離散制造車間MES系統的架構研究

苗潤澤，楊國太

（ 安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0．引言

當前，我國還處在制造業信息化的初期階段，由于受環境所限，企業設備生產的自動化與管理業務的信息化一般被視作兩個相互獨立的領域而分開進行。由不同的部門，基于不同的思想，產生了一系列功能單一的信息系統，造成了信息故障和信息孤島等信息阻斷問題。[1]

MES系統是制造業生產活動與管理活動信息溝通的橋梁，計劃與生產之間承上啟下的“信息樞紐”。MES系統采集從接收訂單到產出成品全過程的各項數據和狀態信息，用于優化管理活動[2]。MES系統通過提高設備投資回報率、提高準時交貨率、庫存周轉率、毛利和現金流績效等手段，解決了信息中斷的問題。

1．體系結構

MES系統從接受訂單到產品出廠的整個過程中，扮演著全程參與的“信息傳遞者”的角色，它必然要擁有管理調節車間生產活動的各項功能，同時也密切聯系其它的信息系統并為其提供服務，這就決定了MES體系結構就必須滿足以下幾個條件：

（1）MES系統必須是分布式計算機系統[3]；

（2）MES系統可以同工廠、企業的其它信息系統互聯，共同提供高效的信息管理與計劃功能；

（3）MES系統以生產實時信息為核心，為企業各項決策提供直觀信息。

如圖1所示：MES系統的體系結構應是一個軟、硬件平臺相統一的實時信息管理系統，以計算機終端作為載體實現各部門所需的系統功能，車間主要生產區的功能節點主要采用工業PC/PLC等相關設備[4]。通過收集和反饋每個單元的數據，覆蓋所有車間的開放式以太網系統，以滿足閉環生產和管理的需要。

在MES各個功能模塊間橫向聯系中，以WEB和MES服務器為核心，對數據進行分析、比較和存儲，提供圖形、報表和數據，在MES平臺下對實時信息進行監控。在與其它企業信息系統的縱向聯系中，通過LAN、Internet或VPN等媒介進行信息的傳輸和聯絡[5]，為上層規劃管理系統提供實時的車間現場信息，使整個信息系統處于動態的過程。

因此，一個設計優良的MES系統需要將整個企業揉合成一個緊密的整體，做到自上而下信息實時共享，使業務流程變得高效、有序。

2．軟件功能設計

成功的車間MES系統，在生產管理上按“料、法、機”的思路去安排功能。[6]所謂“料”，即：生產計劃、生產流程、物料跟蹤、過程管理、生產統計與分析。“法”是指質量檢驗數據的收集，過程分析，SPC(統計過程控制）。所謂“機”，即指遠程機器監控、機器信息管理、機器故障原因分析、機器任務管理和機器數據統計。

在系統功能設計時，始終將實時數據作為主線，將整個MES系統與其他信息系統緊密聯系，同時將其分成若干個功能模塊，如圖2所示。

2．1．自動生產調度排產

系統可以自動接收訂單、按照加工工序處理待加工零件的相應排產計劃，對已經延誤或有可能延誤的生產任務進行提醒；人工制定并鎖定加工流程和計劃，可以根據計劃模式設定約束條件，對工單進行生產排序，并允許變更部分訂單，可以管理插單，加急訂單等操作；完成調度排產后，可自動生成圖表，提供查看所有零件的加工工序步驟在機器上的時間作業分布，也可查看機器上所有加工工序步驟的時間計劃分布。

圖1 MES系統結構體系Fig.1 MES system architecture

2．2．工藝管理

提供插入典型工藝模板和復制類似零件的工藝，快速擬定工件的加工工藝功能；擁有預測零件加工工時的分析功能；它具有強大的虛擬加工部件(拆裝)功能，即CAPP功能，具有過程條碼和零件條形碼標準格式的打印處理卡和工藝數據庫管理功能。

2．3．外協管理

可查詢自動調度排產后可能延誤的任務清單，擬定外協訂單、詢價單，及時對外協送出、送回的信息進行跟蹤、監控。能實時統計外協單位的延誤率、合格率及延誤成本損失等，以便對業績進行全程及時管理。

圖2 MES的組成以及與其他系統的關系Fig.2 MES composition and the relationship with other systems

2．4．生產監控

車間生產管理監控系統采用C/S+B/S體系結構，采用手持PAD、手持 RF設備等進行數據的采集，使用系統服務器完成本系統應用程序的管理、維護和運行，從而極大增強系統的集成性和可維護性。車間內設立兩塊電子顯示板，用于顯示整個車間的生產狀態和生產計劃。系統結構如圖3所示。

圖3 生產監控系統Fig.3 Production monitoring system

2．5．車間庫存管理

制造業車間的庫存管理一般包括原材料、半成品、成品、刀具、夾具和工裝等[7]。MES可通過條碼化管理完成業務流程的操作，既方便又準確。車間各部門接到生產任務的同時，刀具/夾具/工裝庫房可通過生產計劃自動處理生成刀具/夾具/工裝等各項生產準備計劃，用于指引生產準備及任務執行，可極大縮短等待時間。具備強大的庫存檢索能力，支持隨時查詢歷史出入庫的記錄及當前的庫存情況。條碼化管理主要是在料箱、料架上粘貼條碼，料箱放到料架上時進行料箱與料架的對應。領用時直接掃描料箱條碼。這樣可以實時掌握車間庫存與存放位置情況。

