基于制造执行系统的纺纱企业智能化转型探讨

葛陈鹏 季 承 糜 娜 潘如如 高卫东

（1.江苏格罗瑞节能科技有限公司，江苏无锡，214101；2.无锡一棉纺织集团有限公司，江苏无锡，214000；3.江南大学，江苏无锡，214122）

当前国际市场的贸易竞争越发激烈，“小批量，多品种，快交货”的商业模式逐渐成为主流。而当前我国传统的纺纱企业采用的运行管理模式仍较为落后，企业内部信息主要通过人工传递，导致企业指令流转效率与任务响应速度低下，同时产生较高的人工运维成本，这使得传统纺纱企业无法很好地适应这种市场环境。利用计算机、通信和网络为核心的现代信息技术进行有效整合，提高企业运行和资源利用，特别是信息资源深入广泛利用的效率，进而提高企业的核心竞争力，是企业面对竞争和挑战的必然选择［1］。

随着用工成本的快速增长，对于劳动密集型的纺纱行业而言，实现生产的自动化、智能化迫在眉睫［2］。利用现代工业互联网、传感网、大数据、人工智能等关键技术，提升纺织企业信息化与智能化水平，稳定纺纱质量、提高生产效率、降低用工成本、优化企业管理格局、实现智能化转型，已成为我国传统纺纱企业面临的巨大挑战。《纺织行业“十四五”发展纲要》亦将大力发展纺织智能制造，持续优化生产效率与生产模式，保障产业稳定、安全发展作为纺织行业在“十四五”时期推动高质量发展的重点方向之一。

制造执行系统（MES）是现代集成制造系统中制造管理自动化领域的一项重要技术，它是定位于企业上层ERP 与底层设备自动控制系统之间、面向车间作业层的管理系统［3‐4］，是现代智能化工厂不可或缺的组成，MES 负责从生产现场收集生产数据，集中管理、传递、存储生产数据，统筹维护生产数据库，实现生产现场的实时监控、实时反馈、管理优化、敏捷响应等。

纵观当前成果，已有相当一部分大型纺纱企业开展了数字化转型。如江苏大生集团有限公司［5］、武汉裕大华纺织服装集团有限公司［6］、新疆溢达纺织有限公司［7］等，基于自身在数字化转型过程中的经验，对多数字化系统的独立构建与集成开展研究。目前纺纱企业常配备不同品牌的设备，具有独特的管理方式，这都对MES 的通用化设计提出了更高的要求。因此，围绕江苏格罗瑞节能科技有限公司在多家纺纱企业的实践，提出一种通用的纺纱MES 构建方案，同时围绕MES对于纺纱智能化转型的发展趋势进行探讨。

1 纺纱企业MES 架构

江苏格罗瑞节能科技有限公司凭借着自身在纺纱行业内的多年生产运营管理经验的积累，自主研发了一套适合纺纱行业通用的MES 平台。该平台将工业物联网、工业互联网技术引进纺纱车间，辅助企业实现生产模式的创新，实现增产增效、降本增效、减人增效、提质增效。

基于对多家纺纱企业的生产模式与应用需求的深入调研，江苏格罗瑞节能科技有限公司为纺纱企业制定了一套通用的MES 架构模型，如图1所示。

图1 纺纱企业MES 架构模型

该模型从基础服务、业务逻辑、终端应用3 个层级，对纺纱企业MES 进行了层次化建模。其中，基础服务层的主要对象包括系统运转所需的软硬件基础需求，包括数据库管理方法、消息处理技术、数据缓存模式、生产数据获取策略等；业务逻辑层主要面对MES 涉及企业生产数据的存储、调用、分析等维护与管理需求，包括产量管理、设备管理、工艺管理、质量管理、人员管理、能耗管理等；终端应用层主要应对MES 的频繁交互需求，从生产现场与远程管理两大应用群体出发，对相应配套软件功能模块进行建模。

2 纺纱企业MES 的工作流程

基于上述模型构建的MES，能够有效对接具有不同生产结构与管理需求的纺纱企业，实现个性化功能的定制化、模块化开发。通过系统化设计，结合纺纱企业的生产现场管理模式，MES 能够辅助建立流程化、标准化的生产管控体系，确保生产过程中的各项管理数据透明化，实时追溯生产订单，从而辅助实现精细化管理。

