1 MES概述

    由于制造企業(yè)內(nèi)部信息化程度很難跟上外部市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的變化，為了獲得更多的生存機(jī)會(huì)，迫切適應(yīng)市場(chǎng)變化和競(jìng)爭(zhēng)壓力，制造企業(yè)商們紛紛規(guī)劃企業(yè)自身的自動(dòng)化和信息化發(fā)展藍(lán)圖，然而更多的制造企業(yè)僅關(guān)注車間的自動(dòng)化程度和企業(yè)的管理水平，忽略了位于自動(dòng)化控制層和計(jì)劃管理層之間的生產(chǎn)執(zhí)行層。

    制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，Manufacturing Execution System)恰恰能彌補(bǔ)這一斷層。MES將生產(chǎn)自動(dòng)化與經(jīng)營(yíng)活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，將經(jīng)營(yíng)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)操作目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)自動(dòng)化間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，真正使經(jīng)營(yíng)計(jì)劃周期形成“閉合回路”。MES提供設(shè)備控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的車間級(jí)調(diào)度管理功能，提供ERP等管理信息系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的獲取與分析功能，成為車間生產(chǎn)和企業(yè)管理之間的橋梁，可以為企業(yè)帶來(lái)現(xiàn)實(shí)的或潛在的經(jīng)濟(jì)效益悼1。MES在企業(yè)生產(chǎn)管理中的數(shù)據(jù)流程圖和所處定位如圖1所示。

圖1 MES在企業(yè)生產(chǎn)管理中的數(shù)據(jù)流程圖和所處定位

    可見(jiàn)，MES與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層DCS／PCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，一是把業(yè)務(wù)計(jì)劃的指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息及時(shí)收集、上傳和處理。

    MES扮演著生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的信息傳遞者。生產(chǎn)管理是MES的基礎(chǔ)和核心，它是整個(gè)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集合體，從執(zhí)行的角度擔(dān)負(fù)起將計(jì)劃落到實(shí)處的職能。它將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提交給質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析和全面質(zhì)量跟蹤，通過(guò)采集衡器計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確跟蹤物料的投入量和產(chǎn)出量，通過(guò)與控制層設(shè)備的鏈接實(shí)時(shí)監(jiān)督生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，及時(shí)向上反饋生產(chǎn)的結(jié)果和問(wèn)題，及時(shí)得到上層的指示和指導(dǎo)，確保整個(gè)生產(chǎn)流程的連續(xù)性，提高整個(gè)生產(chǎn)車間的優(yōu)化能力。因此，以研究基于MES的生產(chǎn)管理在制造企業(yè)中的實(shí)施和應(yīng)用具有重要意義。

    這里以一個(gè)大型冶煉企業(yè)的車間生產(chǎn)業(yè)務(wù)為研究背景，將生產(chǎn)管理作為MES系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)與質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)和衡器計(jì)量系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，將生產(chǎn)的全部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給上層ERP。

2 MES生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)需求分析

    該大型冶煉企業(yè)有五個(gè)生產(chǎn)制造車間，從進(jìn)廠的原材料到最終產(chǎn)成品的形成，需要經(jīng)過(guò)多段生產(chǎn)、多段運(yùn)輸、多地存儲(chǔ)，期間物流種類多、工序多且形式不一，并伴有多種副產(chǎn)品的產(chǎn)生。同時(shí)，伴隨著投料和收料數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗(yàn)和計(jì)量，這使得生產(chǎn)制造過(guò)程具有一定的復(fù)雜性。然而，車間生產(chǎn)的大量數(shù)據(jù)均依靠各個(gè)崗位工人的手工記錄，在進(jìn)行月結(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理時(shí)，需要在大堆的紙質(zhì)報(bào)表中進(jìn)行不方便的查詢、匯總、統(tǒng)計(jì)和分析，這樣很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和遺漏，更是難以追蹤到崗位或個(gè)人的職責(zé)，致使車間管理粒度粗糙，體現(xiàn)不出車間管理的價(jià)值。又因?yàn)樯a(chǎn)制造活動(dòng)需要大量的特征值來(lái)描述，而底層工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備的監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳遞給生產(chǎn)執(zhí)行層，使得生產(chǎn)制造層不能及時(shí)運(yùn)用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，響應(yīng)和指導(dǎo)車間生產(chǎn)活動(dòng)。信息化程度不高進(jìn)一步造成計(jì)劃管理層無(wú)法及時(shí)獲知生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)事件，更是無(wú)從將解決方案和命令下達(dá)到生產(chǎn)執(zhí)行層。于是，出現(xiàn)嚴(yán)重的中間生產(chǎn)執(zhí)行的信息斷層。

