面向MES系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)模型研究

葉昱冬，高飛

(浙江工業(yè)大學計算機科學與技術學院，浙江杭州 310032)

0 前言

當前，我國制造業(yè)正進入一個轉型的關鍵階段，面臨著重大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)制造業(yè)增長模式遭遇瓶頸，實體經濟發(fā)展遇到困難。目前，制造業(yè)從業(yè)人員已經深刻認識到自身創(chuàng)新變革的必要性，也在積極探索適合于自身發(fā)展的改革創(chuàng)新之路。特別是在中央提出“中國制造2025”戰(zhàn)略之后，制造企業(yè)如何實現(xiàn)現(xiàn)有企業(yè)的信息化升級改造、實現(xiàn)“兩化融合”，提升生產效率，實現(xiàn)生產車間精益化管理等問題是企業(yè)管理層面對的重大課題。而這其中，企業(yè)如何選擇適合自己生產模式的MES系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,制造執(zhí)行系統(tǒng))是整個課題的關鍵部分之一。

制造企業(yè)行業(yè)分布廣泛，每個企業(yè)生產的產品不同，生產工藝也大不相同。而作為制造執(zhí)行的MES系統(tǒng)正是要管理生產車間的人、機、料、法、環(huán)等各個方面。這就導致當MES系統(tǒng)應用在某個特定的制造企業(yè)時，需要依據(jù)該企業(yè)的生產工藝及生產需求進行大量定制化的匹配開發(fā)。然而，軟件產品定制化工作量大就意味著實施周期長，而且成本高。從目前的情況看，一套MES系統(tǒng)應用在某個特定企業(yè)的時候，其定制化工作量占到整個項目工作量的70%～90%，同時，企業(yè)也需要為定制開發(fā)工作支付大量預算。這樣一來，一些中小型的制造企業(yè)由于預算不足，不得不放棄對生產制造的信息化改造。所以，一款成本適中的通用化MES系統(tǒng)是目前制造企業(yè)所需要的。這樣一套通用MES系統(tǒng)應當是基于通用的模型搭建的，在適配制造企業(yè)的時候，應該具備足夠的靈活性來滿足不同企業(yè)在人、機、料、法、環(huán)等方面的差異，而將MES的定制化部分壓縮到50%以下。

要實現(xiàn)通用化MES系統(tǒng)，可以通過模型來搭建MES系統(tǒng)，即基于模型的MES系統(tǒng)?；谀Ｐ偷腗ES系統(tǒng)是MBE(基于模型的企業(yè))概念的一部分[1]。MBE(Model Based Enterprise)是由美國“下一代制造技術計劃”(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，NGMTI)在2005年提出(2016年部分完成)。NGMTI提出的“MBE”是一種制造實體，它采用建模技術對設計、制造、產品支持的全部技術和業(yè)務流程進行徹底的改造[2]。

實現(xiàn)基于模型的制造執(zhí)行系統(tǒng)，首先就要實現(xiàn)MES基礎數(shù)據(jù)的模型化。只有在基礎數(shù)據(jù)模型化的基礎上，才能進一步實現(xiàn)MES的整體模型化和通用化。

1 傳統(tǒng)MES基礎數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀

構建MES系統(tǒng)的時候，涉及MES基礎數(shù)據(jù)的構建。這些基礎數(shù)據(jù)包括企業(yè)數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、工具數(shù)據(jù)、資產數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等。目前的情況是，這些基礎數(shù)據(jù)的結構是按照制造企業(yè)的具體情況進行固化的。

例如，對于人員數(shù)據(jù)來講，某企業(yè)的生產工人情況如表1所示。

表1 某企業(yè)生產工人情況Tab.1 Situation of production workers in a company

目前情況下，MES在實現(xiàn)該企業(yè)生產工人數(shù)據(jù)管理的時候，就會依據(jù)當前情況，設計出生產工人的數(shù)據(jù)表格來進行實際的匹配，并在實際的軟件開發(fā)中將該表格固化。

但問題在于，企業(yè)對工人情況的管理可能會隨時間的變化而變化。比如，企業(yè)認為工人的“工種級別”屬性也需要管理，那為了滿足企業(yè)要求，就需要更新原先的表格設計。另外，這樣的設計只能滿足該企業(yè)對人員管理的需求，但對其他企業(yè)來講，復用性不大，可能還需重新定制化開發(fā)。

