离散制造车间MES系统的架构研究

苗润泽，杨国太

（ 安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

0．引言

当前，我国还处在制造业信息化的初期阶段，由于受环境所限，企业设备生产的自动化与管理业务的信息化一般被视作两个相互独立的领域而分开进行。由不同的部门，基于不同的思想，产生了一系列功能单一的信息系统，造成了信息故障和信息孤岛等信息阻断问题。[1]

MES系统是制造业生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，计划与生产之间承上启下的“信息枢纽”。MES系统采集从接收订单到产出成品全过程的各项数据和状态信息，用于优化管理活动[2]。MES系统通过提高设备投资回报率、提高准时交货率、库存周转率、毛利和现金流绩效等手段，解决了信息中断的问题。

1．体系结构

MES系统从接受订单到产品出厂的整个过程中，扮演着全程参与的“信息传递者”的角色，它必然要拥有管理调节车间生产活动的各项功能，同时也密切联系其它的信息系统并为其提供服务，这就决定了MES体系结构就必须满足以下几个条件：

（1）MES系统必须是分布式计算机系统[3]；

（2）MES系统可以同工厂、企业的其它信息系统互联，共同提供高效的信息管理与计划功能；

（3）MES系统以生产实时信息为核心，为企业各项决策提供直观信息。

如图1所示：MES系统的体系结构应是一个软、硬件平台相统一的实时信息管理系统，以计算机终端作为载体实现各部门所需的系统功能，车间主要生产区的功能节点主要采用工业PC/PLC等相关设备[4]。通过收集和反馈每个单元的数据，覆盖所有车间的开放式以太网系统，以满足闭环生产和管理的需要。

在MES各个功能模块间横向联系中，以WEB和MES服务器为核心，对数据进行分析、比较和存储，提供图形、报表和数据，在MES平台下对实时信息进行监控。在与其它企业信息系统的纵向联系中，通过LAN、Internet或VPN等媒介进行信息的传输和联络[5]，为上层规划管理系统提供实时的车间现场信息，使整个信息系统处于动态的过程。

因此，一个设计优良的MES系统需要将整个企业揉合成一个紧密的整体，做到自上而下信息实时共享，使业务流程变得高效、有序。

2．软件功能设计

成功的车间MES系统，在生产管理上按“料、法、机”的思路去安排功能。[6]所谓“料”，即：生产计划、生产流程、物料跟踪、过程管理、生产统计与分析。“法”是指质量检验数据的收集，过程分析，SPC(统计过程控制）。所谓“机”，即指远程机器监控、机器信息管理、机器故障原因分析、机器任务管理和机器数据统计。

在系统功能设计时，始终将实时数据作为主线，将整个MES系统与其他信息系统紧密联系，同时将其分成若干个功能模块，如图2所示。

2．1．自动生产调度排产

系统可以自动接收订单、按照加工工序处理待加工零件的相应排产计划，对已经延误或有可能延误的生产任务进行提醒；人工制定并锁定加工流程和计划，可以根据计划模式设定约束条件，对工单进行生产排序，并允许变更部分订单，可以管理插单，加急订单等操作；完成调度排产后，可自动生成图表，提供查看所有零件的加工工序步骤在机器上的时间作业分布，也可查看机器上所有加工工序步骤的时间计划分布。

图1 MES系统结构体系Fig.1 MES system architecture

2．2．工艺管理

提供插入典型工艺模板和复制类似零件的工艺，快速拟定工件的加工工艺功能；拥有预测零件加工工时的分析功能；它具有强大的虚拟加工部件(拆装)功能，即CAPP功能，具有过程条码和零件条形码标准格式的打印处理卡和工艺数据库管理功能。

2．3．外协管理

可查询自动调度排产后可能延误的任务清单，拟定外协订单、询价单，及时对外协送出、送回的信息进行跟踪、监控。能实时统计外协单位的延误率、合格率及延误成本损失等，以便对业绩进行全程及时管理。

图2 MES的组成以及与其他系统的关系Fig.2 MES composition and the relationship with other systems

2．4．生产监控

车间生产管理监控系统采用C/S+B/S体系结构，采用手持PAD、手持 RF设备等进行数据的采集，使用系统服务器完成本系统应用程序的管理、维护和运行，从而极大增强系统的集成性和可维护性。车间内设立两块电子显示板，用于显示整个车间的生产状态和生产计划。系统结构如图3所示。

图3 生产监控系统Fig.3 Production monitoring system

2．5．车间库存管理

制造业车间的库存管理一般包括原材料、半成品、成品、刀具、夹具和工装等[7]。MES可通过条码化管理完成业务流程的操作，既方便又准确。车间各部门接到生产任务的同时，刀具/夹具/工装库房可通过生产计划自动处理生成刀具/夹具/工装等各项生产准备计划，用于指引生产准备及任务执行，可极大缩短等待时间。具备强大的库存检索能力，支持随时查询历史出入库的记录及当前的库存情况。条码化管理主要是在料箱、料架上粘贴条码，料箱放到料架上时进行料箱与料架的对应。领用时直接扫描料箱条码。这样可以实时掌握车间库存与存放位置情况。

2．6．车间现场数据采集

现场数据采集主要是通过物联网智能终端与车间关键资源（物料、设备、人员）进行高度集成，以多种通迅方式（无线传输ZIGBEE、WIF或有线TCP）构建公司内部的联网共享平台：

