智能化生产管理技术MES系统设计方法

王振军，谢庆云，卢耀锦，王虎城，杨少武，杨志军，王世军

（西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司 稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏 石嘴山 753000）

近年来，智能制造已成为传统制造业创新升级的潮流，其中MES系统生产管理信息化技术已成为企业信息化管理转型升级的关键技术之一。它是是继生产装备自动化（PLC/DCS控制技术）和企业决策管理信息化（ERP）技术之后，新兴的一项生产管理领域的智能信息化技术。MES系统是将生产管理由粗放低效的传统人工管理方式改进为智能信息化方式，切实实现了企业生产的提质增效和节能降耗目标。

1 MES系统平台设计目标

实现设备关键生产环节的智能化控制，建立设备运行及维护在线信息平台，实现设备在线故障诊断预警，实现设备检修信息化，提高设备的生产能力和综合效率。

实现生产流程的数字化。建立原料、中间产品，最终产品的全过程质量检验识别信息平台，实现生产流程在线动态监测管理，实现产品全过程质量管理智能追溯。

实现生产管理信息化。建立工艺、质量、分析检测、能耗等生产管理的信息平台。

实现生产数据的集中管理与共享标准体系，构建生产统计分析数据平台，实现调度指挥信息化，实现生产管理在线运营。

2 MES系统在生产企业信息化系统的部署架构

整个生产企业的信息化系统划分为三层，过程控制层、生产执行层和企业管理层。MES作为生产执行层的核心系统，在整个企业信息集成系统中承上启下，是企业生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。

生产信息管理系统的部署架构如图1所示。

图1 生产信息管理系统的部署架构示意图

2.1 过程控制层

过程控制层是各生产线、生产装置及生产设备通过DCS、PLC等自控系统接入工业控制网络，计量仪表、在线检测仪通过采集网关接入工业控制网络。为了保证工业控制网络的安全性，使用工业隔离网关进行安全隔离。过程控制层一方面接受来自生产执行层下达的作业指令和操作指令；另一方面把生产线、装置、设备及智能仪表、在线检测仪产生的生产实时数据，通过DCS、PLC等自控系统及采集网关与实时数据库进行交互。

2.2 生产执行层

生产执行层是整个生产过程的管控中心，也是生产数据的处理中心。部署在工业控制网络上的实时数据库、报警服务器、MES服务器、关系数据库、视频服务器等，一方面负责生产实时数据的存储、加工与处理，另一方面对整个生产执行过程进行管控。生产调度相关部门可以通过SCADA工作站、工程师站、生产调度管理终端等监视、控制生产过程，并对异常情况进行及时处理。为了保证生产控制网络的安全性，使用工业防火墙与企业管理网进行安全隔离。生产执行层一方面接受来自企业管理层的订单任务，另一方面反馈订单的生产情况。生产执行层与企业管理层主要针对生产、原料、辅助材料、设备、质量、能耗等进行信息交互。

2.3 企业管理层

企业管理层是整个企业资源计划与协调的中心，部署关系数据库、Web服务器、ERP服务器、办公服务器等。对内进行生产资源计划管理、设备资产管理、原料库存管理、质量管理等；对外进行客户关系管理、供应链跟踪管理等。企业管理网通过防火墙接入因特网，通过手机、Pad等移动终端，实现方便、快捷的远程及移动办公。

3 MES系统功能架构

MES系统功能架构见图2。

图2 MES系统功能架构示意图

4 MES系统功能组件模块设计

4.1 实时数据数据采集与监控模块

将各中控室数据采集至调度中心集中监控;对生产线上关键设备，如感应炉、精密铸造炉、雾化制粉设备，卧式高真空热处理炉等设备联网通讯，将设备数据传送至工艺控制室；可实现在线设备监测或远程控制。将各设备的PLC、Scada和DCS系统统一采集至调度中心的ForceControl数据平台上。调度中心的集中监控平台实现集中的画面监控、报警管理、实时数据显示和历史数据存储。

4.2 能源管理模块

主要针对产品单耗指标以有其它能源管理基本功能模块。现有的待计量和管理的能耗测点主要为单点仪表，按照50台考虑。需要在车间部署足够数量的串口服务器，串口服务器通过RS232/485将能耗表计设备接入，并转换为以太网接口，接入现场的工业交换机（车间级工控网络已部署）通过光纤将数据传输至调度中心的服务器上。

现场能源表计→Moxa串口服务器→现场交换机→光纤→调度中心交换机→数据服务器。

4.3 设备管理模块

设备台账管理需人工录入，如设备厂家品牌、型号、采购年限、投运时间、数量、位置、责任班组以及设备易损件信息。

设备运行监控包括：停开机时间（可分日、月、年等）、停开机次数频率、设备负荷状况、设备故障记录、设备故障简单预警等。

设备检修及维保计划包括：设备故障检修或正常维护检修计划生成→下发检修计划→派工单走流程 检修班组执行检修→检修记录和结果回馈。

设备巡检点检由智能手持终端通过扫描完成，可生成巡检路线图。

4.4 质量管理模块

目前分析化验工作贯穿在整个生产流程的各个环节，质量管理的第一步必须先建设LIMS（实验室信息管理系统）。工作方式为各个车间根据工艺需要，人工取样、送样；实验室完成化验分析后，再由各个工艺车间来获取实验报告单。除了时效性较差外，整体流程管理稍显混乱。同时目前没有统一的LIMS数据平台，实验结果只是以纸质和电子文件两种方式保存。没有实现数据统一存储、数据共享、数据关联和数据分析功能。为实现实验数据对生产的优化，本项目建立一个完善的LIMS管理系统。

