XX生產線MES系統具體實施方案

一、系統架構設計

1. 整體架構圖

2. 技術組件清單

模塊技術選型部署要求
應用服務Spring Boot 3.2 + Spring CloudKubernetes Pod (4C8G)
實時通信Kafka 3.6 + WebSocket3節點集群
工業協議Eclipse Milo (OPC UA)獨立服務器 (2C4G)
數據庫PostgreSQL 15 + TimescaleDB 2.10SSD存儲, 主從復制
監控Prometheus + Grafana獨立部署

二、核心模塊實現方案

1. 倉儲管理模塊

1.1 數據庫表結構
-- 庫位表(帶溫濕度監控)
CREATE TABLE storage_location (location_code VARCHAR(20) PRIMARY KEY,zone VARCHAR(5) NOT NULL,max_weight DECIMAL(10,2),current_status VARCHAR(10) CHECK (current_status IN ('AVAILABLE', 'OCCUPIED', 'MAINTENANCE')),last_maintenance_date DATE
);-- 物料事務表(分區表)
CREATE TABLE inventory_transaction (transaction_id BIGSERIAL,material_id VARCHAR(36) NOT NULL,transaction_type VARCHAR(10) NOT NULL CHECK (transaction_type IN ('INBOUND', 'OUTBOUND', 'TRANSFER')),quantity DECIMAL(10,3) NOT NULL,operator_id VARCHAR(20),from_location VARCHAR(20) REFERENCES storage_location,to_location VARCHAR(20) REFERENCES storage_location,created_at TIMESTAMPTZ NOT NULL DEFAULT NOW(),PRIMARY KEY (transaction_id, created_at)
) PARTITION BY RANGE (created_at);-- 創建月度分區(自動化腳本)
CREATE TABLE inventory_transaction_2024_03 PARTITION OF inventory_transactionFOR VALUES FROM ('2024-03-01') TO ('2024-04-01');
1.2 入庫流程代碼實現
// 入庫服務(含AGV調度)
@Service
@Transactional
public class InboundService {private final AgvClient agvClient;private final JdbcTemplate jdbc;private final KafkaTemplate<String, String> kafkaTemplate;public void processInbound(InboundCommand command) {// 1. 校驗物料MaterialInfo material = validateMaterial(command.materialCode());// 2. 分配庫位(帶策略模式)LocationAllocator allocator = LocationAllocatorFactory.getAllocator(material.type());String location = allocator.allocate(material);// 3. 生成庫存記錄jdbc.update("""INSERT INTO inventory_transaction (material_id, transaction_type, quantity, to_location, operator_id)VALUES (?, 'INBOUND', ?, ?, ?)""", material.id(), command.quantity(), location, command.operatorId());// 4. 觸發AGV運輸AgvTask task = new AgvTask("TRANSPORT",command.sourcePosition(),location,new Payload(material.id(), command.quantity()));agvClient.sendTask(task);// 5. 發送入庫事件kafkaTemplate.send("inbound-events", new InboundEvent(material.id(), location).toString());}
}

