某包装印刷企业的MES 系统设计研究

董明民，李莹，李海山，杨建辉

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.650500 云南省 昆明市 昆明瑞丰印刷有限公司）

0 引言

依赖于食品、医药、烟草、电子、日化等行业日新月异的发展，包装印刷行业进入了稳步发展的快车道。据统计，在我国共有6 000 余家具有一定规模的包装印刷企业，占全国企业总数的6%，近年来包装印刷行业每年总营收也在不断突破万亿元的关卡[1-2]。但是，想要紧紧跟住国内经济发展的快节奏，实现进一步的发展与超越，包装印刷行业这种传统制造业必然将面临巨大的问题与挑战，我国制定“中国制造 2025”发展战略，正是为传统制造业的产业升级、创新转变以及可持续发展指明方向。从印刷企业内部着手，向智能制造工厂转型，是印刷企业为顺应时代发展需要必不可少的一步。

制造执行系统是20 世纪末由美国AMR 公司（Advanced Manufacturing Research，Inc.）提 出的一种新型的企业生产管理系统[3]。通过收集车间级作业部门生产制造过程当中各项实时数据，汇总分析后对工厂的生产管理活动进行指导、优化和反馈，将信息化管理推进到车间甚至每一种产品上，满足了生产过程的精细化控制要求[4-5]。因此，将“MES”作为企业智能制造信息化建设的起点是不可缺少的一个重要环节，是企业发展战略的保障平台和实现智能制造的基础。

在建设智能工厂的热潮下，企业对于MES系统也不断提出了更多需求，尤其包装印刷企业这类典型的离散型制造企业。离散型制造企业通常具有产品生产制造流程复杂的特点，体现在包装印刷行业也不例外，其生产的产品种类繁多并且每种产品都几乎对应一套单独的工艺流程，所以MES 系统设计时不能简单套用其他企业的方案，必须依照该包装印刷企业自身的工艺资源、制造资源、流程节点进行系统平台设计，在实现生产实时数据采集的同时，甚至还需要与企业资源计划系统（ERP）与仓储管理系统（WMS）集成[6]。最后实现产品生产的数字化、成本控制的可视化、处理流程的透明化[7]，更进一步地为工厂智能化打下坚实的基础。

1 企业现有局限性分析

分析了该包装印刷企业现有的业务流程、业务部门间的数据流转、业务流转现状以及各部门提出的管理要求，总结出该企业面临如下几个问题：

（1）企业信息化手段单一，各部门和生产环节存在“隔墙”，不利于企业整体管理和运营效率提升。企业的OA 协同办公系统与ERP 系统只实现了简单的办公协同与财务管理功能，且两套系统分别独立运行并无配合，无法实现业务功能级别的“订单-研发-工艺-生产计划-生产执行-质量控制-物流”等全流程业务的协同。作为印刷包装企业核心的“研发管理、计划排程、生产执行、物料管理和品质管理”仍然没有信息化支撑手段，凸显的管理问题和效率问题十分严重。

（2）核心业务部门和业务环节存在大量纸质单据流转以及纯人工操作，缺乏必要的信息系统支撑，导致数据共享度低、执行效率低、人为误差等诸多问题。研发、工艺控制、生产管理、生产计划、质量控制、物料和成品仓库管理等各环节各部门之间的业务流转仍以手工纸质单据或 excel 表格单据为主，单据编号、流转、接收基本靠人工完成，没有统一的编码规范，各部门之间的工作协同、分派、协调、流转以手工签字单据为准。人工处理和手工单据的方式，耗费大量人力物力的同时还容易出现账实不符、备货挪用、货不对单等现象，导致公司的生产成本、财务核算严重脱节。

（3）生产过程“黑匣子”现象严重。数据获取主要以人工巡查、记录为主，生产数据不能实时反馈。目前的生产过程为黑匣子生产作业流程，企业无从所知生产线上的生产动态信息，只能够在生产结束之后才能了解生产结果。不能在生产过程中获取实时的生产信息，企业就无法依据生产实时数据与物料数据制定和改变生产计划，这将导致生产计划制定和下发环节与生产执行、物料准备环节出现脱节甚至产生矛盾。

（4）设备生产状态无法获得，设备管理以被动维修方式进行。无法实时获得生产设备的生产状态，对于生产线设备有效生产时间以及调试和维护时间等设备数据的管理相对空白，没有实时获取设备运行状态的手段，无法及时发现处理设备隐患，故障发生时往往只能停机待产，影响生产效率。