    通過(guò)詳細(xì)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，底層企業(yè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)均是來(lái)自不同廠商，系統(tǒng)之間的融合度差。生產(chǎn)執(zhí)行層的制造管理系統(tǒng)分散于不同車間，車間之間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法流通和共享，底層控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)無(wú)法到達(dá)中間生產(chǎn)執(zhí)行層和頂部計(jì)劃管理層。于是，對(duì)于冶煉企業(yè)來(lái)說(shuō)，首要任務(wù)是規(guī)劃它的整體信息架構(gòu)層級(jí)：L1為一級(jí)設(shè)備控制系統(tǒng)，L2為二級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)，L3為三級(jí)制造系統(tǒng)MES，L4為四級(jí)企業(yè)級(jí)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP，L5為五級(jí)企業(yè)管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，其中L1和L2為控制層，L3為生產(chǎn)執(zhí)行層，L4和L5為計(jì)劃管理層。由于L1、L2在該冶煉企業(yè)中已經(jīng)成功建立和成熟使用，L5被列入三年后的信息化藍(lán)圖中，目前信息化的重點(diǎn)是ERP和MES。通過(guò)MES打通企業(yè)三層管理鏈路，實(shí)現(xiàn)從上到下(ERP——MES——DCS／PCS)和從下到上(Dcs／PCS——MEs——ERP)的雙向信息通道，將各個(gè)信息島嶼連成一個(gè)企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通路系統(tǒng)，以強(qiáng)化企業(yè)的管理深度和優(yōu)化企業(yè)自身的知識(shí)資源。

    該冶煉企業(yè)MES重點(diǎn)是將5個(gè)生產(chǎn)車間的業(yè)務(wù)整合起來(lái)，MES接受來(lái)自ERP的月生產(chǎn)訂單，MES將ERP的月生產(chǎn)訂單按照5個(gè)生產(chǎn)車間的業(yè)務(wù)特點(diǎn)由調(diào)度進(jìn)行排產(chǎn)，生成各自車間的日作業(yè)計(jì)劃，生產(chǎn)調(diào)度以周或天進(jìn)行日作業(yè)計(jì)劃下達(dá)，崗位工人依據(jù)日作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行投料和收料操作，將物料的投入和產(chǎn)出連成線，前一車間的產(chǎn)出物是后一車間的投入物，期間需要對(duì)特定物料進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)、衡器計(jì)量和移庫(kù)。當(dāng)崗位工人完成投收料相關(guān)數(shù)據(jù)的人工采集和設(shè)備的自動(dòng)采集后，經(jīng)過(guò)當(dāng)班班長(zhǎng)的審核。MES自動(dòng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳ERP，ERP成功接收MES的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后立即將對(duì)應(yīng)憑證下達(dá)至MES，以告知MES本次投料、收料、移庫(kù)數(shù)據(jù)成功上傳ERP。圖2是對(duì)5個(gè)車間的生產(chǎn)業(yè)務(wù)的抽象和統(tǒng)一。

圖2 車間生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程

    同時(shí)，車間管理要求，為了細(xì)分和跟蹤車間崗位工人的職責(zé)，MES需要依據(jù)產(chǎn)線和工序的不同，規(guī)定崗位的具體操作生產(chǎn)訂單和作業(yè)計(jì)劃以及具體投收物料清單，記錄投收料物料名稱、物料代碼、操作時(shí)間、操作人、更新時(shí)間、更新人等動(dòng)作信息，以便阻止錯(cuò)投、誤投物料的操作；還需要考慮在質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)和衡器計(jì)量系統(tǒng)不能正常工作的條件下如何人工補(bǔ)錄數(shù)據(jù)等問(wèn)題，以便促使崗位工人盡守職責(zé)，盡可能地保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的有效性和正確性，為上層的決策提供可靠、可信的數(shù)據(jù)支持。

