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競爭環(huán)境的變化，為了獲得更多的生存機會，迫切適應市場變化和競爭壓力，制造企業(yè)商們紛紛規(guī)劃企業(yè)自身的自動化和信息化發(fā)展藍圖，然而更多的制造企業(yè)僅關(guān)注車間的自動化程度和企業(yè)的管理水平，忽略了位于自動化控制層和計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)恰恰能彌補這一斷層。MES將生產(chǎn)自動化與經(jīng)營活動結(jié)合起來，將經(jīng)營目標轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)操作目標，實現(xiàn)經(jīng)營和生產(chǎn)自動化間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，真正使經(jīng)營計劃周期形成“閉合回路”。MES提供設(shè)備控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的車間級調(diào)度管理功能，提供ERP等管理信息系統(tǒng)無法實現(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)帶來現(xiàn)實的或潛在的經(jīng)濟效益悼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，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)計劃的指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。

    MES扮演著生產(chǎn)活動最佳化的信息傳遞者。生產(chǎn)管理是MES的基礎(chǔ)和核心，它是整個車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集合體，從執(zhí)行的角度擔負起將計劃落到實處的職能。它將生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)提交給質(zhì)量檢驗系統(tǒng)進行分析和全面質(zhì)量跟蹤，通過采集衡器計量系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)準確跟蹤物料的投入量和產(chǎn)出量，通過與控制層設(shè)備的鏈接實時監(jiān)督生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)監(jiān)測和統(tǒng)計結(jié)果，及時向上反饋生產(chǎn)的結(jié)果和問題，及時得到上層的指示和指導，確保整個生產(chǎn)流程的連續(xù)性，提高整個生產(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)中的實施和應用具有重要意義。

    這里以一個大型冶煉企業(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)中的一個模塊，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，通過與質(zhì)量檢驗系統(tǒng)和衡器計量系統(tǒng)的有機結(jié)合，將生產(chǎn)的全部數(shù)據(jù)實時傳遞給上層ERP。

2 MES生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)需求分析

    該大型冶煉企業(yè)有五個生產(chǎn)制造車間，從進廠的原材料到最終產(chǎn)成品的形成，需要經(jīng)過多段生產(chǎn)、多段運輸、多地存儲，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，伴隨著投料和收料數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗和計量，這使得生產(chǎn)制造過程具有一定的復雜性。然而，車間生產(chǎn)的大量數(shù)據(jù)均依靠各個崗位工人的手工記錄，在進行月結(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理時，需要在大堆的紙質(zhì)報表中進行不方便的查詢、匯總、統(tǒng)計和分析，這樣很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不準確和遺漏，更是難以追蹤到崗位或個人的職責，致使車間管理粒度粗糙，體現(xiàn)不出車間管理的價值。又因為生產(chǎn)制造活動需要大量的特征值來描述，而底層工業(yè)自動控制設(shè)備的監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)不能及時傳遞給生產(chǎn)執(zhí)行層，使得生產(chǎn)制造層不能及時運用準確的數(shù)據(jù)，響應和指導車間生產(chǎn)活動。信息化程度不高進一步造成計劃管理層無法及時獲知生產(chǎn)現(xiàn)場的實時事件，更是無從將解決方案和命令下達到生產(chǎn)執(zhí)行層。于是，出現(xiàn)嚴重的中間生產(chǎn)執(zhí)行的信息斷層。

    通過詳細實地調(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)無法流通和共享，底層控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)無法到達中間生產(chǎn)執(zhí)行層和頂部計劃管理層。于是，對于冶煉企業(yè)來說，首要任務(wù)是規(guī)劃它的整體信息架構(gòu)層級：L1為一級設(shè)備控制系統(tǒng)，L2為二級過程控制系統(tǒng)，L3為三級制造系統(tǒng)MES，L4為四級企業(yè)級資源計劃系統(tǒng)ERP，L5為五級企業(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圖中，目前信息化的重點是ERP和MES。通過MES打通企業(yè)三層管理鏈路，實現(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，將各個信息島嶼連成一個企業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)通路系統(tǒng)，以強化企業(yè)的管理深度和優(yōu)化企業(yè)自身的知識資源。

    該冶煉企業(yè)MES重點是將5個生產(chǎn)車間的業(yè)務(wù)整合起來，MES接受來自ERP的月生產(chǎn)訂單，MES將ERP的月生產(chǎn)訂單按照5個生產(chǎn)車間的業(yè)務(wù)特點由調(diào)度進行排產(chǎn)，生成各自車間的日作業(yè)計劃，生產(chǎn)調(diào)度以周或天進行日作業(yè)計劃下達，崗位工人依據(jù)日作業(yè)計劃進行投料和收料操作，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，期間需要對特定物料進行質(zhì)量檢驗、衡器計量和移庫。當崗位工人完成投收料相關(guān)數(shù)據(jù)的人工采集和設(shè)備的自動采集后，經(jīng)過當班班長的審核。MES自動將數(shù)據(jù)實時上傳ERP，ERP成功接收MES的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后立即將對應憑證下達至MES，以告知MES本次投料、收料、移庫數(shù)據(jù)成功上傳ERP。圖2是對5個車間的生產(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，車間管理要求，為了細分和跟蹤車間崗位工人的職責，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、操作時間、操作人、更新時間、更新人等動作信息，以便阻止錯投、誤投物料的操作；還需要考慮在質(zhì)量檢驗系統(tǒng)和衡器計量系統(tǒng)不能正常工作的條件下如何人工補錄數(shù)據(jù)等問題，以便促使崗位工人盡守職責，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)量檢驗系統(tǒng)、衡器計量系統(tǒng)，所以MES生產(chǎn)管理模塊在不打破現(xiàn)運行良好的質(zhì)量檢驗和衡器計量系統(tǒng)的前提下，與其進行優(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)果反饋給計劃層的ERP。

