智能化生產(chǎn)管理技術(shù)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計方法

重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司 胡建

制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)用于連接企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)和工廠設(shè)備控制或監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)應(yīng)用程序，在工業(yè)4.0制造范式中發(fā)揮著重要作用。本文針對智能化生產(chǎn)管理技術(shù)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計方法，首先介紹了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)；其次探討了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)部署架構(gòu)；再次分析了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)功能；最后提出了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)模塊設(shè)計。所提出的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計方法，能夠應(yīng)用于大部分生產(chǎn)制造企業(yè)的智能化生產(chǎn)管理所需，滿足工業(yè)4.0時代的發(fā)展要求，值得從業(yè)人員思考和借鑒。

從20世紀(jì)60年代信息系統(tǒng)在工業(yè)中首次引入以取代紙質(zhì)系統(tǒng)開始，它們隨著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而發(fā)展，通過支持業(yè)務(wù)流程、信息流和分析，在制造企業(yè)中扮演著重要角色[1]。直到今天，可編程邏輯控制器(PLC)和企業(yè)決策管理信息化(ERP)已被納入大多數(shù)制造企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)和管理領(lǐng)域，但更高級別的自動化，如監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)依然不是所有制造企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。如果沒有更高級別的自動化，制造企業(yè)將因技術(shù)錯誤而遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其是MES制造執(zhí)行系統(tǒng)中使用的工具，例如故障模式和影響分析(FMEA)，可用于通過仔細(xì)規(guī)劃和設(shè)計來排除技術(shù)問題，是將生產(chǎn)管理由粗放低效的傳統(tǒng)人工管理方式改進(jìn)為智能信息化方式，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)的提質(zhì)增效和節(jié)能降耗目標(biāo)[2]。鑒于此，本文提出一種MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計方法，旨在補(bǔ)充現(xiàn)有MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計理論，為相關(guān)從業(yè)人員提供一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

早在20世紀(jì)90年代中期，國外的制造企業(yè)就已經(jīng)開始應(yīng)用MES制造執(zhí)行系統(tǒng)。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)提供了一種整體實(shí)時優(yōu)化制造過程的方法，將MES與其他自動化系統(tǒng)（ERP、SCADA）相結(jié)合，因?yàn)楣δ芗墒沟蒙a(chǎn)流程中的各個環(huán)節(jié)和設(shè)備能夠很好地協(xié)同工作，以此提高制造企業(yè)的生產(chǎn)競爭力。隨著MES制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)的成熟，由此衍生出的ISA-95標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了MES的子系統(tǒng)，并定義了ERP系統(tǒng)、MES和其他自動化系統(tǒng)之間的邊界，為MES提供了設(shè)計指南[3]。隨著計算能力在越來越小的單元中可用的發(fā)展成為具有高耐熱性的低能量系統(tǒng)以及可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性的增長，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)在過去幾年中在非常多樣化的應(yīng)用領(lǐng)域中變得越來越重。

現(xiàn)如今，隨著與生產(chǎn)相關(guān)的活動的優(yōu)化成為社會各界共同關(guān)注的問題，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)包括：創(chuàng)新和可持續(xù)的模塊化設(shè)計；可擴(kuò)展并適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的解決方案；優(yōu)化資源再利用，最大限度地減少生產(chǎn)排放以及提高生產(chǎn)回收，同時最大限度地減少能源需求和基礎(chǔ)設(shè)施要求和運(yùn)營成本。在這種情況下，除了使用SCADA管理低級控制器和擴(kuò)展調(diào)節(jié)和控制能力外，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將涵蓋生產(chǎn)制造的組織、財務(wù)和整體管理方法，并將優(yōu)化管理概念應(yīng)用于系統(tǒng)。在MES制造執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā)過程中，最終用戶的需求和要求在新系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中不斷受到質(zhì)疑、識別和考慮，以找到合適且實(shí)用的解決方案。