3 MES生產(chǎn)管理功能模型

    由于該冶煉企業(yè)目前已有質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)、衡器計(jì)量系統(tǒng)，所以MES生產(chǎn)管理模塊在不打破現(xiàn)運(yùn)行良好的質(zhì)量檢驗(yàn)和衡器計(jì)量系統(tǒng)的前提下，與其進(jìn)行優(yōu)化聯(lián)合處理車同業(yè)務(wù)，將控制層的生產(chǎn)狀態(tài)和中間層的生產(chǎn)結(jié)果反饋給計(jì)劃層的ERP。

    整個(gè)MES的生產(chǎn)管理功能簡(jiǎn)介如下：

    (1)生產(chǎn)計(jì)劃管理：操作對(duì)象為各個(gè)車間的調(diào)度室，主要接收來(lái)自ERP的月生產(chǎn)訂單，啟用生產(chǎn)訂單，然后通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)加人工調(diào)整的方式進(jìn)行排產(chǎn)，按周或天下達(dá)MES日作業(yè)計(jì)劃于各個(gè)崗位。在生產(chǎn)的過(guò)程中，若出現(xiàn)設(shè)備檢修、人為事故的情況，調(diào)度人員可立即暫停對(duì)相相應(yīng)作業(yè)計(jì)劃的投收料操作，等排除故障后，重新啟動(dòng)作業(yè)計(jì)劃，開(kāi)始正常數(shù)據(jù)的傳輸。若完成對(duì)該日作業(yè)計(jì)劃的生產(chǎn)，則關(guān)閉該作業(yè)計(jì)劃，防止對(duì)該作業(yè)計(jì)劃的過(guò)量投入和產(chǎn)出。

    (2)生產(chǎn)實(shí)績(jī)管理：操作對(duì)象為具體的崗位，位于不同產(chǎn)線和工序的崗位工人只能操作系統(tǒng)配置好的生產(chǎn)訂單和作業(yè)計(jì)劃以及投收的具體物料，系統(tǒng)自動(dòng)記錄崗位工人的操作痕跡，提高車間的管理精度。完成生產(chǎn)過(guò)程中投入物料和產(chǎn)出物料的質(zhì)量檢驗(yàn)和計(jì)量，通過(guò)班長(zhǎng)的審核和出入庫(kù)簽收，將投收料數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳ERP。

    (3)生產(chǎn)移庫(kù)管理：在生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要廠際、廠內(nèi)之間來(lái)回調(diào)撥物料，這樣為了確保物料的來(lái)源和去向，要料方需要向供料方提出要料申請(qǐng)，供料方同意，供料方制作．核對(duì)移庫(kù)單，要料方同意接收物料，雙方共同確認(rèn)物料的卸貨歸位，MES自動(dòng)將移庫(kù)物料和移庫(kù)量等信息上傳ERP，保證ERP庫(kù)存管理的準(zhǔn)確性。移庫(kù)結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)打印出移庫(kù)憑證以作備份。

    (4)接口管理：MES生產(chǎn)過(guò)程中的物料需要質(zhì)量檢驗(yàn)部門檢驗(yàn)的，則MES需發(fā)檢驗(yàn)委托單至質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)，質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)完成檢驗(yàn)并將結(jié)果返回給MES判定處置；同樣MES生產(chǎn)過(guò)程中的物料需要衡器計(jì)量的，則需發(fā)計(jì)量委托單至衡器計(jì)量系統(tǒng)，衡器計(jì)量系統(tǒng)完成計(jì)量并將結(jié)果返回給MES判定處置。MES最終需將正確的投料和收料數(shù)據(jù)上傳ERP。其他接口等同作用。

    (5)生產(chǎn)配置管理：為了提高M(jìn)ES的靈活性和系統(tǒng)處理變化的能力最統(tǒng)管理員在此可將生產(chǎn)過(guò)程中用到的常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先配置，減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員的人工輸入量，保證數(shù)據(jù)來(lái)源和流向的簡(jiǎn)化性和正確性。

    (6)查詢統(tǒng)計(jì)分析：這里只做條件查詢，查詢結(jié)果以符合生產(chǎn)要求的報(bào)表格式展出，支持一定格式的網(wǎng)形分析和導(dǎo)出。