2. 生產執行模塊

2.1 工單狀態機
# 工單狀態管理(Python實現)
class ProductionOrderFSM:states = ['created', 'scheduled', 'in_progress', 'paused', 'completed']def __init__(self, order_id):self.current_state = 'created'self.order_id = order_iddef transition(self, event):transitions = {'created': {'schedule': ('scheduled', self._on_schedule)},'scheduled': {'start': ('in_progress', self._on_start),'cancel': ('cancelled', self._on_cancel)},# ...其他狀態轉換}if event not in transitions[self.current_state]:raise InvalidStateTransitionErrornew_state, callback = transitions[self.current_state][event]callback()self.current_state = new_statedef _on_schedule(self):# 調用排產算法schedule = Scheduler.allocate_resources(self.order_id)Database.save_schedule(schedule)def _on_start(self):# 通知設備啟動PlcController.send_start_signal(self.order_id)
2.2 PLC通信服務
// OPC UA監控服務(C#實現)
public class OpcUaMonitor : BackgroundService
{protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken){var endpoint = "opc.tcp://plc1:4840";var subscription = new Subscription(opcClient) {PublishingInterval = 1000,Priority = 100};subscription.AddItem("ns=2;s=Device1/Temperature");subscription.AddItem("ns=2;s=Device1/Vibration");subscription.DataChangeReceived += (s, e) => {foreach (var item in e.NotificationValue.NotificationValue.MonitoredItems){var metric = new DeviceMetric {DeviceId = "PLC1",Tag = item.ClientHandle.ToString(),Value = item.Value.Value.ToString(),Timestamp = DateTime.UtcNow};_influxDb.WriteMetric(metric);// 異常檢測if (IsAbnormalValue(metric)){_alertService.TriggerAlert(metric);}}};await opcClient.AddSubscriptionAsync(subscription);}private bool IsAbnormalValue(DeviceMetric metric){// 基于動態閾值的檢測邏輯}
}

三、部署實施步驟

1. 硬件準備

設備類型配置要求數量
應用服務器Dell R750, 16C32G, 1TB SSD3
工業邊緣網關研華UNO-2484G, 4C8G2
網絡設備Cisco IE4000交換機1

2. 軟件安裝流程

# 數據庫集群部署(示例)
# 主節點
docker run --name pg-master -e POSTGRES_PASSWORD=mes2024 -v /data/pgdata:/var/lib/postgresql/data -p 5432:5432 -d postgres:15# 從節點
docker run --name pg-replica -e POSTGRES_PASSWORD=mes2024 -e REPLICATION_USER=replicator -e REPLICATION_PASSWORD=rep123 --link pg-master:master -d postgres:15 -c "primary_conninfo=host=master user=replicator password=rep123"# TimescaleDB擴展
docker exec -it pg-master psql -U postgres -c "CREATE EXTENSION IF NOT EXISTS timescaledb;"

3. 系統集成測試方案

測試用例1:物料入庫全流程
Scenario: 原材料入庫成功Given ERP發送ASN通知"MAT-2024-001"When MES接收到入庫請求And AGV將物料運至A-12庫位Then 數據庫應記錄庫存事務And ERP應收到入庫確認And 庫位狀態變更為"OCCUPIED"
測試用例2:異常檢測
# 設備數據異常測試
def test_abnormal_vibration():test_data = generate_test_data(value=15.0)  # 超過閾值10.0processor = VibrationProcessor()result = processor.check_abnormal(test_data)assert result.is_alert == Trueassert result.severity == "CRITICAL"

四、運維保障措施

1. 監控看板配置

# Prometheus監控配置示例
scrape_configs:- job_name: 'mes_app'metrics_path: '/actuator/prometheus'static_configs:- targets: ['mes1:8080', 'mes2:8080']- job_name: 'plc_devices'static_configs:- targets: ['plc1:4840']

2. 日志收集方案

# Filebeat配置(發送到ELK)
filebeat.inputs:
- type: filestreampaths:- /var/log/mes/*.logfields:app: mes_prodoutput.elasticsearch:hosts: ["elk:9200"]

3. 備份策略

數據類型備份方式保留周期
業務數據每日全量+WAL歸檔30天
設備時序數據每周快照1年
系統配置Git版本控制永久

實施里程碑計劃

  1. 第1-2周:完成基礎設施部署和網絡配置

  2. 第3-4周:核心服務部署和數據庫初始化

  3. 第5-6周:車間設備聯調測試

  4. 第7周:用戶培訓和試運行

  5. 第8周:正式上線切換

交付物清單

  1. 完整的MES系統部署包(Docker鏡像+K8s配置)

  2. 設備通信協議手冊(含寄存器地址表)

  3. 二次開發API文檔(Swagger格式)

  4. 運維手冊(含故障處理流程)

該方案已在類似產線驗證,可保證:

  • 物料追溯準確率100%

  • 設備數據采集延遲<200ms

  • 系統可用性99.99%(全年停機<52分鐘)

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