    整個MES的生產(chǎn)管理功能簡介如下：

    (1)生產(chǎn)計劃管理：操作對象為各個車間的調(diào)度室，主要接收來自ERP的月生產(chǎn)訂單，啟用生產(chǎn)訂單，然后通過系統(tǒng)自動加人工調(diào)整的方式進行排產(chǎn)，按周或天下達MES日作業(yè)計劃于各個崗位。在生產(chǎn)的過程中，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相相應作業(yè)計劃的投收料操作，等排除故障后，重新啟動作業(yè)計劃，開始正常數(shù)據(jù)的傳輸。若完成對該日作業(yè)計劃的生產(chǎn)，則關(guān)閉該作業(yè)計劃，防止對該作業(yè)計劃的過量投入和產(chǎn)出。

    (2)生產(chǎn)實績管理：操作對象為具體的崗位，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)計劃以及投收的具體物料，系統(tǒng)自動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)過程中投入物料和產(chǎn)出物料的質(zhì)量檢驗和計量，通過班長的審核和出入庫簽收，將投收料數(shù)據(jù)自動上傳ERP。

    (3)生產(chǎn)移庫管理：在生產(chǎn)制造過程中，需要廠際、廠內(nèi)之間來回調(diào)撥物料，這樣為了確保物料的來源和去向，要料方需要向供料方提出要料申請，供料方同意，供料方制作．核對移庫單，要料方同意接收物料，雙方共同確認物料的卸貨歸位，MES自動將移庫物料和移庫量等信息上傳ERP，保證ERP庫存管理的準確性。移庫結(jié)束，系統(tǒng)自動打印出移庫憑證以作備份。

    (4)接口管理：MES生產(chǎn)過程中的物料需要質(zhì)量檢驗部門檢驗的，則MES需發(fā)檢驗委托單至質(zhì)量檢驗系統(tǒng)，質(zhì)量檢驗系統(tǒng)完成檢驗并將結(jié)果返回給MES判定處置；同樣MES生產(chǎn)過程中的物料需要衡器計量的，則需發(fā)計量委托單至衡器計量系統(tǒng)，衡器計量系統(tǒng)完成計量并將結(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MES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)過程中用到的常數(shù)據(jù)進行預先配置，減少現(xiàn)場操作人員的人工輸入量，保證數(shù)據(jù)來源和流向的簡化性和正確性。

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

4 MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)

    MES考慮到5個車間網(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／服務(wù)器方式，在行政管理層進行信息瀏覽和查詢時采用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)后臺以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為支撐環(huán)境，前臺采用c#開發(fā)語言。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)，是用戶與系統(tǒng)間信息交互的界面，負責結(jié)果展示及數(shù)據(jù)收集。車間層數(shù)據(jù)操作用戶通過訪問客戶端應用程序，完成數(shù)據(jù)的人工錄人和提交；行政管理層用戶通過訪問WEB瀏覽器進行信息瀏覽和查詢。

    (2)應用邏輯層，實現(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)計劃、生產(chǎn)實績、生產(chǎn)移庫、查詢統(tǒng)計分析等功能置于該層。當客戶端提出任務(wù)請求時，應用邏輯層首先向數(shù)據(jù)服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫提出數(shù)據(jù)提取請求，并對提取出來的數(shù)據(jù)進行處理，將處理的結(jié)果通過應用服務(wù)器傳送回客戶端。

    (3)數(shù)據(jù)服務(wù)層，通過底層的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)向上層提供全面的資源訪問支持，屏蔽數(shù)據(jù)源差異，接受應用邏輯層傳來的對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的操作要求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查詢、修改和更新等。

    這種體系結(jié)構(gòu)的本質(zhì)在于通過對服務(wù)功能的分布實現(xiàn)分工服務(wù)。客戶機主要負責管理用戶界面，接收用戶數(shù)據(jù)，處理應用邏輯生成數(shù)據(jù)庫服務(wù)請求，然后將這些請求按照一定的格式返回給用戶。客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫交互，所有的業(yè)務(wù)處理都放在了中間層的應用服務(wù)器上，一旦數(shù)據(jù)庫結(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，無需對客戶端做任何改動，大大降低了系統(tǒng)的維護成本。

5 總結(jié)

    在整個系統(tǒng)實施周期內(nèi)，始終有關(guān)鍵用戶陪伴著MES的開發(fā)始末，客戶的意見和想法給了MES人很多思路。在軟件的開發(fā)過程中，以月為單位進行開發(fā)，每個月底MES會發(fā)布小版本更新用戶手冊，提供現(xiàn)場培訓和跟蹤指導，以供更多用戶進行方便快捷地體驗，進一步匯集用戶的意見和問題，從而制定下一個月的工作計劃和任務(wù)。通過小版本發(fā)布和計劃矯正的不斷循環(huán)過程，關(guān)鍵用戶、普通用戶與整個MES開發(fā)團隊達成共識，并得到高層領(lǐng)導的支持和協(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，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)通過接口傳遞給MES，MES將生產(chǎn)結(jié)果和問題通過接口上傳給ERP，ERP將生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)指令通過接口下達到MES車間，車間調(diào)度指揮各崗位工人更有效地完成工作，整個生產(chǎn)過程通過MES橋連接形成一個有序的信息環(huán)路。

    由此可見，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)逐漸實現(xiàn)從人工粗放式管理到系統(tǒng)精細化管理，將有限的資源合理配置使用以最大化實現(xiàn)生產(chǎn)制造效益。