4 MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    MES考慮到5個(gè)車間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備情況，決定在車間數(shù)據(jù)操作層采用C／S客戶機(jī)／服務(wù)器方式，在行政管理層進(jìn)行信息瀏覽和查詢時(shí)采用B／S瀏覽器／服務(wù)器方式總的系統(tǒng)架構(gòu)采用現(xiàn)今比較流行的三層結(jié)構(gòu)后臺(tái)以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為支撐環(huán)境，前臺(tái)采用c#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。MES系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)分別為：

    (1)表現(xiàn)層(Web瀏覽器／客戶機(jī))，是用戶與系統(tǒng)間信息交互的界面，負(fù)責(zé)結(jié)果展示及數(shù)據(jù)收集。車間層數(shù)據(jù)操作用戶通過(guò)訪問(wèn)客戶端應(yīng)用程序，完成數(shù)據(jù)的人工錄人和提交；行政管理層用戶通過(guò)訪問(wèn)WEB瀏覽器進(jìn)行信息瀏覽和查詢。

    (2)應(yīng)用邏輯層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，包括基礎(chǔ)業(yè)務(wù)功能和業(yè)務(wù)流，即將生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)實(shí)績(jī)、生產(chǎn)移庫(kù)、查詢統(tǒng)計(jì)分析等功能置于該層。當(dāng)客戶端提出任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)用邏輯層首先向數(shù)據(jù)服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫(kù)提出數(shù)據(jù)提取請(qǐng)求，并對(duì)提取出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的結(jié)果通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器傳送回客戶端。

    (3)數(shù)據(jù)服務(wù)層，通過(guò)底層的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)向上層提供全面的資源訪問(wèn)支持，屏蔽數(shù)據(jù)源差異，接受應(yīng)用邏輯層傳來(lái)的對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的操作要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的查詢、修改和更新等。

    這種體系結(jié)構(gòu)的本質(zhì)在于通過(guò)對(duì)服務(wù)功能的分布實(shí)現(xiàn)分工服務(wù)。客戶機(jī)主要負(fù)責(zé)管理用戶界面，接收用戶數(shù)據(jù)，處理應(yīng)用邏輯生成數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)請(qǐng)求，然后將這些請(qǐng)求按照一定的格式返回給用戶。客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，所有的業(yè)務(wù)處理都放在了中間層的應(yīng)用服務(wù)器上，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)或業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生變化，只需要修改相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯組件，無(wú)需對(duì)客戶端做任何改動(dòng)，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

5 總結(jié)

    在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施周期內(nèi)，始終有關(guān)鍵用戶陪伴著MES的開(kāi)發(fā)始末，客戶的意見(jiàn)和想法給了MES人很多思路。在軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以月為單位進(jìn)行開(kāi)發(fā)，每個(gè)月底MES會(huì)發(fā)布小版本更新用戶手冊(cè)，提供現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)和跟蹤指導(dǎo)，以供更多用戶進(jìn)行方便快捷地體驗(yàn)，進(jìn)一步匯集用戶的意見(jiàn)和問(wèn)題，從而制定下一個(gè)月的工作計(jì)劃和任務(wù)。通過(guò)小版本發(fā)布和計(jì)劃矯正的不斷循環(huán)過(guò)程，關(guān)鍵用戶、普通用戶與整個(gè)MES開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)達(dá)成共識(shí)，并得到高層領(lǐng)導(dǎo)的支持和協(xié)助，使得MES生產(chǎn)管理模塊具有本冶煉企業(yè)生產(chǎn)制造的特點(diǎn)，在既保證車間之間生產(chǎn)流程的連續(xù)性和整體性之外，MES還通過(guò)良好的解決方案將特殊業(yè)務(wù)特殊處理，這樣，車間生產(chǎn)原有的手工報(bào)表記錄和人工跟蹤工作輕松地被MES中生產(chǎn)管理功能模塊所替代。底部控制層的數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳遞給MES，MES將生產(chǎn)結(jié)果和問(wèn)題通過(guò)接口上傳給ERP，ERP將生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)指令通過(guò)接口下達(dá)到MES車間，車間調(diào)度指揮各崗位工人更有效地完成工作，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)MES橋連接形成一個(gè)有序的信息環(huán)路。

    由此可見(jiàn)，MES不僅能夠解決企業(yè)內(nèi)部信息的生成和管理決策層的矛盾，而且?guī)椭圃炱髽I(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)從人工粗放式管理到系統(tǒng)精細(xì)化管理，將有限的資源合理配置使用以最大化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造效益。