生產(chǎn)企業(yè)MES系統(tǒng)解決方案的研究

1 引言

MES(Manufacturing Execution Systems)，制造執(zhí)行系統(tǒng)。位于上層的企業(yè)資源計劃系統(tǒng) ERP與底層的工業(yè)過程控制系統(tǒng) PCS之間的面向廠（車間）級的管理信息系統(tǒng)。它以生產(chǎn)制造為核心，以提高整個企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營效益為目的。

MES是通過傳遞信息，對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)活動進(jìn)行優(yōu)化；MES依靠及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對工廠活動進(jìn)行指導(dǎo)、 啟動、 響應(yīng)和報告； MES對條件變化的迅速響應(yīng)，以及對減少非增值活動重視，使其能夠提高工廠的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量；MES可以提高生產(chǎn)價值的回報率，保障及時交貨能力，保持合理庫存量，加快庫存周轉(zhuǎn)，提高現(xiàn)金流轉(zhuǎn)效率；MES雙向地提供整個企業(yè)生產(chǎn)活動以及供應(yīng)鏈的關(guān)鍵信息。

2 MES概要

2.1 MES作用及功能

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）彌合了企業(yè)計劃層和生產(chǎn)車間過程控制層之間的間隔，是制造過程信息集成的紐帶。MES通過強調(diào)制造過程的整體優(yōu)化來幫助企業(yè)實施完整的閉環(huán)生產(chǎn)，同時也為敏捷制造企業(yè)的實施提供了良好的基礎(chǔ)。MES在企業(yè)生產(chǎn)整體優(yōu)化中起到兩方面的作用：一是把業(yè)務(wù)計劃的指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場；二是收集生產(chǎn)過程中大量的實時數(shù)據(jù)并將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息處理和上傳。

根據(jù)MESA對MES的定義，MES的11 個功能主要包括1.生產(chǎn)資源分配與監(jiān)控；2.作業(yè)計劃和排產(chǎn)；3.工藝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)管理；4.數(shù)據(jù)采集（裝置在線連接采集實時數(shù)據(jù)和各種參數(shù)信息，控制系統(tǒng)接口，生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄、質(zhì)量數(shù)據(jù)、績效信息、臺帳累計）；5. 作業(yè)員工管理； 6. 產(chǎn)品質(zhì)量管理；7.過程管理（過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統(tǒng)接口）；8. 設(shè)備維護(hù)；9. 績效分析；10. 生產(chǎn)單元調(diào)度；11. 產(chǎn)品跟蹤。

2.2 MES 效益分析

MES實施可以為企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟效益，如下表所示：

表1  MES效益分析表

這組數(shù)據(jù)主要來自一些早期實施 MES的公司，已經(jīng)為 MESA International 的研究所證實。另外，MES還有助于企業(yè)減少加班，加快產(chǎn)品產(chǎn)出，增加生產(chǎn)的靈活性和靈敏性，以及降低成本。

3 生產(chǎn)企業(yè)MES解決方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)自上向下分為五個層次：用戶整合層、分析系統(tǒng)層、應(yīng)用子系統(tǒng)層、生產(chǎn)管控平臺層和數(shù)據(jù)中心層。如圖1所示：

系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)說明：用戶整合層：通過統(tǒng)一的門戶，采用靈活嚴(yán)格的權(quán)限設(shè)置，使企業(yè)內(nèi)外的用戶都能在這個平臺上進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，實現(xiàn)全面的協(xié)作。分析系統(tǒng)層：整合企業(yè)的所有有效信息，為管理層提供決策支持。應(yīng)用子系統(tǒng)層：基于 SOA模式，由 MES的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用模塊組成，可以根據(jù)企業(yè)需求靈活配置。生產(chǎn)管控平臺層：由應(yīng)用建模平臺、工作流平臺、系統(tǒng)運行平臺組成，是整個系統(tǒng)的核心組成部分和運行基礎(chǔ)，該平臺具有開放性和可擴展性，能滿足企業(yè)不斷擴展的業(yè)務(wù)需求。生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心層：由數(shù)據(jù)采集總線、實時數(shù)據(jù)庫、分析數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)組成。

3.2 MES數(shù)據(jù)庫設(shè)計

實時數(shù)據(jù)庫的主要功能包括實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存貯、管理與查詢。目前，單套實時數(shù)據(jù)庫可以管理達(dá)20萬點的實時數(shù)據(jù)，配合先進(jìn)的歷史數(shù)據(jù)壓縮算法可以保存10年以上的歷史數(shù)據(jù)（保持時間與點數(shù)和數(shù)據(jù)存放空間有關(guān)）；提供統(tǒng)一的配置管理，系統(tǒng)調(diào)試、安裝好后，可以通過管理工具在單臺機器上維護(hù)整個系統(tǒng)。支持開關(guān)量、模擬量、日期時間型、字符串、二進(jìn)制等 11種點類型；采集器支持網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，數(shù)據(jù)單向傳輸，保證控制系統(tǒng)的安全；趨勢分析功能提供實時和歷史趨勢查看功能，并能對多點或單點多時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析；實時流程圖提供實時流程圖查看功能，圖形方式查看，數(shù)據(jù)與生產(chǎn)現(xiàn)場同步變化，坐在辦公室里就能隨時了解生產(chǎn)狀況；數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可以按照用戶的定義，把部分歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，輕松實現(xiàn)生產(chǎn)報表；豐富的、可擴展的設(shè)備接口，有效集成多種異構(gòu)的協(xié)議與控制設(shè)備，目前提供的數(shù)據(jù)采集接口支持：OPC協(xié)議、Modbus協(xié)議、CDT協(xié)議等，而且通過實時庫接口 API，可以很容易的針對特定系統(tǒng)接口進(jìn)行定制開發(fā)；提供計算采集器，可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將計算結(jié)果作為新的點值寫回到實時庫中；開放的二次開發(fā)接口，能根據(jù)用戶需要定制新的應(yīng)用。圖2所示為實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 實時數(shù)據(jù)庫架構(gòu)圖

