制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)主要用來(lái)解決整體優(yōu)化中，生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)過(guò)程有脫節(jié)問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)各個(gè)重要環(huán)節(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，用終端硬件以一定的數(shù)據(jù)格式記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)歸類整理和分析后，轉(zhuǎn)化成有效的信息，提供給各個(gè)生產(chǎn)職能及管理部門使用。
制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和交貨期，有效的使用工廠資源：即人力、機(jī)械、設(shè)備原料等。MES直到1990年，才由AMR組織提出并使用。我國(guó)最早的MES是20世紀(jì)80年代寶鋼建設(shè)初期從Siemens公司引進(jìn)的。20世紀(jì)70至80年代以工廠自動(dòng)化為主，80至90年代以管理信息化為主，進(jìn)入21世紀(jì)，主要通過(guò)MES來(lái)控制包括物料、設(shè)備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有工廠資源，不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)，是連接現(xiàn)場(chǎng)層和經(jīng)營(yíng)層，改善生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的系統(tǒng)。不是一個(gè)特定行業(yè)的概念產(chǎn)，而是應(yīng)用于各種制造業(yè)的重要信息系統(tǒng)。
1 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)分支，是實(shí)時(shí)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，適用于處理不斷更新、快速變化的數(shù)據(jù)及具有時(shí)間限制的事務(wù)處理。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可以解決實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問(wèn)題，同時(shí)也為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供時(shí)間驅(qū)動(dòng)調(diào)度和資源分配算法。
圖1
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備相連，是連接生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)和ERP的橋梁，組成MES支撐平臺(tái)，使企業(yè)管理層及時(shí)得到來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管理控制一體化，使管理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效運(yùn)行。如現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)各種信息數(shù)據(jù)的響應(yīng)以秒計(jì)，則MES的響應(yīng)實(shí)效以分計(jì)，而上層計(jì)劃系統(tǒng)則是以天甚至周計(jì)。
MES相對(duì)實(shí)時(shí)的反映生產(chǎn)過(guò)程中的情況。隨著工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化程度的提高、從生產(chǎn)控制系統(tǒng)層收集的信息也就顯著地增多。
在制造系統(tǒng)中，物料被送到設(shè)備上等待加工，MES根據(jù)生產(chǎn)排程啟動(dòng)設(shè)備，并提前給出命令初始化加工操作，實(shí)時(shí)響應(yīng)變得至關(guān)重要。質(zhì)量統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)所取得的數(shù)據(jù)分析來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)，對(duì)于精度高的產(chǎn)品，反饋時(shí)間不超過(guò)1s。
完善的MES將獲取分析正確的實(shí)時(shí)的信息，監(jiān)控并指導(dǎo)工廠車間的每個(gè)活動(dòng)，使得對(duì)每個(gè)活動(dòng)在他們發(fā)生時(shí)就能及時(shí)響應(yīng)，獲得最佳的實(shí)時(shí)效果。
2 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)功能模型
制造執(zhí)行系統(tǒng)MES作為實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化和企業(yè)自動(dòng)化的重要支撐技術(shù)，其本質(zhì)是介于企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)和車間自動(dòng)控制之間的面向制造過(guò)程的集成的車間生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)。因此，分析車間生產(chǎn)管理控制需求，建立面向制造過(guò)程集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模型是研究和開發(fā)制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要工作。
圖2
1)制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，是車間制造過(guò)程管理運(yùn)行的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)的功能包括零件主數(shù)據(jù)、工作中心、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工具(夾具、刀具等)、標(biāo)準(zhǔn)工序、工藝規(guī)劃、班次維護(hù)、工廠日歷和員工信息管理等。