再例如，對于制造企業(yè)生產工藝的管理，每個企業(yè)都不同，尤其是行業(yè)與行業(yè)之間差異更大。

MES在實現(xiàn)該工藝流程時，當前的做法是將該流程通過代碼的方式將工步與工步之間的邏輯關系固定來滿足企業(yè)的需求。如果工藝改進了，MES軟件系統(tǒng)需要進一步的定制化升級。而且，采用定制化的方式實現(xiàn)制造企業(yè)的工藝邏輯也需要很大的成本，這些都給企業(yè)帶來了困難。

綜上所述，依據(jù)企業(yè)具體的需求進行MES軟件定制化開發(fā)的方式有許多問題，也很難滿足目前企業(yè)不斷變革中所出現(xiàn)的問題。歸納起來主要在于：(1)軟件邏輯依據(jù)企業(yè)當前需求定制化，缺少對企業(yè)發(fā)展及未來需求的考慮；(2)定制化開發(fā)周期比較長，而且需要在完全了解客戶現(xiàn)狀的情況下進行定制化；(3)定制化開發(fā)的成本高，導致一些預算有限的企業(yè)無法承擔；(4)MES系統(tǒng)推廣難度大。

2 基于模型的MES基礎數(shù)據(jù)

基于模型的MES基礎數(shù)據(jù)區(qū)別于傳統(tǒng)MES的基礎數(shù)據(jù)架構，它是在分析不同企業(yè)基礎數(shù)據(jù)基礎上，將這些基礎數(shù)據(jù)進行歸納和概括，并抽象出來形成模型。這種模型適合于不同的企業(yè)，而且在某個企業(yè)的基礎數(shù)據(jù)架構發(fā)生變化時，也不需要對基礎數(shù)據(jù)的結構進行代碼級別的更新。這樣一來，可以節(jié)省企業(yè)的管理時間和管理成本。

基礎數(shù)據(jù)管理包括企業(yè)架構數(shù)據(jù)管理、人員數(shù)據(jù)管理、設備數(shù)據(jù)管理、物料數(shù)據(jù)管理、工具數(shù)據(jù)管理、資產數(shù)據(jù)管理、工藝數(shù)據(jù)管理管理、檔案數(shù)據(jù)管理等。

2.1 企業(yè)架構數(shù)據(jù)

企業(yè)數(shù)據(jù)管理基于ISA95 設備層級模型進行定義[3-5]，將企業(yè)定義為企業(yè)層(Enterprise)、工廠層(Site)、車間層(Area)、產線層(Cell)以及工位層(Unit),如圖1所示。

圖1 企業(yè)架構實例[4-5] Fig.1 Enterprise architecture example[4-5]

系統(tǒng)中企業(yè)模型定義遵循ISA95規(guī)范中設備層級架構模型，一個企業(yè)集團對應多個工廠，某個工廠對應多個車間，某個車間對應多條產線，某條產線對應多個工位，通過工位結合不同的設備，如圖2所示。

圖2 集團架構示例

例如，某個大型重工企業(yè)架構的對應關系如表2所示。

表 2 設備層級模型示例(集團)Tab.2 Sample device hierarchy model (group)

再如，某個中型企業(yè)，沒有集團層級，從工廠層級開始，其對應關系見表3。

表3 設備層級模型示例(中型企業(yè))

所以，針對不同企業(yè)架構形態(tài)，可以通過5層模型進行匹配。

2.2 人員數(shù)據(jù)

人員數(shù)據(jù)管理通過人員模型對相關數(shù)據(jù)進行管理。如圖3所示，人員模型包括人員類別、人員類別屬性、人員實例、人員實例屬性、人員資質考核以及人員資質考核結果。

圖3 人員模型Fig.3 Model of people

每個人員都可動態(tài)配置其必須的資質考核以及資質考核結果，通過資質考核的人員才能具備上崗資格，系統(tǒng)才會在派工時使用該人員資源。

人員數(shù)據(jù)可以通過文件批量導入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面、對接人力資源管理系統(tǒng)等方式錄入，可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面進行修改/刪除操作。

圖4中，“機修組類”即是其中定義的一個人員類型，“張三”就是對應于“機修組類”實例化的一個具體個人?！皺C修組類”有它的人員類型屬性“機械操作等級”，該屬性綁定一個人員資質測試“機械操作測試”；對應地，“張三”也有一個人員屬性“機械操作等級”，其值為“1”，而其對應的“機械操作測試結果”為“PASS”。

圖4 人員模型示例Fig.4 People model example

當然，“張三”這個具體的人還有其他人員屬性。其他的人員屬性也可以無需匹配人員類型屬性，作為具體的人員屬性存在，例如“張三”這個人的性別、身高等屬性。

這樣一來，實施具體項目的時候，可以按照不同類別對人員進行組織和管理。人員的類型以及人員類型屬性根據(jù)實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個人員，并具有相應的人員屬性。

