Simes制造执行系统的应用

倪 敏，付高峰

（上海自动化仪表有限公司，上海 200072）

0 引言

现代工业的一个重要特点是向大型化和信息化发展，在现代的大工业生产中，人们对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求不断提高，追求着更大的经济效益和社会效益，因而对控制技术水平与性能的要求也越来越高。

目前，传统的工业生产和制造依旧采用比较传统的生产方式。因此，工业软件在工业生产中的重要性越来越高[1]。随着“工业4.0”的浪潮，制造执行系统被附加的功能要求越来越多，试图覆盖所有与生产过程相关的业务，再加上

行业差异性，给项目带来了巨大的实施风险。为解决以上问题，通用型制造执行系统以精准管理为目标，通过软件的优化和可组态，可广泛应用于汽车、装备制造、烟草、数字印刷、冶金、电子等行业，降低了构建系统的难度，在保证系统的可靠性、可扩展性和高效性的同时，有效缩短项目周期约40%～60%。

1 国内外发展现状

众所周知，MES 系统功能强大，通过MES 生产排产模块便可看出。MES 系统汇集了信息技术与先进的管理思想，反映了时代对企业合理调配资源，创造社会财富的要求，满足了国内制造业向智能化迈进的需求。MES 系统已经成为现代企业新的运行模式，在丰田、西门子等企业，MES系统已经相对成熟，极大地提高了企业的生产效率。

AGV 通讯调度在工业生产中运用已十分成熟，尤其是在大型的物流仓库中。国内MES 企业很多已经实现了系统与AGV 控制系统的通讯，实现了仓储的精细化管理，很好地配合了企业生产计划的完成。

计划排产管理模块，是MES 系统的核心模块。它能够实现生产计划管控，为各个生产单元提供高效、可执行生产作业计划。MES 计划排产通过采用各种各样信息技术和精密算法，提高制造企业生产机制的有效性、可执行性，从而提高生产作业执行与生产过程管理的可控性。MES 计划排产能针对不同的生产方式，比如按订单生产、按库存生产等，提供不同的计划排产模式。比如按订单生产方式，MES 生产排产可以根据订单需求，进行库存配单、计划配单和预测配单，未配单、预测确产。

物料管理是MES 系统的一个功能模块。物料管理系统能够对生产过程中的每个环节，从原辅料采购到成品入库、交货出库的整个过程中的物料运行状态进行及时统计、反馈，让物料流转透明清晰，更高效地规划库存管理。MES物料管理系统可以根据生产物料需求计划自动生成物料采购单，同时，MES 物料管理系统能够实现对物料采购情况的跟踪查询，管理者可实时了解采购的进度与情况。

整体来讲，国外对于MES 系统的研究和应用已经进入一个相对成熟和平稳的阶段，而国外学者和制造业组织结合企业的部署应用经验，已经提出了一套标准MES 的体系结构，现阶段处于不断完善标准内容和MES 功能细化的阶段。

2 设计思想及原理

MES 制造执行系统处于（ERP）计划层和（PCS）车间层操作控制之间，主要起着生产管理和协调调度的功能。它强调整个生产过程的优化，要求收集大量的实时数据，并及时处理及响应，双向沟通上下的计划层和控制层，接收和反馈处理结果和生产指令。因此，制造执行系统不同于传统的车间控制器，它是一种生产模式，以制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制物流、质量控制，设备控制和计算机集成制造连接，作为整合，最终实现智能制造战略目标。

浏览器/服务器模式结构（Browser/Server，B/S），是一种以Web 技术为基础的新型信息管理系统平台模式。它将传统C/S 结构中的服务器部分分解，形成1 个Web 服务器加1 个数据服务器，使得整个计算体系变为1 个三层结构：B/S 结构的顶层一般是通用浏览器，用户可以在网页上与中间层的Web 服务器交互；中间层是Web 服务器，能把用户的请求转换成数据库查询语句，然后再与第三层数据库服务器进行交互，最后把查询结果生成一串HTML 代码，通过网络返回至客户机上的浏览器[2]。