2)車間無(wú)紙化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)的功能包括通過(guò)電子三維模型、電子二維圖紙和電子化的工藝文件、電子派工單等信息的管理、維護(hù)、下達(dá)和查詢，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量、進(jìn)度、物料移動(dòng)等信息的電子化采集。
3)生產(chǎn)過(guò)程管理與監(jiān)控，根據(jù)企業(yè)ERP系統(tǒng)生產(chǎn)訂單，進(jìn)行生產(chǎn)加工調(diào)度并以工序訂單的形式下發(fā)執(zhí)行，根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤，具體功能包括生產(chǎn)訂單維護(hù)與下達(dá)、派工單創(chuàng)建、工序派工、生產(chǎn)進(jìn)度采集、生產(chǎn)進(jìn)度查詢、生產(chǎn)進(jìn)度分析等。
4)車間物料管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)物料的庫(kù)存臺(tái)帳和物料的移動(dòng)管理，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過(guò)程中物流與信息流的集成。
5)在線質(zhì)量管理，根據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃采集生產(chǎn)過(guò)程中各檢驗(yàn)工序的質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，形成各種實(shí)時(shí)質(zhì)量圖形和在線質(zhì)量分析報(bào)告，必要時(shí)采取一定的質(zhì)量控制措施。
6)制造資源管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)所需要的制造資源基本信息的維護(hù)、制造資源的使用、制造資源庫(kù)及資源報(bào)廢等業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，并提供相關(guān)信息的查詢。
7)綜合查詢與分析，根據(jù)車問(wèn)韻生產(chǎn)管理要求，生成各類常規(guī)的生產(chǎn)匯總報(bào)表，同時(shí)能夠提供多種方式、靈活的、多角度的分析和查詢。
8)系統(tǒng)管理，包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理和日志管理等功能。
3 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)軟件生命周期
MES是一個(gè)復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的規(guī)劃、實(shí)施直至運(yùn)行，構(gòu)成一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程建設(shè)項(xiàng)目。為使MES獲得更大的效益，系統(tǒng)建設(shè)必須著眼于系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，嚴(yán)格按照系統(tǒng)工程的方法和步驟實(shí)施。MES軟件生命周期一般分為下述3個(gè)階段。
1)總體設(shè)計(jì)階段，總體設(shè)是在“總體方案”所確定的建設(shè)范圍內(nèi)，對(duì)現(xiàn)行系統(tǒng)進(jìn)行全面的調(diào)查分析，提出為實(shí)現(xiàn)總體規(guī)劃確定的系統(tǒng)功能所做的各種總體技術(shù)考慮和設(shè)計(jì)。
總體設(shè)計(jì)的結(jié)果是“總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書”，其內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置，應(yīng)用軟件的框架結(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)的功能模型、信息模型和全局信息模型，系統(tǒng)數(shù)據(jù)表、體系結(jié)構(gòu)以及實(shí)施方案。
2)系統(tǒng)開發(fā)階段，完成MES的設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)置、單元測(cè)試，對(duì)業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)進(jìn)行整合測(cè)試。開發(fā)系統(tǒng)界面、報(bào)表、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等程度和相關(guān)接口，組織用戶做好數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、對(duì)系統(tǒng)培訓(xùn)環(huán)境進(jìn)行核準(zhǔn)，安裝并創(chuàng)建測(cè)試環(huán)境，開發(fā)用戶培訓(xùn)手冊(cè)，修訂實(shí)施階段的切換計(jì)劃等基礎(chǔ)工作。
3)系統(tǒng)實(shí)施階段，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置工作包括選型、購(gòu)買、安裝、調(diào)試等，成功完成集成測(cè)試，獲得關(guān)鍵用戶對(duì)系統(tǒng)和流程的正式批準(zhǔn)，開展對(duì)最終用戶的培訓(xùn)，完成原有系統(tǒng)向MES的完全轉(zhuǎn)換。
4)工程驗(yàn)收階段，各個(gè)系統(tǒng)上線運(yùn)行后，經(jīng)評(píng)價(jià)確認(rèn)滿足實(shí)際要求，整個(gè)MES項(xiàng)目即告竣工，這時(shí)必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行總結(jié)，寫出“工程總結(jié)報(bào)告”，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收。
4 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)實(shí)施策略