為了便于理解，將模型中涉及的數(shù)據(jù)結構框架羅列如下(其他模型數(shù)據(jù)表格可以按同樣的思想推理，不再贅述)。

人員類型見表4。

表4 人員類型Tab.4 Type of personnel

人員類型屬性見表5。

表5 人員類型屬性Tab.5 Person type attribute

人員見表6。

表6 人員Tab.6 Person

人員屬性見表7。

表7 人員屬性Tab.7 Attribute of person

資格測試定義見表8,資格測試結果見表9。

表8 資格測試定義Tab.8 Qualification test definition

表9 資格測試結果Tab.9 Qualification test results

如果使用XML文件來表示人員類型、人員，這個例子可以如表 10 中的人員模型數(shù)據(jù)[5]所示。

表10 XML表示的人員模型數(shù)據(jù)Tab.10 XML represented staff model data

注意，人員類型和人員可以進行對照，人員類型屬性和人員屬性可以進行對照，資質認證測試和資質認證測試結果可以進行對照。人員屬性中的性別、身高是人員的特有屬性，在人員類型屬性中沒有映射。

2.3 設備數(shù)據(jù)

設備數(shù)據(jù)管理通過設備模型對相關數(shù)據(jù)進行管理。如圖5所示，設備模型包括了設備類別、設備類別屬性、設備實例、設備實例屬性等。

圖5 設備模型Fig.5 Device model

設備數(shù)據(jù)可以通過文件批量導入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面等方式錄入，可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面進行修改/刪除操作。

設備模型示例如圖6所示:“加工A類”即是其中定義的一個設備類型;“加工347號”就是對應于“加工A類”實例化的一個具體設備?！凹庸類”有它的設備類型屬性“誤差范圍”，該屬性綁定一個設備資質測試“誤差測試”；對應地，“加工347號”也有一個設備屬性“誤差”，其值為“0.40 mm”，而其對應的資質測試“誤差測試”為“0.41 mm”。

圖6 設備模型示例Fig.6 Device model and examples

當然，“加工347號”這個具體的設備還有其他設備屬性。其他的設備屬性可以無需匹配設備類型屬性，作為具體的設備屬性存在，例如“加工347號”這個設備的尺寸、進給速度等。

注意，設備屬性包括了設備的靜態(tài)屬性，例如“尺寸”，也包括了設備在運行期間的動態(tài)屬性，例如“進給速度”。靜態(tài)屬性是該設備固有的屬性，而動態(tài)屬性的值是通過實時設備數(shù)據(jù)采集得到的，它是一個隨時間變化而變化的值。

在實施具體項目時，可以按照不同類別對設備進行組織和管理。設備的類型以及設備類型屬性根據(jù)實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個設備，并具有其相應的設備屬性。

2.4 資產數(shù)據(jù)

資產數(shù)據(jù)管理通過資產模型對相關數(shù)據(jù)進行管理。如圖7所示，資產模型包括資產類別、資產類別屬性、資產實例、資產實例屬性等。資產模型示例如圖8所示。

圖7 資產模型Fig.7 The asset model

圖8 資產模型示例Fig.8 Example asset model

資產數(shù)據(jù)管理模型與設備數(shù)據(jù)管理模型類似，但兩者從不同的角度對物理設備實體進行描述。設備數(shù)據(jù)管理模型是從設備角色的角度來描述物理設備，而資產數(shù)據(jù)模型是從物理資產的角度來進行描述。

當某條產線的設備損壞需要進行更換時，此時從設備角色來講，是沒有發(fā)生變化，更換后的設備還承擔更換前設備同樣的角色，但從資產管理角度來講，就發(fā)生了變化，新設備與更換前的舊設備是不同資產，資產編號也當然不相同。

實物資產信息與設備信息之間的關系如圖9所示。在角色設備和實物資產之間存在時間關系，在某個時間段內，某個物理資產承擔了某條產線的設備角色，但在另外一個時間段內，該角色可能由其他物理資產所承擔。執(zhí)行此角色的物理資產可能會隨著時間發(fā)生變化，而設備資產映射表將維護設備與資產之間的對應關系。

圖9 設備資產映射Fig.9 Device asset mapping

2.5 物料數(shù)據(jù)

物料數(shù)據(jù)管理通過物料模型對相關數(shù)據(jù)進行管理。物料模型包括物料類別、物料類別屬性、物料定義、物料定義屬性、物料批次、物料批次屬性等。

