淺談構建工廠級MES系統四大框架

林大明，盧政毅，黃圣龍

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

柳州五菱柳機動力有限公司以NP18發動機生產線為切入點，結合企業多辦公平臺實施MES制造管理信息化項目，提高公司的工藝及產線工業化及信息化水平，全面提升企業的生產制造全過程的競爭能力。

通過MES制造管理信息化項目實施，建立制造企業生產過程執行系統（面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統）。實現為企業提供包括制造數據管理、計劃派工管理、生產調度管理、質量管理、設備管理、看板管理、生產過程控制、底層數據采集分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。

1 MES系統業務框架

MES必須基于優秀的管理業務流程，縱橫全面考慮。縱向采用目前國際通用的三層結構，橫向貫穿研發、供應鏈、制造、營銷整個價值鏈過程。構建步驟可分布實施，但必須基于整體架構，否則會出現信息孤島、信息煙囪、難以整合等問題，不利于公司整體協同。

1.1 公司信息化業務三層架構

西方企業的信息化是沿著MRP/MRPII/ERP這條路徑走下來的，發展過程中存在著一定的問題。美國AMR通過對大量企業的調查發現，現有的企業生產管理系統普遍以ERP/MRPII為代表的企業資源管理軟件為主，如果沒有公司自動化技術、現場監控系統等的有效支持，往往陷入集成與應用兩層皮的尷尬境地，最后導致失敗。1992年AMR提出了三層的企業信息化模型。目前，這三層結構模型已經是公認的企業信息化模型。

企業信息化三層模型包含企業資源計劃ERP、執行系統MES、過程控制系統PCS等三個層級，是一個貫徹“計劃—執行—控制”的有機整體。企業資源計劃ERP面向資源計劃，執行系統MES面向現場執行，過程控制系統PCS面向過程控制。其中，MES是一個承上啟下的系統，一方面連接底層的工程控制，一方面連接高層的資源計劃，是確保企業信息化成功的基礎和關鍵。企業信息化三層結構模型如圖1所示。

圖1 企業信息化三層結構模型

1.2 貫穿整個價值鏈的信息化業務架構

執行層面的信息化包含研發PDM、供應鏈SCM、制造執行系統MES和客戶關系管理CRM.模塊與模塊之間考慮預留標準接口，可與ERP、辦公協同OA和底層的控制對接。如圖2所示。

圖2 企業信息化業務架構

1.3 MES系統五個層次

MES本質上是對制造過程中信息流的管理，根據制造信息的特點，將信息流分為平臺、計劃信息流（計劃流）、產品信息流（產品流）、作業信息流（作業流）和物料信息流（物流）5個層次，涵蓋了制造過程的各個管理環節。如圖3所示。

平臺：平臺是MES系統的基礎模塊，是MES所有功能模塊的基礎支撐。MES平臺包括基礎數據、智能BOM、信息發布中心、權限管理和電子看板系統等管理平臺。

計劃信息流：是計劃信息的流向，貫穿從客戶訂單到交付的整個過程，也是制造過程組織的依據。

產品信息流：產品信息流是指產品流動過程的信息流，是產品制造過程中實物流動的源頭。貫徹產品流的信息流包括產品跟蹤、產品追溯和產品存儲等。

作業信息流：作業信息流是指產品制造過程中的作業信息流。作業流包括工位管理、設備管理、暗燈系統、質量管理、效率管理系統等。

圖3 MES業務架構圖

物料信息流：物料信息流是指物料流動過程中的信息流，通常由產品流拉動，貫穿物流計劃、物料存儲、物料配送、物料追溯、產品跟蹤（產品電子檔案）等環節。

2 MES系統硬件技術框架

基于“企業信息化架構理論”設計的制造管理信息化平臺架構，可以解決架構服務器分散，維護困難、數據安全無法保障及現有信息系統數據獨立、共享不暢等問題，并且具備靈活擴展、維護方便、數據安全、遇到故障靈活切換等特點。基于“企業信息化架構理論”設計的新的系統架構，采用先進的IT技術，完全滿足公司未來信息化規劃的需求。

2.1 網絡及硬件架構

網絡及硬件架構主要由服務器、生產線、物料配送區、倉庫及其他應用客戶端等組成。2.1.1服務器

數據庫服務器與應用服務器分離，確保數據的安全性，避免應用服務器出現問題影響數據的安全。通過交換機連接不同的數據庫服務和應用服務器進行各種業務處理，支持越來越高的業務連續性要求。