3 软件设计及结构方案

3.1 软件设计方案

1）软件开发环境

◇ 开发平台：Java EE

◇ 开发软件：Eclipse IDE for Java EE Developers

2）系统架构

采用的浏览器、服务器架构方案如下：

a）浏览器端

◇ JS 框架：JQuery

◇ 客户端验证：JQuery Validation

◇ 富文本在线编辑：summernote

◇ 在线文件管理：CKFinder

◇ 数据表格：bootstrapTable

◇ 弹出层：layer

◇ 树结构控件：jsTree

◇ 前端框架：bootstrap

b）服务器端

核心框架：Spring Boot

Spring Boot 帮助开发者快速搭建Spring 框架；帮助开发者快速启动1 个Web 容器；继承了原有Spring 框架的优秀基因；简化了使用Spring 的过程；Spring Boot 带来了脚本语言开发的效率。

◇ 安全框架：Apache Shiro

◇ 模板引擎：Thymeleaf

◇ 持久层框架：MyBatis

◇ 缓存框架：Ehcache、Redis

◇ 日志管理：SLF4J

c）平台

◇ 数据库：MySql

◇ 开发环境：Java、Eclipse Java EE、Maven

3.2 结构设计方案

通用型MES 系统要想实现通用的目的，核心在于灵活的架构。在前期的实践中，实现了基于SSH 框架的B/S 和C/S 混合架构，它虽然具有很高的扩展性，但是针对性较强，无法适应高度可配置的环境[3]。所以需要在SSH 的基础上，增加1 个能支持高度可配置的模块。总体架构如图1 所示。

开发语言：系统采用Java 语言开发，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

分层设计：数据库层、数据访问层、业务逻辑层、展示层，层次清楚，低耦合，各层必须通过接口才能接入并进行参数校验（如：在展示层不可直接操作数据库），保证数据操作的安全。

图1 软件架构图Fig.1 Software architecture diagram

图2 新增排产计划流程图Fig.2 The flow chart of the new production scheduling plan

双重验证：用户表单提交双验证，包括服务器端验证及客户端验证，防止用户通过浏览器恶意修改（如不可写文本域，隐藏变量篡改，上传非法文件等），跳过客户端验证操作数据库。

安全编码：用户表单提交所有数据，在服务器端都进行安全编码，防止用户提交非法脚本及SQL 注入获取敏感数据等，确保数据安全。

密码加密：登录用户密码进行SHA1 散列加密，此加密方法是不可逆的，保证密文泄露后的安全问题。

强制访问：系统对所有管理端链接都进行用户身份权限验证，防止用户直接填写url 进行访问。

针对中小企业可能无需引入庞大的ERP 系统，但也需要进行生产执行系统来进行精益化生产的需求，引入了计划管理模块、采购管理模块和仓库管理模块。

3.3 计划管理模块

对于预排产和订单内容进行排产，该模块可以依据预排产或订单中的产品或者半成品，根据BOM 信息和库存信息，自动计算出物料需求数量，并能设置物料的渠道，使自制、外协和外购，分别产生对应的计划。如果是自制的物料，那么会自动产生工单；如果是外协、外购的计划会产生采购需求。因此，可以根据生产需求灵活地安排生产计划。该模块主要包括：新增排产计划、排产计划查询、排产计划修改。

计划选择排产的产品或部件，选择排产类型（预排产或销售排产）和数量添加到排产计划中，系统具有自动计算其子部件数量功能，同时还可以根据需要对各个子部件设定相应的计划（外采、外协、自制、出库）并产生对应的领料单。此种方式不仅可以提交生产过程的效率，而且可以通过排产计划实时监控物料数量，协调生产与仓库之间的关系。新增排产计划的具体流程如图2 所示。

排产计划除了新增计划之外还有计划的查询和修改。总之，该模块满足不同计划类型的生产需求，也减少重复的流程，节约了人力成本以及不必要的失误，为整个生产流程提供了良好的开始。

3.4 采购管理模块

此模块依据排产计划产生的物料采购单，实时监控采购进度，开展采购工作，与库存数量进行实时校对，打通采购与库存的信息渠道。此外，还可以通过产品的生产工艺、工序以及公司现有的生产条件完成对采购以及外协的分类。这样，就可以让公司的生产以及采购更加规范，并且还可以根据实际条件进行修改以满足不同的采购需求。

