基于ANSI/ISA-95的纺机制造MES建模与应用

廖一专,肖田元,韩 丹

(1. 清华大学 自动化系CIMS中心，北京 100084)(2. 经纬纺织机械股份有限公司，山西 晋中 030601)

基于ANSI/ISA-95的纺机制造MES建模与应用

廖一专1,肖田元1,韩 丹2

(1. 清华大学 自动化系CIMS中心，北京 100084)(2. 经纬纺织机械股份有限公司，山西 晋中 030601)

介绍了制造执行系统(MES)领域的企业-控制系统集成标准ANSI/ISA-95与其应用现状。利用制造运行管理活动模型分析，提取出纺机企业实际生产流程中关键性制造活动及功能、硬件需求，以辅助MES方案设计。通过纺机制造行业MES案例，展示了该标准在行业应用的实践指导作用。

制造执行系统；制造运行管理；CIMS；标准化

制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)的出现旨在联系企业资源计划、管理系统以及制造车间现场控制系统，起到两个层级之间信息交互、协同反馈的作用。自MES概念提出后，各研究机构先后提出相应的模型体系对其概念内涵进行丰富与拓展。目前，ANSI/ISA-95标准体系是业内较为权威的制造执行系统规范。但由于该标准覆盖范围囊括了各个制造行业，其在工业领域的实践仍然需要MES项目实施人员结合自身行业、企业特点而给出相应的解决方案。如何将通用的建模方法应用于具体工业案例，在改善MES能力的同时促进企业信息集成，是MES实践的要点，也是本文的着眼点所在。

1 ANSI/ISA-95标准与应用

ANSI/ISA-95是美国仪表协会制定的企业-控制系统集成规范，是不同类型工业的跨行业的定义集合，目前已经推出了5个部分。该标准的前三部分和第五部分得到国际标准组织以及国际电工委员会的评估，并已经接受为代号IEC/ISO 62264的国际标准。我国国家标准委员会采纳并翻译了该标准前三部分，制定了GB/T 20720.1～GB/T 20720.3等3个部分的国家标准。

1.1ANSI/ISA-95标准结构

标准给出模型描述的术语及具体定义，使用企业层次模型界定了该标准描述的内容，并给出了各个功能间的数据流关系和对象模型[1]。标准将企业信息系统由底层至顶层划分为0至4共5个部分，如图1所示。ISA-95标准体系第一、二部分侧重于讨论企业第3～4层之间接口的描述。第三部分介绍了制造运行管理的概念并提出了相应的模型分析方法。第四、五部分针对制造运行管理与企业信息系统其他层的交互，提出了集成的解决方法。

图1 企业信息系统的层次模型

1.2标准在工业界应用的挑战

自ISA-95标准被提出，学术界、工业界都开始重视其理论研究与实践应用。目前，ISA-95标准已经开始在国内各制造行业得到参考。但同时，由于其覆盖各个行业的特点，导致标准在某一行业应用时针对性不够。国内一些MES研究学者和行业应用研发企业普遍反映标准的应用缺乏行业基础数据的支持，应该分行业制定ISA-95的应用标准[2]。目前，像卷烟行业已经制定出与GB/T 20720对应的行业MES功能与实施规范[3]。但是，更多行业领域内的MES仍然需要实施、开发人员依据企业生产特点，深入研究MES的功能模型和实践方式[4]。

1.3制造运行管理及通用活动模型

标准的第三部分提出并着重描述制造运行管理(MOM)及其活动模型[5]，制造运行管理概念衍生于第一部分的控制模型。在功能性企业-控制模型划定的第3层边界内,按照功能活动的本质以及信息交流的特点，进一步将第3层活动划分为4个主要的管理功能模型：生产运行管理、质量运行管理、维护运行管理以及库存运行管理。针对这4种制造运行活动，标准提出通用活动模型，描述了各个制造执行活动中信息的流动情况。

图2 制造运行管理通用活动模型

可以依据信息流从第1，2层至第4层的3条通路进一步将MOM通用活动模型划分为3个活动类，分别是：

a.资源定义管理。对应通用模型中资源管理、定义管理2个活动。该部分使用设备、物料、人员、产品的定义信息，向第4层输出生产资源的能力信息，并为调度执行管理提供产品定义、资源可用情况等信息。

b.数据管理。对应通用模型中数据收集、跟踪、分析3个部分。该模块从信息系统第1，2层级获取生产现场关键数据，并执行跟踪、统计、分析等一系列活动，向第4层级反馈数据，为调度执行管理提供参考变量。

c.调度执行管理。对应详细调度、分派、执行管理3类活动。该部分是制造执行系统功能的核心，从第4层获得运行请求，并完成调度的分解、分派、执行管理等，向第1，2层级输出操作指令。同时将获得的资源定义管理活动、数据管理活动的输入作为运行参数。