具體來說，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的目的是通過制定以下目標(biāo)，在更高層次上建立人力資源、材料管理、會計和生產(chǎn)之間的聯(lián)系：使用更好的工作流程控制來優(yōu)化整個供應(yīng)鏈，并通過高度集成和防止孤立的解決方案降低運(yùn)營成本；提高用于評估流程和產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量；提高整個生產(chǎn)過程的可見性和透明度。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的高可用性、易用性等要求確保了對操作人員的積極支持，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)相比，將在管理水平上有明顯提高。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)由可擴(kuò)展的模塊組成，具有高度的靈活性和適應(yīng)性。因此，它適用于不同的地理條件，既適用于農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也適用于城市地區(qū)的工業(yè)制造?？傊琈ES制造執(zhí)行系統(tǒng)將在制造環(huán)境中的節(jié)能、環(huán)境影響和財務(wù)成本方面提供高效的系統(tǒng)解決方案。

2 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)部署架構(gòu)

MES制造執(zhí)行系統(tǒng)由一組硬件+軟件組件組成，使系統(tǒng)管理人員能夠控制整體生產(chǎn)。該系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為可實(shí)時使用的信息，提供有關(guān)效率、浪費(fèi)和能源使用等因素的信息。這使管理層和員工能夠做出更準(zhǔn)確的分析和明智的決策。因此，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計劃系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)之間的連接，從而連接目標(biāo)與實(shí)際比較和收益預(yù)覽[4]。具體來說，整個生產(chǎn)企業(yè)的系統(tǒng)劃分為三層，過程控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層和企業(yè)管理層。MES作為生產(chǎn)執(zhí)行層的核心系統(tǒng)，在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是企業(yè)生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁，MES與SCADA/PLC系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、模型庫和人機(jī)界面（HMI）有直接的接口。

3 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)功能

針對制造企業(yè)的生產(chǎn)所需，大部分的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)中都包含以下功能：

（1）產(chǎn)品定義管理功能。這包括存儲、與其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)交換，例如產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)則、參數(shù)、工藝設(shè)定點(diǎn)和數(shù)據(jù)，所有這些都專注于回答如何在MES制造執(zhí)行系統(tǒng)中生產(chǎn)的問題。（2）MES制造執(zhí)行系統(tǒng)資源的管理功能。這包括記錄、注冊和預(yù)訂、分析可用資源信息，目的是利用可用和適當(dāng)?shù)馁Y源準(zhǔn)備和執(zhí)行生產(chǎn)訂單。（3）調(diào)度生產(chǎn)過程功能。此功能確定用于生產(chǎn)的操作計劃，作為工作訂單的集合，以滿足從模擬模型接收的生產(chǎn)要求，從而優(yōu)化利用可用的本地資源。（4）生產(chǎn)性能分析功能。此功能從原始實(shí)時收集的有關(guān)生產(chǎn)過程當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)中生成非常有用的輔助數(shù)據(jù)和信息，例如進(jìn)行中的工作(WIP)概述，以及過去一段時間整體設(shè)備效率，如機(jī)械或任何其他性能指標(biāo)。（5）生產(chǎn)跟蹤和追溯功能。記錄和檢索相關(guān)信息，以便能夠跟蹤生產(chǎn)批次、訂單或設(shè)備的完整歷史（在與健康相關(guān)的生產(chǎn)中尤其重要，例如食品生產(chǎn)、藥品生產(chǎn)）等。（6）將包括SCADA系統(tǒng)等在內(nèi)的所有來源的數(shù)據(jù)提取到公共數(shù)據(jù)庫中的功能。（7）對MES制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)備和資源進(jìn)行檢查，并通知其他系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)過程的進(jìn)度的功能。（8）報告功能。這主要是來自MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的信息的可視化。