该模块可查看当前的采购需求、外协需求以及工艺性外协，其中采购外协需求由计划排产的采购外协需求汇总得到。操作者可以根据勾选不同的需求，汇总生成采购外协内容并填写相关采购外协信息，如采购时间、采购单据号、采购人、供应商等，生成采购单、外协。此外，还可以查询所有采购单、外协加工单的完成情况。以上两个功能通过人机交互界面显示出来对采购和外协情况进行实时监控，采购单完成详情如图3 所示。

3.5 仓库管理模块

此模块的子功能包括：库存信息查看、出入库管理、出入库记录查询，其中排产模块中预定的库存提前预定。

在该模块的子模块中有采购外协入库、生产入库、工序外协出库、生产领料以及任意领料，每个功能是根据产品生产过程中所需的工序和工厂的生产条件进行采购外协、工序外协，然后，根据完成情况进行入库；生产领料根据生产需要（工单）领取仓库中的原材料、半成品进行生产；任意领料是根据生产过程中的需要进行领料，可根据领料人部门、领料人或者领料单号生成领料单。此外，通过库存信息查看和出入库记录查询功能，利用软件数据库对实际的仓库的库存进行监控，为生产和采购提供依据。

图3 采购单查询界面Fig.3 Purchase order query interface

图4 AGV小车工作流程图Fig.4 AGV Car work flow chart

4 AGV通讯调度模块

AGV 通讯调度在工业生产中的运用已经十分成熟，尤其是在大型的物流仓库中。国内MES 企业很多已经实现了系统与AGV 控制系统的通讯，实现了仓储的精细化管理，很好地配合了企业生产计划的完成。

4.1 AGV实现原理

AGV 通讯模块基于TCP 协议的Socket 网络编程，实现与AGV 小车控制系统进行通讯。AGV 小车通过通信系统从MES 系统接受指令并报告自己的状态，而MES 系统则向AGV 下达任务，同时收集AGV 发回的信息以监视AGV的工作状况。通过AGV+MES 在智能工厂生产的应用，原料库和运输部门可随时了解生产上用料情况；通过AGV 实现自动化高效及时的补料，避免了缺料情况发生；AGV 向MES 回馈搬运作业任务情况及结果。

4.2 AGV工作实现

MES 系统获取生产计划中的工单，然后经过处理分析，根据不同产品生产要求，选择对应的生产工艺，产生对应的物料需求。MES 系统对物料进行全程管理，物料从入库时就进行标示。对物料的入库、库存、领料、发料全程进行灵活管控，避免物料收发错误，记录物料的收发人、时间、物料名、数量等内容，并在后续生产流通环节控制它们的流转。MES 系统基于TCP 协议的Socket 网络编程实现与AGV 小车控制系统进行通讯。AGV 小车通过通信系统从MES 系统接受指令并报告自己的状态，而MES 系统则向AGV 下达任务，同时收集AGV 发回的信息以监视AGV的工作状况。通过AGV+MES 在智能工厂生产的应用，原料库和运输部门可随时了解生产上用料情况；通过AGV 实现自动化高效及时的补料，避免了缺料情况发生；AGV 向MES 回馈搬运作业任务情况及结果。AGV+MES 在智能工厂中的应用提高了制造业生产自动化水平及生产效率，减少了人为的干扰。AGV 系统的指令均由MES 发出，AGV系统根据指令自动化完成物料运输工作，整个过程中无需人工的参与。因此，有效避免了人工操作引起的失误，极大地减轻工人的工作量，大大提高工作效率，从而提高生产的柔性和企业的竞争力。AGV 小车工作流程图如图4所示。

5 结论

SIMES 制造执行系统是用来辅助生产管理人员收集现场制造信息及控制现场制造流程的应用软件。针对整个生产过程进行优化，收集生产车间的实时信息，并且能及时处理实时事件，系统与计划层和控制层保持双向通信能力，从顶层与底层接收相应数据以后反馈生产指令和处理生产问题。SIMES 系统能够有效联动企业上层数字化管理系统和底层操作控制单元，有效缩短制造周期，减少准备期，改善产品质量。

本文中的项目是直接结合自动化仪表企业实际生产进行的应用开发，并且已经在公司的实际生产中成功运行。该系统满足了自动化生产的需要，提交了生产效率以及实现了对生产过程的监控等。同时，该系统还可以用于传统工业的生产制造，为企业实时信息化工程服务，使企业具有显著的竞争优势。