2 纺机制造MES的MOM模型分析

ANSI/ISA-95制造运行管理模型体系的目标并不在于完全展示制造系统的活动结构，而是为实践提供一致性框架，从而让实施人员能够在此框架下发现可能存在的活动与信息流[6]。

基于某大型纺织机械制造厂商关键件生产线实际，结合ANSI/ISA-95制造运行管理模型结构，对其MES功能需求进行提炼，以得到适合厂商生产实际的解决方案。现以生产、质量运行管理两类核心功能为例，阐述该模型对纺机制造MES功能需求、硬件需求的指导作用。

2.1生产运行管理活动模型

纺机零部件种类多样且生产过程中加工信息复杂。即便是拥有相同工艺路线的产品，它们的加工人员、加工设备信息都有可能不同，这取决于具体一道工序的排班情况。此外，企业纺机销售的ERP计划与具体的车间班组排产之间存在着信息鸿沟。这些都表明生产数据管理和生产计划的分派执行是纺机制造MES的关键功能。具体到生产运行管理模型所包含的活动需求有：

a.生产资源定义管理。

该部分从企业已实施的PDM系统获得零部件生产物料清单，以支持MES的资源定义,并向第4层输出生产设备状态信息、生产人员信息。

MES功能需求：BOM数据导入、车间制造设备定义、车间生产人员定义。

b.生产数据管理。

通过RFID标签等传感设备获取人员及物料加工的信息，以获得车间生产线实时的作业状况。向计划层反馈阶段生产结果、周期性的生产绩效统计报表。

功能需求：传感器数据采集、生产绩效统计、生产数据分析、统计报表输出。

硬件需求：工人、产品ID读取设备(RFID设备、条形码设备)，加工信息录入设备(车间工作站)。

c.生产调度执行管理。

从ERP导入销售计划分解的零部件生产计划，完成生产计划的分派，通过精确至人、机器的工单制定完成生产计划执行。

功能需求：ERP计划导入、生产计划分解、生产工单下达。

硬件需求：车间工作看板。

2.2质量运行管理活动模型

纺机制造质量相关活动的核心在于质量信息收集以及相应的跟踪、分析。由于纺织机械结构复杂、组装后规模庞大且不易运输，只能采取零部件分箱运输，而后在客户处开箱组装的方式。其交付方式的特殊性，导致成品质量存在着一定的风险。零部件到达客户处后，由于加工质量控制不到位使得无法适配整台机器的情况时有发生。因此，做到零部件加工信息的可追溯、生产过程的有痕化，是纺织机械厂商们亟待解决的问题。对应到质量运行管理，该领域的活动需求包括：

a.质量资源定义管理。

从外部系统获得质量相关PDM/PLM数据，并向第4层输出质量相关资源设备的能力信息(可用质检人员、可用质检设备等)。

功能需求：PDM数据导入、质检人员定义、质检设备定义。

b.质量数据管理。

从质量检测设备获得质检原始数据，进行数据的统计、分析，向计划层反馈产品质量分析结果、周期性的质量信息统计报表。

功能需求：检测设备质量数据导入、产品质量数据分析、质量统计报表输出。

硬件需求：产品ID读取(RFID设备、条形码设备)、质量检测设备(三坐标测量仪等)。

c.质量调度执行管理。

从ERP系统获得对成品、中间件、原料的质量检测调度计划，完成调度计划的分派。

功能需求：质量检测计划的导入、质检计划的分解、质检计划的分派。

通过制造运行管理活动模型分析的方式将制造执行活动的生产、维护、质量、库存4部分分别建立模型，并对各个活动关键程度、可行性、成本效益情况等进行综合分析，可有效改善MES系统解决方案设计的质量，抓住生产活动关键点，避免了MES系统应用中对于关键功能的忽视，同时也保证了系统设计的标准化，为信息系统未来的推广升级提供了可操作性。

3 纺机制造企业MES方案设计

3.1系统主要功能模块

系统实施过程中，通过业务需求分析，熟悉工厂原有的业务流程，确定其中的问题和关键点，明确MES系统实施所要达到的管理目标。使用ANSI/ISA-95制造运行管理的活动模型，对生产、质量、库存、维护几方面活动与信息交互进行分解，提取出各个子活动的功能、信息需求，并转化为相应的MES软硬件功能。最后经过综合评估软件、硬件解决方案的成本、效益、功能的成熟度等，为企业提出相应MES解决方案，对应于ANSI/ISA-95层次体系，其系统结构如图3所示。