目前，我国纺纱企业大部分采用的都是基于订单的生产模式。从一个订单的生命周期看，纺纱企业MES 能够监控订单生命周期中的每一个环节，包括订单生成、工艺单制定、制造BOM、生产排产、工艺翻改、质量检测、车间开台、生产了机、生产报工等流程。其中，由计划员、工艺员、前后纺车间主任、机修工、质检员、运转班等用户参与操作，对当前生产数据进行登记、录入、纠正、查询。实现对人员与机台生产数据的实时监控与管理，以及对订单生命周期的跟踪与预测，同时保证前后流程之间信息交互的实时畅通。

3 纺纱企业MES 的功能与应用

3.1 人员管理

将生产现场的排班管理、人员岗位调整、人员机台分配进行数字化管理，为生产计件核算提供精准的人机匹配数据。

3.2 机台管理

包括主机设备和辅机设备，针对主机设备实现生产工序全流程数据采集监控，及时获取主机设备面板上的运转工艺数据、设备工艺数据和产量效率数据；针对辅机设备实现实时数据的采集监控。

3.3 物料管理

实现成品、下脚料、包装料、机配件、原料以及其他耗材等物料数量的耗用和产出的统计与分析。

3.4 工艺及配棉管理

包括工艺项目分类、品种工序级生产工艺版本、品种配棉版本等信息，为生产现场管理建立完善的工艺库知识体系。

3.5 环境管理

包括生产现场各区域的空调温湿度以及风压压力数据采集等信息，对比生产质检过程中所存在的现象，可以为生产进行多维度质量排除式分析提供有效实时数据。

3.6 效率管理

综合生产设备效率与生产运转效率，监控并维护生产的综合效率。生产设备效率主要以时间作为衡量标准，生产运转效率主要以产量作为衡量标准；从产量和时间两个维度进行分析，产量包括各工序生产品种的理论产量和实际产量，结合生产现场设备自身的属性（锭数）进行分析空锭数量；时间包括运转有效时间、维修保养时间、设备停机时间等。

3.7 质量管理

质量检验主要包括在线检验和离线检验。在线检验主要包括纺纱品种的重量检验和主机设备自身的检验指标，例如：络筒电清检验数据、并条自调匀整数据等；离线检验主要包括纺纱的重量检验、条干检验、强力检验、捻度检验以及USTER 的成纱检验指标；通过各项检验指标结合生产运转的品种和对应的机台以及时间刻度，追踪质量异常反馈。

3.8 成本管理

生产现场的成本管理主要关注工费成本的管理。从人工成本角度，可以结合工厂自身的绩效管理特点，计算台时工资，根据人员的考勤工时，例如常规工时、加班工时、加点工时以及假日工时等进行人工成本的归集和分配；从制造费用角度，可以重点关注机配件的消耗成本，结合单锭消耗指标进行量化分析，同时可以将包装成本以及物流成本以BOM 管理方式折算为吨纱包装成本；此外，涉及设备折旧、机台能耗等公共设备成本分摊，也可以根据品种实际生产能力的大小进行合理分摊。

3.9 用户终端

纺纱企业MES 提供面向企业管理者、企业操作者等两大用户群体的配套终端软件，能够实现如下功能。一是利用移动终端技术，将人员产能和设备自动挂钩，实现柔性派工、产量自动统计；二是生产订单及批次的实时下达，精准掌握和统计各订单生产批次的生产进度；三是贯通工艺、计划、设备循环改善执行体系，养成设备点检、揩车预防作业标准；四是通过生产工序行驶看板，统计各班效率、人员产量排名等，提高生产积极性；五是对现有的数据深度挖掘利用，做到流程和部门间的数据利用，如吨纱用工、吨纱用电、吨纱机配件消耗等。

3.10 看板系统

通过集成数据采集系统和数据分析系统，基于图形仿真技术，采用工程组态模板，研制了可以实时显示设备运行状态的看板。看板能够将生产现场的设备状况、生产情况第一时间传达给相应的管理者，同时实时在车间现场展示机台的运行情况。此外，看板能够用于细纱工序运行质态的监测，横向对比不同机台、不同品种、不同班组的运行状态，以此促进对生产状况的总结和分析，进一步提高生产效率以及操作工的工作积极性。