數據庫服務器與應用服務器使用服務器群集與數據庫高可用組雙機容錯系統作為雙機熱備方案，該方案具備以下特點：

1）服務器、網卡、電源模塊等關健設備全部使用冗余設計，無單點故障；

2）雙機軟件快速反映，錯誤檢測時間小于10 s，故障切換及恢復時間一般在10～20 s；

3）雙機軟件GUI與Server分離，可隨時中斷GUI而不影響Server的運行；

4）支持 JOB和 BRING IN/BRING OUT、在一臺SERVER上停止JOB不會導致FAILOVER；在同一塊網卡上建立多個活動的IP地址，支持多個JOB的運行；

5）自動切換：當系統出現故障時（如：系統宕機、HA 進程/應用進程被殺掉、RS-232、SCSI、光纖、網絡線纜斷開），RoseHA將確定故障原因，并采取相應對策，并將這些應用切換到備份服務器上，而故障服務器中未受影響的應用不會被切換，既不會受任何影響，更不需要系統管理員干預。

2.1.2 生產線

每條生產線配置一臺現場服務器，現場服務器使用工業一體機電腦，滿足生產線現場的嚴苛環境要求，現有生產線每個工位采集及錄入的數據都存儲在現場服務器，并通過網絡同時上傳到中心機房的數據庫服務器上，有效解決現有生產線現場服務器易發故障及維護困難，數據獨立存儲導致的數據共享不暢及數據安全無法保障的問題。

2.1.3 物料配送區

物料配送區的配送計算機通過網絡，實時的獲取生產線各個工位的物料需求，通過LCD看板顯示或者系統播放聲音信息及時通知配送人員把所需的物料配送到生產線。

2.1.4 倉庫及其他應用客戶端

倉庫及其他應用客戶端通過無線及有線網絡與中心機房應用服務器相連，通過PAD、者客戶端PC或移動設備，靈活使用應用服務器上部署的業務功能模塊。

3 MES系統軟件技術框架

此次搭建的MES系統軟件系統架構圖如4所示。

圖4 MES系統軟件系統架構圖

3.1 軟件系統架構基本環境需求

3.1.1 NET框架

要求.NET Framework 4.5及以上版本。3.1.2 WEB開發框架

ASP.NET MVC 5：ASP.NET MVC是微軟官方提供的以MVC模式為基礎的ASP.NET Web應用程序（Web Application）框架，ASP.NET MVC 5為其最新版本。

3.2 軟件系統架構描述

1）基于依賴注入（IOC）設計模式及依賴注入框架Ninject設計，使數據訪問接口層不依賴具體的實現，可以方便適應不同的數據庫系統（MSSQL、MySql、Oralcle 等）。

2）基于依賴注入（IOC）設計模式及依賴注入框架Ninject設計，可以靈活的應付已有業務的更新和改進要求。

3）基于ASP.NET WEB API 2的插件式數據訪問接口（API）服務，不僅可以方便的為其它系統提供數據，還可以讓系統靈活地使用不同的前臺框架（HTML、Winform、WPF、IOS、Andorid等），應對不同操作環境需求。

4）基于ASP.NET MVC 5的插件式框架，可以靈活實現移除過時的業務功能及增加所需的新的業務功能。

5）基于微軟成熟的.NET Framework 4.5、ASP.NET MVC 5及ASP.NET WEB API 2框架技術，支持大用戶量并發使用（在普通服務器下支持2000-5000并發）。

6）框架提供完整的錯誤日志記錄，遇到問題能通過日志快速定位和解決。

7）插件式框架輕松應對系統部署和升級，在應用服務器上把框架部署完成后，只需要將實現業務功能的插件文件拷貝到框架的插件文件夾下，就可以立即使用新的業務功能；如果需要移除業務功能，只需移除對應的業務插件文件即可。

電力拖動方案是電氣控制原理圖設計及電器元件選擇的依據。本設計作為實訓裝置，主要促進企業新員工掌握電動機常用的控制電路，使企業新員工增加感性認識，因而不考慮進行電力拖動方面的實訓，達到培訓演示效果即可。

4 MES系統功能框架

根據公司信息化整體規劃，結合發動機裝配公司的實際業務，本階段引入MES系統的主要功能，功能包含基礎數據、產品電子檔案、質量過程控制、工位管理、暗燈系統、物料配送、效率管理、設備管理相關內容。