（1）直接从加工设备上采集实际工艺参数、生产节拍，防止数据的失真，减少由人工统计的误差和延迟导致的决策延误；

（2）细的现场数字化信息（时间、设备、人员、批次等）为生产的实时监控提供了最基础的数据来源；

（3）对于设备停机状态和管理应答等有不确定性的数据，使用采集器上的键盘进行输入，弥补了自动数据采集的不足；

（4）实现所有加工设备的联网和生产全流程控制；

（5）不改变现有生产布局、装备水平和管理能力的情况下，实现精益和敏捷生产；

（6）减少人工派工、人工输入、减少纸张的使用；

（7）在智能终端上直接上报机器的运转情况是设备负载，设备空载或设备故障，并可通过后台软件把设备的运转状态，用短信方式发送至相关责任人手机，引导生产管理者和生产支持职能部门了解设备,对生产异常做出快速处理。

（8）准确的和实时的采集到车间生产现场数据,使管理人员能快速了解车间的实时情况，现场的操作人员也能通过智能终端发出实时请求让管理人员进行技术支持；

（9）可以显示车间工艺操作指南说明书，工艺图纸，也可配合音频，视频播放，通过电子化管理、让操作员工可以实时了解工艺，对按照工艺说明，准确快速的完成生产；

（10）对设备故障维修做处快速反应，实时的反馈到后台，详细记录，清楚了解车间生产设备的情况，还可以通过加工程序管理将加工程序、车间设备、生产工单进行绑定，使车间加工程序管理透明化。

3．关键技术

3．1．物料工艺状态跟踪技术

现代企业的生产过程中，企业需要实时监控产品在什么时间段内处于什么位置及处于什么样的生产状态，这要求企业对于物料进行有效的监控，对于物料的活动情况和活动范围进行及时精确的跟踪。生产跟踪流程如图4所示。

对物料采取实时有效的跟踪，可以使企业的质量管理更加高效细致，作业流程更加规范，成本核算和库存管理更加准确，生产计划更加详细，更能满足实际需要[8]。图4中RFID技术，又称射频识别技术，是一种通信技术。它可以通过无线电信号识别出特定的目标，读取和记录相关的数据，并且不需要识别系统来建立与特定目标的机械或光接触[9]。通过产品跟踪功能的使用，系统可以随时监测工件的位置和状态，收集和记录产品或部件的处理，数据处理的结果，每一个部件或产品的可追溯性记录。必要时，将问题的根源及处理结果告知客户。鉴于物料的工艺状态在MES系统中的重要作用，本文将物料工艺状态的跟踪技术作为MES系统的一个关键技术。

图4 生产跟踪流程图Fig 4 Productiontrackingflowchart

3．2．车间生产调度技术

离散制造企业生产环节多，协同作业复杂，生产过程控制困难，变化快。局部故障或某种措施不及时实施，往往影响整个生产系统的运行。因此，必须紧抓生产调度任务，及时了解和更正生产计划，分析和提取影响生产作业的各种因素，并根据不同的情况采取相应的对策，缩小差距，恢复作业正常[10]。生产调度是组织、实施生产计划的工作，是以生产计划为根本，通过控制作业调度实现生产计划，其必要性是由离散制造业生产活动的基本性质决定的。

实际中车间的业务流程比较复杂，加工环境相关的各类因素时常发生变化，不确定事件经常发生等等，也让车间的生产调度等问题更加复杂化。因此，本文认为对于车间生产调度技术的研究也是MES系统的一个关键技术。车间的业务流程如图5所示。

3．3．基于BOM的信息集成技术

物料清单(BOM)是工业产品结构的技术描述性文件，它不仅是产品产出的所有项目元素的列表，而且还表明这些项目元素之间的结构关系，从原材料到零部件，直到产品的最终形态，以及它们之间的关系。BOM是制造企业的核心文件，应用于各个部门和系统。从BOM中获取特定的数据，通过研究数据中的一致性转换实现MES系统与其它企业应用系统的集成是MES系统的另一个关键技术。

图5 车间MES系统业务流程图Fig.5 Workshop MES system business flow chart

4．结论

MES系统是面向于生产车间这一制造业基础环节的信息管理系统，是现代企业信息化的重要构成部分，是制造业改善车间管理结构、增强市场竞争力的必然选择[11]。本文对MES系统架构的关键技术进行了深入的研究，在此基础上，分析了车间管理的体系结构、工作原理和数据交互模式。随着工业4.0及中国制造2025规划的深入推进，MES系统也将得到更好的发展与完善。

参考文献：

[1]魏光辉．面向中小型离散企业的物料管理与跟踪[D]．沈阳：东北大学，2010：17-21．

[2]吴金香．MES系统运行存在的问题及改进[J]．安徽化工，2015（1）：76-80．

[3]吴定会，许世鹏，刘稳．模具车间MES系统的研究与应用[J]．制造业自动化，2017，39（5）：8-12．

[4]王宏先．MES在卷烟工业企业的应用研究[D]．昆明：昆明理工大学，2007：4-6．

[5]邹海锋．面向多品种小批量生产的MES中作业计划的研究[D]．广州：广东工业大学，2005：23-28．

[6]彭瑜．关于MES应用工程开发的几点看法和建议[J]．自动化仪表，2007，28（z1）：15-20．

[7]贾杰．打造以MES系统为核心的智慧工厂[J]．化工管理，2016（15）：23-23．

[8]戚宝运，许自力，毛勤俭．数字化车间MES系统构建[J]．指挥信息系统与技术，2013，4（1）：25-29．

[9]浦恩来，符家玮，唐亚伟，等．基于RFID的电力物资生产监控系统[J]．中国新技术新产品，2015（22）：19-19．

[10]董鹏，于昌利，董银红，等．制造业生产调度体系探讨[J]．机电一体化，2012，18（1）：13-20．

[11]高立荣．基于MES系统的生产车间信息化管理[J]．现代工业经济和信息化，2016，6（3）：90-91．