為了能夠完成上述所有功能任務(wù)，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)需要連接到一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可以處理多個不同的實(shí)體，例如時間序列（歷史和預(yù)測）、來自SCADA系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)參數(shù)操作規(guī)則等。其中，數(shù)據(jù)庫的非實(shí)時部分可用于容納數(shù)據(jù)，例如來自仿真模型的結(jié)果，以及MES制造執(zhí)行系統(tǒng)所需的其他商業(yè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的實(shí)時部分可用于處理來自SCADA系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的歷史部分可用于保存計算結(jié)果并永久保存來自仿真模型和SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。此外，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)需要多個模型，例如體積和流量模型、廢物產(chǎn)生模型、計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型等來執(zhí)行預(yù)測分析[5]。

具體來說，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)功能依靠C#.NET 編程語言和NET Framework來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，其中表示層使用WF開發(fā)的，主要用于獲取用戶數(shù)據(jù)并將其傳遞給MES功能層層進(jìn)行進(jìn)一步處理。值對象從MES功能層層接收數(shù)據(jù)，以用戶可以解釋的適當(dāng)形式表示它。它包含用于將數(shù)據(jù)從一個類傳遞到另一個類的Getter和Setter。中間層即MES功能層，具有生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)監(jiān)控等功能，用于表示層，還用于加速表示層和數(shù)據(jù)層之間的信息交換。如功能部分所述，它為業(yè)務(wù)流程提供邏輯和數(shù)據(jù)訪問。數(shù)據(jù)層包括在MySQL框架中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)具有兩個部分的功能，即dbConnection和DAO。dbConnection用于建立和關(guān)閉連接，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行諸如 Select、Update 和Delete查詢等活動。在數(shù)據(jù)庫訪問層(DAO)中，查詢是基于從MES功能層層接收的參數(shù)構(gòu)建的，并將其傳遞給dbConnection類執(zhí)行，結(jié)果從dbConnection類返回給MES功能層。

4 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)模塊設(shè)計

毋庸置疑，企業(yè)互操作性和可追溯性是信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能制造過程中的需要。傳統(tǒng)的MES模塊設(shè)計是為了適應(yīng)企業(yè)所購買的生產(chǎn)工具，而不是實(shí)際的生產(chǎn)需要，但是，正如ERP的發(fā)展已經(jīng)超越了企業(yè)界限，跨組織地協(xié)作以支持新出現(xiàn)的業(yè)務(wù)需求一樣，MES的范圍也在不斷擴(kuò)大，包括制造企業(yè)的供應(yīng)、設(shè)計和業(yè)務(wù)功能。為此，智能制造在車間里安裝互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)將處理實(shí)物資產(chǎn)和計算能力之間的相互連接。為了充分利用MES在制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的潛力，必須在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時代的影響下，設(shè)計更加科學(xué)、合理且完善的系統(tǒng)模塊以響應(yīng)生產(chǎn)變化，反映系統(tǒng)功能，擴(kuò)展MES組件以及與各種外部系統(tǒng)的信息交互[6]。這些要求一般與MES模塊的特性有關(guān)。

（1）在功能方面，必須由單獨(dú)開發(fā)的模塊組成，每個模塊的安裝必須獨(dú)立于其他模塊；（2）模塊必須能夠在較大范圍內(nèi)上升，以便在將來的生產(chǎn)能夠擴(kuò)展和修改；（3）數(shù)據(jù)處理組件必須與其他組件兼容，各種數(shù)據(jù)處理和自動化硬件必須與它們進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；（4）組件必須能夠與其用戶通信，并能直接接入互聯(lián)網(wǎng)(html和xml markuplangages格式的數(shù)據(jù)傳輸)，以及使用蜂窩式通信；（5）組件必須確保用戶與它的主動交互，而不需要重新編程，比如用戶查詢來自數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)的必要信息必須以自然語言(例如，SQL sql)表示；（6）來自其文件的新形式的文檔必須依賴于文本編輯器(尤其是Generatorlin.doc)。

