对象的方法对Agent的构造进行了讨论，使数控加工生产线MES具有快速动态重组生产过程的能力；朱传军等应用基于CORBA分布式对象技术与规范对车间管理各功能构件进行封装和设计，开发了一个基于CORBA的可重构的数控加工生产线MES原型系统[18-20]。 其他还有宋海生等人研究了网络联盟企业中基于Web的分布式生产单元数控加工生产线MES软件体系结构，保证了集成平台的运控系统的开放性、可靠性和先进性；于海斌等人则对可集成的数控加工生产线MES技术体系进行了探讨，引入工作流管理技术、智能Agent和面向对象技术，提出了可集成制造执行系统的体系结构、运行机制和开发方法；张新聚等以机械生产车间为背景，研究了制造执行系统中的工具管理模式，给出了一个较为完善的系统模型，并分析了它与制造执行系统中其它子系统的信息集成方案；武力等似卷烟企业为背景，对批流程制造执行系统的应用特征、技术及其发展作了框架性的描述；北京理工大学的张志英等建立了基于多Agent的制造执行系统的应用框架结构，并对基于多Agent的制造执行系统的调度系统进行了研究，给出了制造执行系统的调度算法结构[21]；东北大学刘威等人以某钢铁公司选矿厂为背景，建立了基于ERP/数控加工生产线MES/PCS三层框架结构的生产过程动态成本控制系统结构，实现了成本的动态在线控制以及信息流、物流、资金流的集成，取得了良好的应用效果[22]；北京科技大学的李铁克等人在制造执行系统框架下，运用面向对象技术建立了炼钢车间生产调度的系统结构模型和动态行为模型，研究了人机交互、信息集成以及实用算法方面的系统实现技术[23]；柴永生等人提出了一个制造执行系统的柔性应用框架，该应用框架通过运用面向过程的对象分析技术、基于规则的事件服务机制和业务工程分析技术，提供可重构的组织结构、可伸缩的业务流程和可定制的业务规则，使得系统开发和实施的柔性得以提高[24]。 从以上的研究我们可以看出，九五期间我国的各大高校在国家863计划支持下在数控加工生产线MES理论和应用方面的研究取得了一定的进展，但是，数控加工生产线MES在软件的商品化、成果的推广应用方面与国外还存在很大的差距。国内还没有自主开发的很成熟且得到广泛应用的数控加工生产线MES软件。即使有所谓的车间层控制SFC，也多数是收集相关资料再通过批处理方式录入而己，其功能十分有限。另外，对数控加工生产线MES的关键功能的技术实现上研究较少，并且.研究深度上也还有较大的延伸空间，从而造成制造执行系统的功能无法得到最人限度的发挥，处理车间实际问题的能力也受到限制，成为制约企业车间生产管理快速发展的关键因素，同时也影响了企业信息化的全面发展。 因此，我国在数控加工生产线MES的理论研究以及应用方面需要进一步加大力量深入研究，可以预见，随着我国企业信息数控加工的发展和车间数控加工水平的不断提高，对车间生产管理的集成化、智能化和敏捷化需求将促进数控加工生产线MES技术在我国的深入研究和推广应用。通过数控加工生产线MES来实现企业计划层与控制层信息的全面集成，形成实时性的ERP、数控加工生产线MES、PCS是提高企业整体管理水平的关键，也对企业制造整体水平的提升具有重要意义。 2 论文的理论意义、实用价值和社会经济效益 2.1 论文的理论意义及实用价值 数控加工化生产线产业直接推动了第三次技术浪潮的产生，在网络化技术日益普及的现在仍然是信息化发展最为重要的发展引擎。据美国市场研究公司Gartner发布的最新预测显示，2010年全球数控加工化生产线行业收入将达到2900亿美元，较2009年的2280亿美元增加27%。 Gartner分析师预计，数控加工化生产线行业的持续增长将持续到2014年。这一市场的容量到2011年有望超过3000亿美元，达到3070亿美元。 中国数控加工化生产线己经成为全球市场链条的重要环节，在2007年数控加工化生产线不景气的环境之下，我国数控加工化生产线全年增长率仍达24.3%，大大超过全球数控加工化生产线3.8%的增幅，全球数控加工化生产线的危机基本没有波及中国这个“风景这边独好”的大市场。目前，外资企业在中国数控加工化生产线业中己占了相当的比例，而中国数控加工化生产线制造业的很大一部分也是为国外市场配套的。作为现阶段中国的产业结构优化而言，大力发展高技术含量高附加值的数控加工化生产线产业，对深化产业结构调整，延伸工业制造能力都是具有非常重要的意义[25]。 2.2 论文的社会经济效益 数控加工化生产线机会包括3G手机大幅增长对HD面板和触摸屏的需求、数控加工化生产线封装行业及电声器件、太阳能光伏市场、智能电网建设、新能源汽车对相关元器件及零部件需求。 3 课题研究目标、研究内容及关键技术 3.1 研究目标 本文目标是要研究开发适合数控加工化生产线业在大规模生产环境下的质量管理MES系统，其开发手段和模式定位于B/S软件开发架构的管理信息系统，因此需要探讨当前B/S软件开发和管理信息系统的研究水平和现状，这会对之后的整个系统研究和设计存在巨大影响。 3.2 研究内容 本文研究数控加工生产线MES系统基于数据共享性、准确性、及时性为目的的B/S模式制造执行管理(MES)系统。MES系统是企业信息集成的纽带，可以为用户提供一个快速反应、准确分析、精益化生产的制造环境，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。