企業(yè)應(yīng)用MES成敗或?qū)嵤┖笮б娴拇笮�，與企業(yè)具有的制造執(zhí)行能力密切相關(guān)。同時(shí)跟據(jù)離散制造企業(yè)與流程行業(yè)的特點(diǎn)，制定與之相適宜的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)實(shí)施策略。
4.1 MES數(shù)據(jù)采集
MES的數(shù)據(jù)采集功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的收集、整理工作，是進(jìn)行物料跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品歷史記錄維護(hù)以及其它生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)。
離散制造企業(yè)的數(shù)據(jù)采集，以手工輸入為主，并可以結(jié)合條形碼采集等半自動(dòng)信息采集技術(shù)進(jìn)行工時(shí)、設(shè)備、物料、質(zhì)量等信息的采集。這種數(shù)據(jù)采集方式，時(shí)間間隔較大，容易受到人為因素的影響，要特別注意保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
流程生產(chǎn)行業(yè)的自動(dòng)化程度較高，設(shè)備控制大量采用DCS、PLC。在檢測(cè)驅(qū)動(dòng)方面，各種智能儀表、數(shù)字傳感器已普遍應(yīng)用，這些自動(dòng)化設(shè)備，能自動(dòng)準(zhǔn)確記錄各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息。對(duì)于MES而言，重點(diǎn)在于系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)與這些自動(dòng)化設(shè)備做好數(shù)據(jù)接口。
4.2 MES作業(yè)計(jì)劃調(diào)度
離散制造企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃調(diào)度，需要根據(jù)優(yōu)先級(jí)、工作中心能力、設(shè)備能力、均衡生產(chǎn)等方面對(duì)工序級(jí)、設(shè)備級(jí)的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度。MES作業(yè)計(jì)劃調(diào)度要考慮生產(chǎn)中的交錯(cuò)、重疊和并行操作來(lái)準(zhǔn)確地計(jì)算工序的開工時(shí)間、完工時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間以及移動(dòng)時(shí)間。通過(guò)良好的作業(yè)順序，可以明顯提高生產(chǎn)效率。
流程生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)品是以流水生產(chǎn)線方式組織、連續(xù)的生產(chǎn)方式，只存在連續(xù)的工藝流程。因此，MES作業(yè)計(jì)劃調(diào)度不需要精確到工序級(jí)別，而是以整個(gè)流水生產(chǎn)線為單元進(jìn)行調(diào)度。
4.3 MES作業(yè)指令下達(dá)
離散制造企業(yè)MES將作業(yè)計(jì)劃調(diào)度結(jié)果下達(dá)給操作人員的方式一般采用派工單、施工單等書面方式進(jìn)行通知，或采用電子看板方式讓操作人員及時(shí)掌握相關(guān)工序的生產(chǎn)任務(wù)。作業(yè)計(jì)劃的內(nèi)容，包括該工序的開工、完工時(shí)間、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等方面。
流程生產(chǎn)行業(yè)MES不僅要下達(dá)作業(yè)指令以及PDI(面板數(shù)據(jù)接口)數(shù)據(jù)，而且要將作業(yè)指令轉(zhuǎn)化為各個(gè)機(jī)器及設(shè)備的操作指令和各種基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備的PID(控制參數(shù))，并下達(dá)給相應(yīng)的PCS(生產(chǎn)控制系統(tǒng))。
5 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)系統(tǒng)集成與應(yīng)用
MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在采用面向?qū)ο蟮男畔⒎治龊驮O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Web Service技術(shù)，基于Windows 2003 Server和SQL Server 2003，系統(tǒng)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與信息交互層平臺(tái)、業(yè)務(wù)功能管理模塊、系統(tǒng)集成框架等部分構(gòu)成。
MES主要采用客戶／HE務(wù)的體系構(gòu)架，主機(jī)對(duì)MES的計(jì)算、調(diào)用作出響應(yīng)，而用戶使用客戶端應(yīng)用程序得到指令及自動(dòng)、半自動(dòng)或手動(dòng)地記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息。為了保證MES系統(tǒng)得到實(shí)時(shí)信息，規(guī)劃良好的操作步驟和加強(qiáng)客戶端對(duì)于未連接的加工過(guò)程的信息更新是非常必須的。
通過(guò)MES系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車間無(wú)紙化生產(chǎn)，能夠較好地支持車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)任務(wù)的快速響應(yīng)和優(yōu)化組織，提高了生產(chǎn)效率；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)加工狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)采集，為ERP和管理層提供生產(chǎn)進(jìn)度狀況、生產(chǎn)質(zhì)量狀況、設(shè)備利用狀況等關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平和管理效率，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)化和透明化。