2．6．車間現場數據采集

現場數據采集主要是通過物聯網智能終端與車間關鍵資源（物料、設備、人員）進行高度集成，以多種通迅方式（無線傳輸ZIGBEE、WIF或有線TCP）構建公司內部的聯網共享平臺：

（1）直接從加工設備上采集實際工藝參數、生產節拍，防止數據的失真，減少由人工統計的誤差和延遲導致的決策延誤；

（2）細的現場數字化信息（時間、設備、人員、批次等）為生產的實時監控提供了最基礎的數據來源；

（3）對于設備停機狀態和管理應答等有不確定性的數據，使用采集器上的鍵盤進行輸入，彌補了自動數據采集的不足；

（4）實現所有加工設備的聯網和生產全流程控制；

（5）不改變現有生產布局、裝備水平和管理能力的情況下，實現精益和敏捷生產；

（6）減少人工派工、人工輸入、減少紙張的使用；

（7）在智能終端上直接上報機器的運轉情況是設備負載，設備空載或設備故障，并可通過后臺軟件把設備的運轉狀態，用短信方式發送至相關責任人手機，引導生產管理者和生產支持職能部門了解設備,對生產異常做出快速處理。

（8）準確的和實時的采集到車間生產現場數據,使管理人員能快速了解車間的實時情況，現場的操作人員也能通過智能終端發出實時請求讓管理人員進行技術支持；

（9）可以顯示車間工藝操作指南說明書，工藝圖紙，也可配合音頻，視頻播放，通過電子化管理、讓操作員工可以實時了解工藝，對按照工藝說明，準確快速的完成生產；

（10）對設備故障維修做處快速反應，實時的反饋到后臺，詳細記錄，清楚了解車間生產設備的情況，還可以通過加工程序管理將加工程序、車間設備、生產工單進行綁定，使車間加工程序管理透明化。

3．關鍵技術

3．1．物料工藝狀態跟蹤技術

現代企業的生產過程中，企業需要實時監控產品在什么時間段內處于什么位置及處于什么樣的生產狀態，這要求企業對于物料進行有效的監控，對于物料的活動情況和活動范圍進行及時精確的跟蹤。生產跟蹤流程如圖4所示。

對物料采取實時有效的跟蹤，可以使企業的質量管理更加高效細致，作業流程更加規范，成本核算和庫存管理更加準確，生產計劃更加詳細，更能滿足實際需要[8]。圖4中RFID技術，又稱射頻識別技術，是一種通信技術。它可以通過無線電信號識別出特定的目標，讀取和記錄相關的數據，并且不需要識別系統來建立與特定目標的機械或光接觸[9]。通過產品跟蹤功能的使用，系統可以隨時監測工件的位置和狀態，收集和記錄產品或部件的處理，數據處理的結果，每一個部件或產品的可追溯性記錄。必要時，將問題的根源及處理結果告知客戶。鑒于物料的工藝狀態在MES系統中的重要作用，本文將物料工藝狀態的跟蹤技術作為MES系統的一個關鍵技術。

圖4 生產跟蹤流程圖Fig 4 Productiontrackingflowchart

3．2．車間生產調度技術

離散制造企業生產環節多，協同作業復雜，生產過程控制困難，變化快。局部故障或某種措施不及時實施，往往影響整個生產系統的運行。因此，必須緊抓生產調度任務，及時了解和更正生產計劃，分析和提取影響生產作業的各種因素，并根據不同的情況采取相應的對策，縮小差距，恢復作業正常[10]。生產調度是組織、實施生產計劃的工作，是以生產計劃為根本，通過控制作業調度實現生產計劃，其必要性是由離散制造業生產活動的基本性質決定的。

實際中車間的業務流程比較復雜，加工環境相關的各類因素時常發生變化，不確定事件經常發生等等，也讓車間的生產調度等問題更加復雜化。因此，本文認為對于車間生產調度技術的研究也是MES系統的一個關鍵技術。車間的業務流程如圖5所示。

3．3．基于BOM的信息集成技術

物料清單(BOM)是工業產品結構的技術描述性文件，它不僅是產品產出的所有項目元素的列表，而且還表明這些項目元素之間的結構關系，從原材料到零部件，直到產品的最終形態，以及它們之間的關系。BOM是制造企業的核心文件，應用于各個部門和系統。從BOM中獲取特定的數據，通過研究數據中的一致性轉換實現MES系統與其它企業應用系統的集成是MES系統的另一個關鍵技術。

圖5 車間MES系統業務流程圖Fig.5 Workshop MES system business flow chart

4．結論

MES系統是面向于生產車間這一制造業基礎環節的信息管理系統，是現代企業信息化的重要構成部分，是制造業改善車間管理結構、增強市場競爭力的必然選擇[11]。本文對MES系統架構的關鍵技術進行了深入的研究，在此基礎上，分析了車間管理的體系結構、工作原理和數據交互模式。隨著工業4.0及中國制造2025規劃的深入推進，MES系統也將得到更好的發展與完善。

參考文獻：

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