4.4.1 将现有的所有试验仪器设备统一管理

首先对已有资产进行编号。必须通过数据接口实现试验设备统一的数据库管理。可通过RS232/485和以太网接口实现仪器的数据采集。对于已经自带上位机的试验仪器，可以考虑通过访问其上位机的文件系统实现试验数据文件的采集和共享。这样所有的数据可以在一个统一的数据库平台上实现存储和分发。

4.4.2 对每一单实验室工作采用作业制（Jobs）

每一个作业工单须完整记录：本次作业工单编号，以及本编号对应的是xx车间xx性质的化验送检，由xx人负责送样；预计在yy时间内完成实验分析，结果返回；本次实验结果的审批分别由X→Y→Z两级（或者实际更多的）审批流程完成；实验结果返回给xx车间的aa人员。除了签字确认的纸面实验报告外，实验报告还应支持PC在线查询。同时所有数据还应完整地记录在数据库中，以便后期数据分析、比对和追查。

4.4.3 实验数据与生产过程控制数据实现联动

实验数据反馈给生产车间后，生产车间根据实验报告对生产过程控制参数进行了哪些调整（自动采集反馈或人工反馈）？调整后的生产过程运行参数又发生了哪些变化（自动采集）？这些数据与实验数据统一分析，关联后进行数据挖掘。通过配合打码与扫描方式完成质量管理模块，并从现有LIMS系统调取数据反馈给对应车间，与质量管理相关联，形成闭环。最后再返回去指导生产，实现质量管理的高级阶段。

5 MES系统选型

5.1 FInfoWorx平台

MES平台软件介绍在企业信息化系统结构中居于信息管理与生产调度层，针对具有MES特征及其它工厂信息化应用，配合使用其他产品，为MES及生产调度系统行业的整体信息化提供解决方案。

采用与FORCECON产品家族其它成员共同来提供智能制造整体方案，智能生产信息门户集成平台——FInfoWorx平台包含构架门户系统的基本管理功能，如用户管理、资源角色管理、数据角色管理、资源管理、组织机构、菜单管理、模块管理及元数据管理等。支持将第三方信息系统集成到平台中，从而形成完整的工厂智能解决方案。

FinforWorx平台完全是模块化设计，提供基础的工厂数据建模和各类丰富的分析组件，该平台可分为采集层、数据层、Web服务层、Web前端等，从而为企业智能制造的动态生产管理提供数据分析、诊断及展示。针对节能降耗领域的管控中心建设可提供横向和纵向能源分析、能源诊断、能源审计及能源设备诊断等管理功能。

FinforWorx平台是基于J2EE开发规范，面向SOA架构集成的一个基础的开发和运行平台，它负责提供应用系统开发过程中的所需的各项基础技术组件，并在应用系统的运行期提供安全、稳定的运行支持，为适配各行业定制化系统，提供一个通用的、统一的技术解决方案。

信息门户集成平台如图3所示。

图3 信息门户集成平台示意图

5.2 FInfoWorx平台产品架构

FInfoWorx为用户定制化系统提供了一个可视化的开发平台。提供了动态、灵活、快速的开发功能模块，包含动模型设计、流程设计、报表设计、页面组态设计、SSO单点登录等组件化管理模式。MES平台软件（FInfoWorx）内部架构如图4所示。

图4 MES平台软件（FInfoWorx）内部架构图

FInfoWorx信息化平台分为数据采集层、消息总线层、消息处理层、数据处理层、统一数据访问接口服务、应用支撑服务、系统服务、表现层服务。

数据采集层：采集驱动可以根据采集API实现对不同数据源的采集，目前平台已支持pspace6的采集功能。

消息总线（JMS消息总线）：平台采用强劲开源的ActiveMQ中间件作为消息总线，支持JMS1.1和J2EE1.4规范。

消息处理层：用于对消息总线上的消息进行数据转换，还原为原始数据结构的信息过程；平台支持接收端的API。

数据处理层：用于接收到订阅的数据后进行数据分类处理功能，可以对订阅的实时数据通过统一接口推送到前端，也可以进行数据永久性存储；同样客户端支持接收处理API，供开发个性化的数据处理功能。

统一数据访问接口：支持对结构化数据、实时数据、文件等数据进行访问；前端各个应用都可以通过数据访问统一接口对数据进行访问。

应用支撑层：支持上层各业务应用系统所依赖的各种环境，主要包括：安全控制引擎、组件引擎、报表引擎、工作流引擎及SSO单点认证系统等，为上层定制个性化业务系统而服务。

系统服务层：用于定制开发和集成的各种个性化的业务系统。

表现层：平台支持灵活的页面表现形式，可以对各个页面进行灵活的组合及发布，可以构建个性化的页面。

6 结语

MES是一个基于组件化的企业智能制造管理平台，也是企业构建两化融合解决方案的重要开发平台和工具。它可以为企业提供生产动态管理、实时决策调度、设备动态管理、生产预警、能源管理等生产应用，构建一个精准、高效、智能的Web企业生产调度指挥与在线运营管理系统，解决了传统人工生产方式管理粗放、低率、低下的瓶颈问题，实现了企业的提质增效和节能降耗目标。MES系统生产管理技术在智能制造领域具有广泛的推广应用价值。