图3 系统结构示意图

系统着重于关键件生产过程中加工件、人员、订单等信息的管理，侧重于以下几方面功能的实现：

a.生产排产及ERP报工管理。系统承接企业SAP生产计划，获得SAP中机型销售订单逐级分解而成的零部件生产计划，并根据设备、人员生产能力生成班组生产计划，形成工作台作业工单。

b.加工件质量追溯及分析。系统使用RFID标签、二维码技术跟踪关键件生产路径，并通过唯一标识建立单个零部件、批次生产质量信息档案。在部件质量档案记录相应加工人员、批次、质量检验信息。一方面做到质量数据的事后可追溯性，另一方面为产品质量分析提供底层支持。

c.员工绩效信息管理。通过RFID物料标签、员工卡，将工人操作信息与物料编码相关联，从而使系统自动收集工人的加工信息及质量检验等数据，并周期性输出工人绩效统计信息。

d.车间生产监控。通过构建由传感器等数据采集装置形成的网络，对加工车间机器、人员的流动、运转情况进行管理，并为现场指挥调度及工厂运行管理提供数据支持。

3.2系统硬件架构

为满足制造车间管理执行的功能需求，系统硬件架构需考虑可用性、数据安全性和系统兼容性等多方面需求，以便实现工厂各生产线全面推广的价值，促进企业集成的信息化生产作业。系统的硬件架构如图4所示，依照制造执行管理数据流层级的划分，可将系统主要硬件需求分为3大类：

a.数据采集需求。包括工业用抗金属干扰RFID标签、固定及手持式标签读写设备、自动化检测设备等。该类硬件将生产现场人员、物料、设备的加工信息收集到系统内，为系统功能实现提供基础。

b.数据操作需求。主要有车间工作站、车间电子看板、工业以太网等。方便车间管理人员对车间人员设备调度、信息采集情况进行管理。

c.数据存储需求。用于数据存储的应用服务器。硬件需保证系统的高可靠性，部署方式采用集群技术实现一主一备双机切换模式。

图4 系统硬件架构示意图

4 结束语

如何为企业打造适应其业务流程又具有可扩展性、可推广性的MES，需要系统的方法辅助。本文通过研究ANSI/ISA-95企业信息集成标准，结合纺织机械制造的特点，使用与标准相兼容的建模分析方法确定MES选型中的功能关键点，并以此辅助MES解决方案的设计工作。最后通过纺织机械制造企业的MES实施案例，展示了方法的实际操作情境。企业信息系统的通用性和集成性是信息化发展的大趋势，符合国际国内标准的MES解决方案将成为主流，在此环境下使用标准兼容的模型分析和选型设计方法将具有更广阔的应用空间[7]。

[1] ANSI/ISA-95.00.01-2010 Enterprise-Control System Integration part 1: Models and Terminology[S].

[2] 王海丹, 孙洁香, 姜江, 等. 制造执行系统标准体系研究[J]. 制造业自动化, 2014, 36(1): 152-153.

[3] YC/T 388-2011 卷烟工业企业生产执行系统(MES)功能与实施规范[S].

[4] 刘诏书, 李刚炎. 制造执行系统(MES)标准的综述[J]. 自动化博览, 2006(3)：32-35.

[5] ANSI/ISA-95.00.03-2010 Enterprise-Control System Integration part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management[S].

[6] 苏宏业, 肖力墉, 苗宇, 等. 制造运行管理(MOM)研究与应用综述[J]. 制造业自动化, 2010(4)：8-13.

[7] 肖力墉. IEC/ISO 62264国际标准探析[J]. 中国标准化, 2012(12)：118-122.

TheModelingandApplicationofMESforTextileMachineryManufacturerBasedonANSI/ISA-95

LIAO Yizhuan1,XIAO Tianyuan1,HAN Dan2

( 1.Tsinghua University, Beijing, 100084, China)(2. Jingwei Textile Machinery Co., Ltd., Shaanxi Jinzhong, 030601, China)

It introduces current international standards of enterprise-control system integration of manufacturing execution system (MES) ANSI/ISA-95 and its application in industry. By using manufacturing operation management activity model analysis, it defines the critical function needs and hardware requirements of production processes, and assists MES solution design. It presents a MES case of textile machinery manufacturing and illustratese the ANSI/ISA-95 applications in industrial field.

Manufacturing Execution System; Manufacturing Operations Management; CIMS; ANSI/ISA-95

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.04.009

2014-03-17

廖一专(1988—)，男，湖南长沙人，清华大学硕士研究生，主要研究方向为企业信息化。

TH166

A

2095-509X(2014)04-0036-04