物料數(shù)據(jù)可以通過文件批量導入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面等方式進行數(shù)據(jù)錄入，可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面進行修改/刪除操作。

注意，物料數(shù)據(jù)分為物料類型、物料定義、物料3個層次。這是因為從生產角度來看，物料的類型及品種是最繁多的，通過這樣的數(shù)據(jù)層次劃分可以更好地管理生產過程中所涉及的所有物料。

在圖10所示的例子中，物料類型為“鋁材類”，該物料類型有一個屬性“鋁絲直徑”；對應于該物料類型的物料定義為“B級鋁材”，該物料定義有多個屬性，包括：“鋁絲直徑”(該屬性對應于物料類型的屬性)、“合金成分”(該屬性綁定合金成分檢測測試)、“抗拉性”；對應地，物料名稱為“20200101批次”，也分別對應3個屬性，分別是：“鋁絲直徑”、“合金成分”、“抗拉性”。其中，“合金成分”屬性綁定合金成分檢測測試結果。

圖10 物料模型(a)及示例(b)Fig.10 Model of material (a)and example (b)

需要注意的是，并非每個屬性都要綁定資質的檢測測試，這要依據(jù)具體工廠的實際情況來判斷，例如有些屬性不需要進行測試，而有些屬性在工廠內沒有檢測的條件等。

物料類型、物料定義以及物料實例均可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行配置：物料類型定義了不同種類的物料，而物料定義屬于某一個物料類型。物料定義在產品設計、生產排程時均要用到。物料實例是某個物料定義的實例，在具體生產中使用。

2.6 工具/容器/軟件等數(shù)據(jù)

工具/容器/軟件數(shù)據(jù)管理通過工具/容器/軟件模型對相關數(shù)據(jù)進行管理。工具/容器/軟件模型包括了工具/容器/軟件類別、工具/容器/軟件類別屬性、工具/容器/軟件實例、工具/容器/軟件實例屬性等。下面以工具為例進行說明，其模型如圖11所示。

圖11 工具模型Fig.11 Tool model

工具數(shù)據(jù)可以通過文件批量導入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面兩種方式錄入，可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理頁面進行修改/刪除操作。

在工具模型示例(圖12)中，“工段一扳手類”就是工具類型，該類型工具具備一個屬性“尺寸”，“扳手_01”這個工具就是屬于該類型的一個工具，該工具為“尺寸 19活動扳手”，并且該工具還有其自身特有的屬性“規(guī)格”，其值為“M12”。

圖12 工具模型示例Fig.12 Example tool model

在實際項目應用時，可以按照不同類別對工具進行組織和管理。工具的類型以及工具類型屬性根據(jù)實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個工具，并具有其相應的工具屬性。

以上所描述的企業(yè)、人員、設備、資產、物料、工具/容器/軟件等都是企業(yè)生產中所要使用的資源，如果將這些生產資源整合起來進行生產，就必須對工藝數(shù)據(jù)模型化。下面就工藝數(shù)據(jù)進行說明。

2.7 工藝數(shù)據(jù)

工藝數(shù)據(jù)按照工藝模型進行組織和管理。工藝數(shù)據(jù)中包括了生產工藝數(shù)據(jù)、維護工藝數(shù)據(jù)(維護標準操作流程)等。

工藝的每一個工步對應位置(來自于企業(yè)架構數(shù)據(jù))、人員(來自于人員數(shù)據(jù))、設備(來自于設備數(shù)據(jù))、物料(來自于物料數(shù)據(jù))、工具(來自于工具數(shù)據(jù))、作業(yè)指導書(來自于文件數(shù)據(jù))、NC程序(來自于程序數(shù)據(jù))等相關內容。

工藝流程由若干工步組成，每個工步的執(zhí)行都需要一定的資源，圖13—圖14中，工步X1對應的資源為Rx1，其他工步以此類推。工步是可以靈活增加、刪除和修改的，而并非用軟件代碼固化整個工藝流程。這樣一種靈活的工藝設計方式給企業(yè)帶來了好處，在進行工藝優(yōu)化的時候，只需要進行軟件層面的配置就可以滿足新的需求，而不需要進行代碼級別的更新。