4 技术创新点

4.1 机台型号普适性

纺纱企业涉及机台品类众多，为了能够实现不同品类机台与不同类型信号的采集与汇总，基于Linux 及Windows 操作系统，搭建了数据采集跨平台的软件和硬件系统。继而围绕PLC 终端设 备，采 用 工 业 以太 网、WIFI、3G/4G、CAN、RS232/485/422 等技术，设计并构建了数据采集支持的协议和数据类型。此外，开发了独创的W‐Script 脚本语言，实现了深度系统开发与简单易用的结合，支持控制领域常用的Modbus 通信协议，并能与SCADA 系统等第三方系统快速集成。采用该技术方案，已解决了国内纺纱主机设备和大部分国外纺纱主机设备的数据获取问题。

4.2 管理模式适应性

为了匹配不同企业的个性化管理模式，适应不同的管理需求，在数据应用层，构建了可模块化拆解的MVP 架构。其中M 层为业务逻辑层，主要用于加载现有的用户数据以及订单、余额等数据。V 层为视图层，主要用于控制显示数据的方式。而P 层为中间者，主要用于绑定M 层及V层，以有效降低M 层与V 层之间的耦合度，方便应用的扩展。

通过脱离用户接口来测试逻辑单元，在做单元测试时使用MVP 对Presenter 进行测试，通过编写Mock Object，即通过实现Model 和View 的接口测试以实现Presenter 逻辑。系统软件采用前后端分离的开发技术，使前后端能够实现独立的开发，根据企业需求便捷地实现不同的功能；同时在应用上采用多层缓存设计，有效保障对大数据访问的灵活性。采用该技术方案能够快速实现的功能案例如下。

第一，班次产量对比。对班组人员绩效进行对比管理，围绕实际产量和标准工艺产量进行分析，同时分析每个班组的吨纱能耗运行管理状态，显示的内容为当前生产班组和最近上一个班组的生产运行状态对比。

第二，品种结构分析。从品种结构角度分析每个品种的吨纱耗电情况和产量情况，同时可以从品种结构角度分析实际产量与标准工艺产量之间的盈亏关系。

第三，生产运行质态。反应车间的生产运行状态和相关生产运转的KPI 管理指标，包括开台品种、停机设备、运行设备、当日产量、当日能耗等信息。

第四，机台实时监测。反映车间当前生产设备的产量趋势、能耗趋势以及每个机台的瞬时产量、瞬时车速、瞬时能耗等关键生产指标趋势。可以用来对比同种纱号不同机台的生产能力和吨纱耗电对比，提高机台间的看台运转效率。

4.3 信息反馈敏捷性

为实现生产数据的敏捷反馈，针对生产车间管理业务数据，采用大型关系数据库SQL SERV‐ER 或Mysql 和分布式数据方案，构建了分库规则和路由规则。引入集群的概念，保证数据的分布调用效率；引入负载均衡策略，避免因不均衡的数据访问导致的信息传递时延；引入集群节点可用性探测机制，对单点机器的可用性进行定时的侦测，以保证LB 策略的正确实施，以确保系统的高度稳定性；引入读/写分离，提高数据的查询速度。

4.4 数据安全稳定性

在系统设计上，强化权限管理功能，具有多级安全机制；系统采用大型关系数据库，有严格的口令验证机制，可辅助制度上的约束以确保数据不会被非法用户所获取。此外系统与外部被访问设备之间的通信采用只读方式，写授权被禁止，防止生产数据的非法篡改。

采用大数据云端管理技术，将海量生产数据备份在云端，保障信息安全稳定。使用分布式数据采集和存储技术，采集和存储功能可以被分散在各通信与数据采集单元中；数据存储于多个独立数据库，利用数据存储冗余保障数据安全性。

4.5 信息互联畅通性

纺纱企业MES 利用传感器、通信、总线、数据库、物联网等技术，将纺纱企业单机设备的运转数据、产量数据、质量数据（如异纤分拣机、电子清纱器等）、设备的用电数据、人员、环境温湿度、空压、除尘系统、电力供应、ERP 数据等相互独立的信息流集成在一个平台上，消除生产过程的黑箱运行，实现纺织工厂的敏捷化、透明化、数字化生产和现代化管理；并且建设企业大数据平台，加强系统融合，解决信息孤岛多的问题，从而提高企业的信息化水平和作业效率。