（5）品质管理无法全流程监控，问题产品的追溯耗时费力。未统一基础数据管理，品质管理只能分环节、分段进行，有些业务环节甚至没有办法进行品质监控等工作，导致品质管理工作不能实现全面品控。订单、计划、生产和物料等各个环节没有统一可视界面，导致在产品品质出现问题时，要耗费大量人力物力去翻查单据和实际生产过程数据核对以进行产品追溯，不仅响应慢，而且无法准确定位问题所在。

2 系统平台建设方案

2.1 平台建设思路

基于企业现状的局限与发展的需求，MES 系统平台建设思路应当从整体出发，遵从先顶层设计、后分步实施的思路，避免分别构建MES、ERP 和WMS 的传统设计。整体设计采用“1+2”的思路建设一体化MES 信息平台，以包装印刷制造执行系统为核心，再集成ERP 功能与WMS功能。“以印刷生产过程管控为主旨”进行全企业内部信息化管控和优化，实现企业生产中所有的生产进程信息（生产流）、业务信息（资金流、业务流）、原料和产品信息（物流）等所有信息充分有效共享、可视、可用，提高部门之间的协同性，减少内部沟通的时间浪费，使印刷企业的生产效率大大提升。MES 平台构建按照4 个层次设计，分别为：数据采集层、数据层、业务应用层和展示层，其架构如图1 所示。

图1 平台总体架构Fig.1 Platform architecture

图1 中各层级说明如下：

（1）数据采集层：数据采集层在不同的采集传感器的作用下，完成所有包装印刷生产时的设备数据信息、输出数据信息、物料信息以及库存信息等重要数据的采集和汇总。而由于历史原因产生的基础数据、历史数据（纸质及excel 电子版本数据等），系统提供数据导入接口以及人工录入界面，进行基础数据和历史数据维护入库管理。

（2）数据层：数据层构建MES 系统数据信息总线（即数据中心）以及数据交换接口（即数据交换平台），完成底层数据库与上层业务应用、外部业务应用系统之间的数据交互以及业务交互。数据中心包括但不限于业务信息、设备信息、生产信息、仓储信息、质量信息、员工信息、大数据等。

（3）业务应用层包括3 个部分：第1 部分是企业资源计划系统（ERP），主要包括采购管理、销售管理、订单管理、PDM 研发管理、工艺标准管理、BOM 管理以及质量管理等模块，属于较为基础的层面。另外财务管理、人力资源管理等由于相对专业，不纳入MES 一体化信息平台，但是可通过数据接口的方式进行整体管理；第2部分是制造执行管理（MES）和仓储管理（WMS），旨在加强物料需求计划的执行功能，把物料需求计划通过执行系统，同车间作业现场控制系统联系起来[8]；第3 部分可支持外接AGV 物流小车以及协同办公OA 系统，并通过接口实现与控制系统的对接。

（4）展示层：展示层包括车间、管理部门、监控部门等的大屏幕、手机端等监控系统和相关移动应用。包括但不限于工单跟进、完工分析、废品分析、投料分析、产量分析、计时分析、班组分析、机台分析、在制品状态分析、在制品数量分析、在制品流转路线、每版货分析。实现对产品质量追溯、物料追溯、生产异常告警、设备异常告警、库存预警等信息的跟踪和监控。

2.2 平台部署方案

平台部署方案采用集群部署模式，利用多点热备，实现宕机的动态自动切换，减少人为干预，提升系统可用率和稳定性，降低运维难度和成本。为了提升可用性和系统稳定性，集群采用横向扩展模式，各功能节点可根据业务和性能需要进行任意扩展，每个功能节点集群都存在一个以上的备用节点，备用节点用来保证主服务节点宕机后，能够对业务处理进行接管，从而实现宕机的无缝切换。建设Redis 缓存服务器集群。一方面是为了宕机切换后的Session 切换；另一方面是为了提升系统性能，将字典类及需要的数据缓存到Redis 集群内，便于用户查询和使用。部署架构如图2 所示。

图2 部署架构Fig.2 Deployment architecture

通过Keepalived 可实现前端的故障(网络/硬件)自动切换，实现前端的不间断提供服务；Nginx 实现后端的负载均衡和反向代理；Redis 实现Session 共享和缓存服务器，利用redis-cluster模式实现故障点的切换和缓存数据的多点热备。最后，使用Tomcat 实现应用程序的部署。

