1 MES概述
由于制造企業(yè)內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將生產自動化與經(jīng)營活動結合起來，將經(jīng)營目標轉化為生產操作目標，實現(xiàn)經(jīng)營和生產自動化間的協(xié)調統(tǒng)一，真正使經(jīng)營計劃周期形成“閉合回路”。MES提供設備控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的車間級調度管理功能，提供ERP等管理信息系統(tǒng)無法實現(xiàn)的生產數(shù)據(jù)的獲取與分析功能，成為車間生產和企業(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)務系統(tǒng)和底層DCS／PCS等生產設備控制系統(tǒng)一起構成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，一是把業(yè)務計劃的指令傳達到生產現(xiàn)場，二是將生產現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。
MES扮演著生產活動最佳化的信息傳遞者。生產管理是MES的基礎和核心，它是整個車間生產數(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。它將生產現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)提交給質量檢驗系統(tǒng)進行分析和全面質量跟蹤，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出量，通過與控制層設備的鏈接實時監(jiān)督生產過程中的工藝參數(shù)監(jiān)測和統(tǒng)計結果，及時向上反饋生產的結果和問題，及時得到上層的指示和指導，確保整個生產流程的連續(xù)性，提高整個生產車間的優(yōu)化能力。因此，以研究基于MES的生產管理在制造企業(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)的車間生產業(yè)務為研究背景，將生產管理作為MES系統(tǒng)中的一個模塊，實現(xiàn)對生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，通過與質量檢驗系統(tǒng)和衡器計量系統(tǒng)的有機結合，將生產的全部數(shù)據(jù)實時傳遞給上層ERP。
2 MES生產管理業(yè)務需求分析
該大型冶煉企業(yè)有五個生產制造車間，從進廠的原材料到最終產成品的形成，需要經(jīng)過多段生產、多段運輸、多地存儲，期間物流種類多、工序多且形式不一，并伴有多種副產品的產生。同時，伴隨著投料和收料數(shù)據(jù)的質量檢驗和計量，這使得生產制造過程具有一定的復雜性。然而，車間生產的大量數(shù)據(jù)均依靠各個崗位工人的手工記錄，在進行月結生產數(shù)據(jù)整理時，需要在大堆的紙質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)自動控制設備的監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)不能及時傳遞給生產執(zhí)行層，使得生產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執(zhí)行層。于是，出現(xiàn)嚴重的中間生產執(zhí)行的信息斷層。
通過詳細實地調研發(fā)現(xiàn)，底層企業(yè)業(yè)務管理系統(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，首要任務是規(guī)劃它的整體信息架構層級：L1為一級設備控制系統(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個生產車間的業(yè)務整合起來，MES接受來自ERP的月生產訂單，MES將ERP的月生產訂單按照5個生產車間的業(yè)務特點由調度進行排產，生成各自車間的日作業(yè)計劃，生產調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，將物料的投入和產出連成線，前一車間的產出物是后一車間的投入物，期間需要對特定物料進行質量檢驗、衡器計量和移庫。當崗位工人完成投收料相關數(shù)據(jù)的人工采集和設備的自動采集后，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個車間的生產業(yè)務的抽象和統(tǒng)一。
圖2 車間生產管理業(yè)務流程
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)產線和工序的不同，規(guī)定崗位的具體操作生產訂單和作業(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生產管理功能模型
由于該冶煉企業(yè)目前已有質量檢驗系統(tǒng)、衡器計量系統(tǒng)，所以MES生產管理模塊在不打破現(xiàn)運行良好的質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，將控制層的生產狀態(tài)和中間層的生產結果反饋給計劃層的ERP。
整個MES的生產管理功能簡介如下：
(1)生產計劃管理：操作對象為各個車間的調度室，主要接收來自ERP的月生產訂單，啟用生產訂單，然后通過系統(tǒng)自動加人工調整的方式進行排產，按周或天下達MES日作業(yè)計劃于各個崗位。在生產的過程中，若出現(xiàn)設備檢修、人為事故的情況，調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，則關閉該作業(yè)計劃，防止對該作業(yè)計劃的過量投入和產出。
(2)生產實績管理：操作對象為具體的崗位，位于不同產線和工序的崗位工人只能操作系統(tǒng)配置好的生產訂單和作業(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。完成生產過程中投入物料和產出物料的質量檢驗和計量，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)生產移庫管理：在生產制造過程中，需要廠際、廠內之間來回調撥物料，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生產過程中的物料需要質量檢驗部門檢驗的，則MES需發(fā)檢驗委托單至質量檢驗系統(tǒng)，質量檢驗系統(tǒng)完成檢驗并將結果返回給MES判定處置；同樣MES生產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，查詢結果以符合生產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生產管理系統(tǒng)實現(xiàn)
MES考慮到5個車間網(wǎng)絡設備情況，決定在車間數(shù)據(jù)操作層采用C／S客戶機／服務器方式，在行政管理層進行信息瀏覽和查詢時采用B／S瀏覽器／服務器方式總的系統(tǒng)架構采用現(xiàn)今比較流行的三層結構后臺以Oracle數(shù)據(jù)庫服務器作為支撐環(huán)境，前臺采用c#開發(fā)語言。MES系統(tǒng)的三層結構分別為：
(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)務邏輯，包括基礎業(yè)務功能和業(yè)務流，即將生產計劃、生產實績、生產移庫、查詢統(tǒng)計分析等功能置于該層。當客戶端提出任務請求時，應用邏輯層首先向數(shù)據(jù)服務層的數(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，將處理的結果通過應用服務器傳送回客戶端。
(3)數(shù)據(jù)服務層，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。
這種體系結構的本質在于通過對服務功能的分布實現(xiàn)分工服務。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)庫服務請求，然后將這些請求按照一定的格式返回給用戶?？蛻舳瞬恢苯优c數(shù)據(jù)庫交互，所有的業(yè)務處理都放在了中間層的應用服務器上，一旦數(shù)據(jù)庫結構或業(yè)務邏輯發(fā)生變化，只需要修改相關的業(yè)務邏輯組件，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
在整個系統(tǒng)實施周期內，始終有關鍵用戶陪伴著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。通過小版本發(fā)布和計劃矯正的不斷循環(huán)過程，關鍵用戶、普通用戶與整個MES開發(fā)團隊達成共識，并得到高層領導的支持和協(xié)助，使得MES生產管理模塊具有本冶煉企業(yè)生產制造的特點，在既保證車間之間生產流程的連續(xù)性和整體性之外，MES還通過良好的解決方案將特殊業(yè)務特殊處理，這樣，車間生產原有的手工報表記錄和人工跟蹤工作輕松地被MES中生產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將生產結果和問題通過接口上傳給ERP，ERP將生產任務和生產指令通過接口下達到MES車間，車間調度指揮各崗位工人更有效地完成工作，整個生產過程通過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)生產制造效益。