基于上述要求和模塊特性，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計，至少需要包含幾個模塊：報告和可視化模塊、能源管理模塊、設(shè)備管理模塊和質(zhì)量管理模塊。（1）報告和可視化模塊列出生產(chǎn)計劃的重要系統(tǒng)數(shù)據(jù)和任務(wù)，顯示當(dāng)前的關(guān)鍵績效指標(biāo)、預(yù)算比較和接下來的任務(wù)。從這個主窗口可以打開更多的窗口，例如業(yè)務(wù)管理、監(jiān)控、計劃和模擬；（2）能源管理模塊提供MES的HMI窗口。該窗口提供有關(guān)生產(chǎn)所用能源狀況的信息，例如產(chǎn)品單耗指標(biāo)等，所提供的能源消耗特征曲線可以被調(diào)用并用于生產(chǎn)計劃。通過能源管理模塊，MES可以計算出消耗的能源和產(chǎn)生的廢物等信息，這些數(shù)據(jù)將提供給銷售業(yè)務(wù)，可用于預(yù)測銷售收入；（3）設(shè)備管理模塊需人工錄入設(shè)備廠家品牌、型號、采購年限、投運(yùn)時間、數(shù)量、位置、責(zé)任班組以及設(shè)備易損件信息，設(shè)備巡檢點(diǎn)檢由智能手持終端通過掃描完成，可生成巡檢路線圖；（4）質(zhì)量管理模塊可以監(jiān)測生產(chǎn)質(zhì)量，貫穿在整個生產(chǎn)流程的各個環(huán)節(jié)，使用模型來找到最佳生產(chǎn)的比例以及最佳的生產(chǎn)方案和質(zhì)量控制。

5 結(jié)語

綜上所述，本文介紹了智能化生產(chǎn)管理中MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。該系統(tǒng)使管理層能夠控制從訂單發(fā)布到成品的生產(chǎn)活動，鏈接生產(chǎn)制造中的所有流程和數(shù)據(jù)，監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)，評估所有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，以便為用戶提供精確的生產(chǎn)日常概覽。在保持當(dāng)前和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的同時，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)引導(dǎo)、啟動響應(yīng)并報告生產(chǎn)活動的發(fā)生，為決策支持流程提供有關(guān)生產(chǎn)活動的關(guān)鍵任務(wù)信息。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)旨在提供對生產(chǎn)過程的全廠洞察，告知生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)性能、能源消耗以及生產(chǎn)成本的出現(xiàn)和分配。總之，在智能化生產(chǎn)管理中，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將改善更好的資源規(guī)劃和分配，允許監(jiān)督流程執(zhí)行，從而可以及時識別和應(yīng)對異常事件，其主要目標(biāo)是伴隨和監(jiān)督生產(chǎn)過程，了解當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)和所有產(chǎn)品的狀態(tài)，識別生產(chǎn)過程中的異常或臨界狀態(tài)。

引用

[1] 馮毅.昆明卷煙廠生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的設(shè)計及設(shè)備管理模塊的實(shí)現(xiàn)[D].昆明:云南大學(xué),2019.

[2] 陳魯敏,黃梁,王加興.離散型智能制造模式研究[J].制造業(yè)自動化,2021,43(12):14-18.

[3] 歐陽森山,雷浩,陳琛,等.基于微服務(wù)的MES–MSA架構(gòu)研究[J].航空制造技術(shù),2021,64(20):47-55.

[4] 楊工研,程金石,王德權(quán),等.離散型加工車間MES終端設(shè)計與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2021(9):172-174+179.

[5] 鄧停銘,王淑營,王小強(qiáng),等.MES中實(shí)時異常判定方法與可定制處理流程框架[J].制造業(yè)自動化,2021,43(6):21-26.

[6] 王峰,段凱成,陶軍.基于MES的電驅(qū)生產(chǎn)工序流程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2021(3):54-58.