2.2 网络建设方案

MES 系统网络构建使用分层原则，再逐层进行保护。对于印刷企业内部的基于同一传输网络内的多个部门、应用系统之间的业务和数据隔离，IP+MPLS VPN 技术的使用可以达到它们之间应用系统网络间逻辑隔离的目的，在网络互联互通性基本功能得到实现的同时，还保障了互访的安全控制。通过QOS 和基于MPLS VPN 的流量工程（TE），能够保证关键业务在网络上传输的优先级。

MES 系统采用交换机进行主干网络的组网，并在不同的车间各配置两台高性能核心三层交换机，以便完成各汇聚节点与核心节点以及各节点局域网内的业务汇聚。且用于达成业务隔离功能的MPLS VPN 也会在整个骨干网络上启用。

2.3 数据采集实现方案

数据的采集是应用在设备上加装的传感器以及PLC 来实时获取设备状态、用电量、产量等数据，这些数据可以为后续的业务（如：报工、排产、工资）及管理（如：监控、跟踪、预警）提供支撑。

3 系统功能设计

根据企业现状、分析了包装印刷生产流程、再对生产现场管理进行深化和细化后，确定了系统的功能模块，包含质量管理模块、研发管理模块、数据采集模块、生产控制模块和设备管理模块。系统功能模块组成如图3 所示。

图3 系统功能模块Fig.3 System function module

3.1 质量管理模块

由供应商管理、原辅料检验、生产过程监控和成品仓库检验4 个子模块组成，实现了从原材料到包装印刷生产过程最后到成品检测的全过程质量管控，为产品全生命周期的质量数据管理建立基础。

3.2 研发管理模块

由产品信息、产品档案、BOM 管理和工艺标准管理4 个子模块组成。针对工厂的生产任务，对应出产品信息，根据产品既往的生产档案在工艺路线标准和生产BOM 方面做进一步详细规划和要求，以使工厂能按时按质按量完成客户的订单要求，并将生产信息进一步记录总结，方便以后的产品工艺升级以及新产品开发。

3.3 数据采集模块

由生产数据采集、人机数据采集、物料数据采集、产品数据采集和质量数据采集5 个子模块组成。数据中心对采集到的生产、人机、物料、产品以及质量数据存储，然后进行汇总分析，最后呈报给相关管理人员。当某模块产生可疑数据时，会第一时间发送警报信息，通知相关责任人作出反应，避免重大生产事故的发生。

3.4 生产控制模块

由生产指导、生产排程、任务执行、过程流转和人机管理5 个子模块组成。其中，生产指导和生产排程子模块是基于计划预期，通过合并各计划期间的有效供应和需求资料，如销售订单、销售订单冲销与生产计划单，而计算计划期间的净需求量，该净需求量再考虑“现有库存、在途库存、安全库存、原料损耗、产品成品率、生产拖期”等计划参数，最后对订单的实际生产做出指导与排程；任务执行、过程流转和人机管理子模块的功能是将排程结果自动下发生产任务到指定机台，生产人员再根据生产任务单的优先级选择任务单进行生产，最后将采集的生产数据汇总。以任务单为线索进行车间生产进度的管控，可以达到实时把控车间生产状况的效果。

3.5 设备管理模块

设备管理模块由设备档案、设备安装验收、设备维护和设备故障维修4 个子模块组成。该模块可以达到实时监控设备运行状态的目的，将设备工作日志收集汇总后建立设备档案。有添加新设备、设备处于维护期以及设备发生故障时，设备情况能够实时反馈给系统，以便对订单的生产及时进行调整。

4 结语

本文基于该包装印刷企业目前各类信息化软件的使用现状以及各部门之间的生产现状，分析总结了企业当前的局限与不足，结合公司对整体管理和运营决策的需求，设计开发了包装印刷车间的MES 系统，达成了以下几点目标：（1）构建了全流程一体化的信息平台，实现透明化生产管控和统一视图；（2）避开人工记录，实现自动的数据采集、状态监控以及异常告警；（3）集成了ERP 系统，实现了业务订单和生产直接的互联互动；（4）集成了WMS 系统，实现了生产与物料、成品的准确管控。为包装印刷企业的生产现场有效管理提供了解决方案，使得企业向智能制造的目标更进一步，对企业未来市场竞争提供了有力的帮助。