圖13 資源示例Fig.13 Resource examples

圖14 工藝模型流程示例Fig.14 Process model process example

系統(tǒng)需要通過該模型管理所有的工藝流程數(shù)據(jù)，并管理每道工藝所需要的資源信息，為生產、維護管理建立基礎。

結合了資源的工藝流程，是一個可以執(zhí)行的工藝流程。為什么這樣說呢？每一個工步都要回答下面幾個問題[6-8]：

(1)在哪里執(zhí)行這個工步？該工步綁定的企業(yè)架構信息，具體的產線、工位；

(2)誰來執(zhí)行這個工步？該工步綁定的人員數(shù)據(jù)；

(3)用什么來執(zhí)行這個工步？該工步綁定的設備、工具、輔助工具數(shù)據(jù)；

(4)執(zhí)行這個工步所需要的材料是什么？該工步綁定的物料數(shù)據(jù)；

(5)怎么執(zhí)行這個工步？該工步綁定的作業(yè)指導書文件數(shù)據(jù)；

(6)其他輔助的條件是什么？該工步綁定的軟件數(shù)據(jù)。

這樣一來，一套工藝流程就可以分解為由一系列可執(zhí)行工步組成的生產流程，進而可以在生產車間進行生產操作。

產品工藝數(shù)據(jù)來源于PLM系統(tǒng)，通過與PLM系統(tǒng)的集成，MES系統(tǒng)可以獲得相關產品的工藝，以及執(zhí)行工藝所需要的資源信息。系統(tǒng)支持通過頁面的方式增加生產工藝/工步。

3 模型化MES基礎數(shù)據(jù)的應用

建立了模型化的MES基礎數(shù)據(jù)，那么MES系統(tǒng)就可以在這個基礎上使用這些數(shù)據(jù)，并進而搭建通用的MES模塊(或者說基于模型的MES)。下面針對圖15，通過MES運行機制來說明模型化基礎數(shù)據(jù)的應用[9-10]。

圖15 生產流程概述Fig.15 Production process overview

(1)系統(tǒng)收到由ERP生成的生產計劃，生產計劃信息包含產品信息、數(shù)量信息、生產完成時間信息等；生產計劃信息可以通過Excel表手工導入系統(tǒng)，或者與外部系統(tǒng)集成，以及系統(tǒng)頁面錄入等方式獲得；

(2)詳細生產排程模塊從資源管理模塊中獲取目前生產資源，包括人員資源、設備資源、物料資源、工具資源等；

(3)同時，依據(jù)計劃信息中的產品信息，從產品定義模塊中獲取該產品的生產工藝信息；并結合目前的資源情況進行生產排程，自動制定生產排程計劃，生產排程計劃包括了生產作業(yè)計劃。生產排程計劃發(fā)送給計劃員進行確認，系統(tǒng)允許計劃員對已經生成的計劃進行手工修改；

(4)系統(tǒng)將預排結果反饋給ERP 系統(tǒng)，在還未進行生產時，可以依據(jù)預排結果推斷產品的最終交期；

(5)作業(yè)派發(fā)模塊得到生產排程計劃，形成工單，將工單派發(fā)給控制網(wǎng)，進而控制不同的生產作業(yè)設備進行生產；

(6)生產步驟嚴格按照排程計劃執(zhí)行，系統(tǒng)按照工藝順序依次將工單派發(fā)給不同的班組/設備。作業(yè)班組和相關設備依據(jù)指令執(zhí)行相應作業(yè)；

(7)作業(yè)執(zhí)行結束，系統(tǒng)自動采集作業(yè)的實做數(shù)據(jù)，并將實做數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)，進行進一步分析。實做數(shù)據(jù)包括開始工作時間、結束工作時間、物料損耗、能耗、現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)等；

(8)依據(jù)實做數(shù)據(jù)，看板模塊為作業(yè)現(xiàn)場看板提供數(shù)據(jù)，如圖16所示；

(9)通過歷史數(shù)據(jù)為企業(yè)駕駛艙大屏提供數(shù)據(jù)分析支撐。

圖16 車間生產看板示例Fig.16 The workshop produces Kanban samples

以上只是簡單說明了基于模型的MES基礎數(shù)據(jù)的應用，實際的基于模型的MES需要考慮到更多的問題，包括生產能力模型、生產執(zhí)行的模型、報工模型等，超出文中范圍，不再詳述。

4 小結

本文作者主要介紹了基于模型的MES基礎數(shù)據(jù)結構，包括企業(yè)架構數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、工具/容器/軟件數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等，并簡單引申了在此基礎上MES可以搭建的相關應用。企業(yè)模型化，從目前看來是未來智能制造企業(yè)的方向，一個企業(yè)的模型化，需要從點點滴滴做起，文中的MES基礎數(shù)據(jù)模型就是從基礎的MES數(shù)據(jù)入手，來分析如何對這些數(shù)據(jù)進行模型化設計。