MES系统后台数据库选取SQL Server2005，数据处理界面开发基于ASP. NET。系统能整合各个设备的工程数据，比如点胶机的环氧树脂质量，焊锡球的高度等等关键数据，统一上传到局域网目标数据库中进行数据存储和管理。建立基于Web和ASP. NET技术的管理平台，使得监控人员能及时准确的访问调用生产数据，并通过嵌入到系统中的统计模型分析方法对关键数据进行精确管理和快速分析。友好的网页界面可以根据用户的数据统计需求，显示诸如柱状图，过程控制图等基于统计原理的数据分析结果，结合质量超控管理反馈模式，正确的处理实际生产中出现的质量问题。同时通过一系列数据的显示结果，监测流程状态趋势，提出质量持续改进的合理方案。 3.3 关键技术 论文研究的关键技术基于数控加工生产线数据库MES管理系统能适用于现实的大规模生产条件下的数控加工环境。所以期望最终设计出来的系统能有效地帮助日常生产管理和质量控制，在实现各模块功能的过程中，课题组本着以现实为蓝本的设计原则，进行大量相关资料的查阅，参考有价值的技术，并在此基础上进行有针对性的研究和开发再利用，形成了具有该系统自身特色的关键性技术，包括超控实时反馈系统(Real time RFC)及其图片文件本地快速存取技术、基于SQL Server2005数据库管理、以及工程数据基于JMP软件的统计图形动态显示技术等。这些关键技术以最便捷的方式实现系统对功能的需求，充实系统的设计框架。 4 论文所遇到的困难问题、拟采取的解决措施及论文研究计划 4.1 论文所遇到的困难和问题、拟采取的解决措施 MES以过程数学模型为核心，对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成对整个生产环节的整合和系统的优化。在生产执行层进行物料平衡，安排生产计划，实施调度、排产及优化。同时对生产过程涉及的物料、能源、设备、质量和数据统一监控，在生产过程中，数据是整个系统有效运行的关键。在实施ERP的过程中得出:只有对MES系统数据进行全过程的有效管理才是MES系统实施成功的根本保证。 4.2论文研究计划 1）2015 年 1 月—2015年 3 月：查阅相关资料，需求调研。 2）2015 年 4 月—2015 年 7 月：需求分析和软件系统设计。 3）2015 年 8 月—2015 年 11 月：软件开发。 4）2015年 12 月：系统集成和全面测试。 5）2016 年 1 月—2016 年 3 月：撰写论文。提交盲评。 5 参考文献[（1）序号应带方括号。（2）标注文献类型，且按类型规范著录。（3）作者间用“，”分隔，作者与题名间用“.”。（4）附上《参考文献著录要求简表》，请对照修改。] [1]土冬云，任志军. 基于SQLServei`2005的数据挖掘算法应用研究与实现2008-10 Page(s):1 - 4 [2]邱鹏，陈建辉，常庆. XML的研究和SQL Server和分布式集成应用2007-7-18 Page(s):4-369-4-372 [3]Bourret R，Bornhovd C.，Buchmann A. A generic load/extract utility for data transfer between XML documents and relational databases 8-9 June 2000 Page(s):2 [4]陈东帆，周林灿. SMT行业的制造执行系统研究2007-12 Page(s):1 [5]Knudsen S U，Pedersen T B，Thomsen C，et al.RelaXML: bidirectional transfer between relational and XML data 25-27 July 2005 Page(s):151-162 [6]Chaudhuri, S.; Chen, Z.; Shim, K.; Wu, Y.; Storing XML (with XSD) in SQL databases: interplay of logical and physical designs Dec. 2005 Page(s):1595-1609 [7]丁永刚，吴林静.基于SQL SERVER 2005和ASP.NET 2.0 XML的教学资源库系统的设计与实现2008-12 Page(s):538一542 [8]Baras, A.; Galindo-Legaria, C.A.; Grabs, T.; Krishnaswamy, B.; Pal, S.; Optimizing Similar Scalar Subqueries for XML Processing in Microsoft SQL Server 15-20 April 2007 Page(s):1164-1173 [9]Muralidhar Krishnaprasad; Liu, Z.H.; Anand Manikutty; Warner, J.W.; Vikas Arora; Towards an industrial strength