5 纺纱企业MES 的实施成效

该系统已在远纺工业（无锡）有限公司、天虹纺织集团有限公司等企业得到了应用，有效改善了传统的管理模式，提高了企业运行效率，得到了用户的广泛认可。围绕MES 构建的智能化车间，有效辅助企业改善了成本、用工、效率、质量以及能耗管理等多方面的运营水平。以远纺工业（无锡）有限公司为例，实施成效如下。

（1）生产运营成本。纺纱企业MES 能够监控企业每一个生产环节的成本与效益，辅助管理者优化运营方案，使得总生产运营成本降低22.48%。

（2）车间用工。纺纱企业MES 能够提高不同环节之间的信息流通，提升响应速度，使得以往需要人工落实的工作得以自动化。智能纺纱车间建成后，车间用工降低率达4.13%，且人员作业积极性得到了广泛的提高。

（3）生产效率。纺纱企业MES 将生产过程的每一个环节、设备变成数据终端，并进行更深层面的数据分析与挖掘，从而提高效率、优化运营。该系统有效提高了物料和库存流转的效率，减少了待机等待时间，综合生产效率提升达15.53%。

（4）产品质量。在纺纱企业MES 中，每个订单的每一个生产阶段都得到了有效监控，产品不良率大大降低。该系统应用后，全年不良品量降低达58.00%。

（5）能源利用。纺纱企业MES 通过智能设备，实现对厂区各设备的运转状态及耗能状况实时监视，并具备实时警报功能，掌握异常能源使用情况。以纺纱车间为例，其电能利用率在应用该系统后提高率达到12.00%。

6 纺纱企业MES 的智能化发展趋势

未来的纺纱企业必定是淘汰、改造落后的产能和技术，减少人工参与，以实现自动化、智能化生产为趋势。当前广泛应用的纺纱企业MES 普遍仍处在数字化与信息化转型阶段，其中代替人工劳动的功能模块仍普遍处在生产数据的实时感知、获取、存储与调用层面，尚未发展出可靠的智能化决策功能。

此外，MES 的定位在于企业上层ERP 与底层设备自动控制系统之间，其理想化的作用环境是建立在实现全面的底层自动化生产之上的。当前，纺纱企业所面临的问题在于底层生产实践无法实现完全的自动化，仍然大量依赖于人工作业。随着人工智能、机器人、大数据、工业物联网等技术的不断发展，纺纱企业的底层作业将逐渐由人工依赖模式向自动化生产模式转变。由此，纺纱企业MES 的应用价值将得到更进一步的推广。

智能化人员管理与规划：分析生产现场不同人员的特长与能力，根据人员自身的工作安排情况，作出使企业生产状况最优化的人员安排。智能化机物料运维：围绕企业生产历史数据作出个性化智能评测，实现包括智能排产、最优化物料分配、智能预测机台运行状况、机台自动响应决策并反馈等功能。智能化工艺制定：根据历史生产情况，解析生产效能与生产工艺之间的关系，为所有订单安排最优的生产工艺，或为工艺制定与管理提供指标性指导方案。智能化绩效评定：通过分析海量历史生产数据，智能化分析人员操作情况与企业生产效益之间的关系，由此构建更为客观、更为有据可循的绩效评定体系。

7 结束语

纺纱全流程自动化与数字化是纺纱行业走向智能化的必由之路，其中MES 的深化应用占据着不可或缺的地位。相较于当前应用的MES，江苏格罗瑞节能科技有限公司通过深入现场调研自主研发的纺纱企业MES，实现了对不同品牌设备的高度适配以及对不同企业管理模式所需功能的个性化定制，同时能够便捷地对接企业各项独立信息系统，最终实现生产全流程的人员、机台、物料、工艺、环境、效率、质量、成本等全方面企业生产信息的数字化云端管理。系统具有良好的机台型号普适性、管理模式适应性、信息反馈敏捷性、数据安全稳定性、信息互联畅通性，具有较高的实践推广价值。

根据目前纺纱行业MES 的应用实践，纺纱企业当前能够实现的是初步数字化转型。要实现我国纺纱行业的智能化转型，当前MES 的发展仍需要在车间生产自动化、数据分析智能化、管理模式高效化等多个层面实现突破。这是一个需要长期技术攻关突破的过程，也是未来纺纱行业发展的必然趋势。