4.1 基礎數據

基礎數據是MES系統運行的基礎。

1）產品基礎數據：包括產品系列、產品狀態、產品代碼、工藝路線主要模塊。

2）物料基礎數據：包括物料類型、BOM、供應商信息的管理。

3）質量基礎數據：定義各種質量指標、檢測項目以及對于檢查數據數據的邊界值。

4）設備基礎數據：設備臺賬管理。

5）基礎數據還包括：車間生產線及工位、班次和工作時間、員工和部門以及權限管理等功能。

4.2 產品電子檔案管理系統

MES系統對產品信息采集、分析處理，為每一臺發動機建立電子檔案，提供便捷的查詢等功能，滿足生產作業、產品追溯等業務需求。

（1）檔案內容：根據生產及追溯業務需求，設計產品電子檔案包含主要內容及信息來源如下表1所列。

表1 產品電子檔案內容

（2）數據采集

數據采集方式選擇原則：準確、方便、快捷。MES平臺優先選擇自動采集的方式，減少手工錄入環節，降低出錯幾率，提高效率及數據實時性。

主要的數據采集方式有：

1）數據庫接口（自動采集）；

2）文件傳輸接口（自動采集）；

3）設備OPC接口（自動采集）；

4）RFID自動識別（自動采集）；

5）條碼（一維、二維）掃描錄入；

6）手工錄入。

現場數據采集見如圖5所示。

圖5 MES數據采集服務器架構

現場操作PC通過網絡與應用服務器、數據庫服務器相連，掃描/錄入質檢信息、追溯物料信息等，連同對應的發動機狀態號、操作員、工位、操作時間等信息經過處理后保存到數據庫服務器，供查詢、分析、追溯用。

現場服務器運行著OPC服務，現場服務器通過OPC接口與RFID識別系統等PLC控制的自動化設備相連，實時獲取PLC信息，并保存到數據庫服務器。如圖6，當托盤經過RFID讀寫單元的感應區域時，托盤RFID中存儲的狀態號被自動識別，該狀態識別號以及讀寫頭單元地址通過PLC傳送到OPC服務器。OPC服務將讀寫單元地址轉化成對應的工位編號，連同讀取的時間保存到數據庫服務器。工位是操作PC從數據庫服務器獲取到發動機相關信息，實時顯示出來。

熱測試臺等測試、測量設備完成操作后，測試測量結果保存到現場服務器，MES系統則可以通過數據庫接口獲取上述測試測量數據，保存到產品檔案記錄供查詢、分析、追溯。

（3）產品檔案報表

軟件具備模塊查詢功能，分精確追溯零件、批次追溯零件、擰緊設備、測量設備、熱試磨合、發動機返修、總成查詢等7大模塊進行布置，可按發動機號、零件號、工位號、工位名稱、操作者、生產時間等單條件或多條件查詢，可按查詢內升序或降序進行排序；

電子檔案以Excel表格、PDF等格式保存，并可自動實時打印。

電子檔案數據與公司內網連接，可分權限查詢和打印。

產品電子檔案數據庫結構開放式，便于二次開發。

4.3 質量過程控制系統

質量管理信息系統構建全面基于整個質量管理業務系統如圖6所示。質量管理業務體系包含質量系統管理、早期集成設計、精益制造工程、制造程序認證、質量標準、質量信息、過程質量管理、質量改善等幾個核心模塊。

圖6 質量管理系統業務模型圖

制造過程過程控制模塊包含預防、檢測和遏制三個層次，遵循PDCA管理循環，本期信息系統構的業務內容包含檢驗數據采集接口、質量實時監控SPC、響應與返修、質量改善清單、質量自働、質量追溯、質量查詢、質量報告體系。業務模型如圖7所示。

圖7 業務模型

質量過程管理基于以上業務邏輯，設計本期的IT架構，如圖8所示。包含數據采集、質量信息統計分析與存儲、質量過程遏制、質量追溯、過程改進、質量決策報表和質量查詢七個功能模塊。

圖8 質量過程控制IT架構簡圖

4.4 工位管理系統

工位管理主要包括工位的生產派工功能、操作標準化SOS和物料索取，在工位操作PC上的系統界面，可以靈活切換這三個功能。同時工位管理系統還支持擴展其他管理功能，如設備點檢、工位5S標準、工位安全人等。

4.5 暗燈系統

暗燈（Andon）系統是當生產線出現問題需要其他人員支持解決時，將生產線停下來，等到將問題解決后再重新啟動生產線的一套裝置。這樣可以使問題不往后流動，有效地提高了過程質量。同時，它也大大促進了團隊合作、問題解決。暗燈系統主要作用：