SQL/XML infrastructure 5一8 April 2005 Page(s):991-1000 [10] Clark, D.D.; Pogran, K.T.; Reed, D.P.; An introduction to local area networks Nov. 1978 Page(s):1497-1517 [11] Tripathi, S.K.; Yennun Huang; Jajodia, S.; Local Area Networks: Software and Related Issues Aug. 1987 Page(s):872一879 [12]杨素英;方立信;钟崇全;卢新凯EPA设备的优化与应用基于XML的描述2007-7-26 31Page(s):175一179 [13] Muknahallipatna, S.; Kane, J.J.; Hamann, J.; Distributed remote LAN administration tool for Windows NT and 2000-based LANs: preliminary work 14-16 Nov. 2001 Page(s):59-61 [14]Biswas, S.K.; Performance modeling of window based flow control in a multihop packet radio LAN 28 March-1 April 1993 Page(s):1222一1231 vo1.3 [15]Kalyanakrishnam, M.; Kalbarczyk, Z.; Iyer, R.; Failure data analysis of a LAN of Windows NT based computers 19-22 Oct. 1999 Page(s):178一187 [16]Bazghandi, A.; Web Database Connectivity Methods (using Mysql) in Windows Platform Volume 2, 0-0 0 Page(s):3577一358 [17]Chi-Hwa Kao; Evens, M.; Trace, D.A.; Singly S.; Yaturu, S.; A Windows user interface to data retrieval and report generation for a diabetic patient database 10-12 June 1994 Page(s):98一103 [18]Seshadri, P.; Garrett, P.; SQLServer for Windows CE-a database engine for mobile and embedded platforms 29 Feb.-3 March 2000 Page(s):642一644 [19]Samanich, N. J., "Understand your requirements before choosing an MES", Manufacturing Systems, January, 1993. [20]Catania, V.; Milazzo, L.; Puliafito, A.; Vita, L.; Enhancing reliability in an industrial LAN: design and performability evaluation Dec. 1990 Page(s):433一441 [21]Marino, P.; Poza, F.; Dominguez, M.; Nogueira, J.; Formal specification applied to industrial LAN's design 1-4 Sept. 1997 Page(s):215一221 [22]Pires, P.S.M.; dos Anjos, LM.; Improvements on Ethernet LAN Network Infrastructure for Industrial Automation: a Case Study 20-22 Sept. 2006 Page(s):16一22 [23]Robert Groth," Data mining: building competitive advantage", Prentice-Hall, Inc, 2000. [24]Michael JA.Berry, Gordon S.Linoff, "Data mining techniques: for marketing, sales, and customer support", John Wiley&Sons, 1997. [25] Michael J.A.Berry, Gordon S.Linoff, "Mastering data mining: the art &science of customer relationship management", John Wiley&Sons, 1999.