1）貫徹“不接受、不制造、不傳遞缺陷”的三不原則，不讓缺陷流到下工序；

2）拉動管理人員快速響應現場，貫徹現場、現物、現實的三現主義；

3）促進團隊合作與高效問題解決；

4）記錄暗燈事件信息、統計、分析，為問題改善提供決策依據。

4.6 物料配送系統

MES的物料配送功能：主要實現從倉庫到物料配送區、倉庫到生產線、物料派送區到生產線的物料配送管理，支持物料索取、電子拉動、排序送料多種配送方式，同時可以與WMS（倉儲管理系統）對接，實現倉儲數字化管理。

本階段MES項目主要應用到物料索取的配送方式，通過工位的物料索取系統，操作工人向配送區域發出物料需求信息，傳送到物料配送計算機，并在電子看板上顯示，同時打印配送單，指導送料。

如9圖所示，物料配送系統可以支持多個工位索取功能，滿足增條生產線的物料索取-配送需求。物料索取信息經服務器處理后，形成完成的物料需求信息，傳輸到物料配送電腦。

圖9 物料配送系統

物料需求信息包括：所需的物料型號、數量、庫位地址、配送地址、索取持續時間、需求緊急狀態等。

4.7 效率管理系統

效率管理的核心是差異管理，即實際與標準的差異，標準與標準的差異。要對效率標準進行設計（如標準工時、標準人力投入、生產節拍等）。當實際效率小于標準時，關注差異原因并進行改進。改進一定時間后實際效率大于標準時間，就改善標準，依此類推動態循環。公司還必須關注標準改進幅度，納入考核體系。標準的改進幅度又叫基礎生產力。見圖10.

圖10 差異管理模型

效率管理信息系統基于效率不斷提升，著眼”差異”的管理平臺。效率管理分為四個層次：效率基礎數據、數據采集、數據分析和控制改善，如圖11所示。

圖11 效率管理信息系統

4.8 設備管理系統

設備管理信息系統是生產管理信息平臺的重要組成部分，系統架構基于先進制造全員生產維護（TPM）業務系統設計。系統包含三大部分：設備采購管理、設備使用管理和設備轉移與報廢管理。

設備采購與檔案管理主要有設備需求申請、招標與采購、設備驗收、設備基礎檔案四個部分。

設備使用管理包含指標管理、設備監控、保養計劃、專業保全、自主保全、搶修管理、備品備件管理、盤點與折舊。

設備轉移與報廢主要是資產管理歸屬部門、責任人轉移；設備轉賣和設備報廢流程。

5 MES系統實施效果

MES系統的實施及實際運行表明，MES系統給公司各方面帶來極大的改進：

1）建立數字化、透明化現場管理和監控體系，優化和規范公司業務流程；建立制造部門統一協同平臺，加強生產各相關部門的協同能力，大大提高了工作效率；

2）生產排程與執行追蹤：MES系統自動獲取ERP主計劃，實習生產線作業計劃排程，并監控排程的執行狀況，確保生產計劃的達成，降低在制品庫存和縮短制造周期；

3）建立以產品信息為紐帶，監控作業現場的詳細過程，建立相關業務單元有效協作的信息平臺；建立生產全過程數據管理平臺，實施記錄生產信息，及時監控和發現采購、檢驗、外協、生產等問題，通過數據分析，不斷挖掘優化空間，降低生產成本，縮短生產周期，提高工作效率；

4）建立全程質量追溯體系：透過采集生產過程信息、物料批次信息和檢驗信息，形成完整的產品生產過程數據庫，建立產品的全程追溯體系；通過分析來不斷優化并縮短檢驗周期；績效分析與持續改善：產出/效率/品質/庫存/周期等數據的統計分析，支持決策和績效管理，實現對制造周期、在制品庫存、產品品質等的持續改善；

5）建立生產質量物流等異常情況預警機制，提高問題處理效率和準確率，降低生產成本；

6）監控現場業務操作，引入防呆機制，幫助操作人員減少操作失誤；

7）和ERP、設備集成，代替人工錄入，提高系統的處理效率和準確率；

8）實時獲取各項業務績效指標，為高層決策提供全面及時的第一手數據。

6 結束語

總體而言，工廠MES系統實施，需搭建一個全面的、集成的、穩定的生產制造管理系統平臺，從4個維度形成4大框架體系，對產線、工位、人員、品質等多方位的監控、分析、改進，形成精細化、透明化、自動化、實時化、數字化、一體化管理，實現企業生產制造信息化管理，極大程度提高了企業的制造水平。

參考文獻：

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