4 數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成工程

4.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式

自動化控制系統(tǒng) DCS/PLC具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，其數(shù)據(jù)采集方式是使用一臺計算機作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)機，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)機實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和控制系統(tǒng)的連接，具體連接方式為：

DCS/PLC操作員站安裝數(shù)據(jù)通訊接口服務(wù)軟件 OPC Server，增加一塊網(wǎng)卡，設(shè)置成與DCS/PLC不同網(wǎng)段，通過網(wǎng)線將 DCS/PLC操作員站連接到數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)機，距離遠(yuǎn)的需通過光纖連接。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)機會將采集到的數(shù)據(jù)送到實時數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的目的在于減低操作站負(fù)荷， 網(wǎng)關(guān)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能， 使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時，過程數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)關(guān)機。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，網(wǎng)關(guān)機自動將本地數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫。這保證了數(shù)據(jù)不丟失。由于網(wǎng)關(guān)具有隔離控制網(wǎng)與管理網(wǎng)的作用，具有更高的安全性，保證控制系統(tǒng)的運行安全。

PLC數(shù)據(jù)采集分為兩種情況：一種情況是有上位機，這樣可以通過上位機的 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集方式同控制系統(tǒng)一樣；第二種情況是沒有上位機，這樣就需要從 PLC通訊端口直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集方式與智能儀表數(shù)據(jù)采集方式類似。

電氣保護(hù)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，其數(shù)據(jù)采集方式是使用一臺計算機作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和電氣系統(tǒng)的連接，具體連接方式：

通過在電氣通訊柜選擇一空余通訊口，通過串口通訊線連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)管機上用于傳輸過程數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)采集點配置一對光纖收發(fā)器，一個連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，一塊連接接入交換機。

這里增加數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的目的在于減低操作站負(fù)荷，網(wǎng)關(guān)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時，過程數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)關(guān)機。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，網(wǎng)關(guān)自動將本地數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫。這保證了數(shù)據(jù)不丟失。由于網(wǎng)關(guān)具有隔離控制網(wǎng)與管理網(wǎng)的作用， 具有更高的安全性，保證控制系統(tǒng)的運行安全。

4.2 功能模塊

（1）實時監(jiān)控：以系統(tǒng)流程圖的方式實時監(jiān)測生產(chǎn)線參數(shù)， 管理者在辦公室就能實時了解整個企業(yè)不同控制系統(tǒng)和整個企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。如出差在外，通過Internet 在任何地方亦可實時訪問。

（2）流程圖回放：通過流程圖回放功能，綜合分析某一生產(chǎn)數(shù)據(jù)或某些生產(chǎn)數(shù)據(jù)對其它數(shù)據(jù)的影響。

（3）實時趨勢與歷史趨勢：查看某項指標(biāo)的變化趨勢，便于相關(guān)人員對分布于不同 PLC和 DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)的進(jìn)行對比分析，對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)做出科學(xué)、合理的調(diào)整， 以提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品的競爭能力。對重要的生產(chǎn)和工藝參數(shù)，不同工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，客戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)整合組態(tài)，可組態(tài)在一張趨勢畫面上進(jìn)行對比、分析。可同時在一張趨勢畫面上進(jìn)行多點趨勢對比分析。歷史趨勢，客戶可以選擇任意歷史時間段，采集周期，進(jìn)行查看歷史趨勢。

（4）報警：對關(guān)鍵數(shù)據(jù)超限報警或組合條件報警。用表格的方式將報警的觸發(fā)條件和參數(shù)輸入到報警數(shù)據(jù)庫中，包括開關(guān)量變位報警、模擬量的實時數(shù)據(jù)報警、偏差報警、變化率報警等聲光報警。

（5）生產(chǎn)計劃：提供對主生產(chǎn)計劃、作業(yè)計劃、需求計劃等的全面管理，包括多種生產(chǎn)計劃的制定、調(diào)整、執(zhí)行、跟蹤和歸檔。

（6）生產(chǎn)調(diào)度：調(diào)度指揮系統(tǒng)根據(jù)公司生產(chǎn)目標(biāo)（計劃）以及生產(chǎn)過程中的原料、產(chǎn)品、質(zhì)量、設(shè)備、公用工程等多方面的信息，下達(dá)生產(chǎn)調(diào)度指令、安全指令的執(zhí)行情況并進(jìn)行監(jiān)督、檢查，結(jié)合現(xiàn)場工藝狀況形成新的生產(chǎn)指揮調(diào)度信息，記錄生產(chǎn)情況，糾正執(zhí)行中的偏差， 就具體問題召開部門內(nèi)部及跨部門和單位的生產(chǎn)協(xié)調(diào)會議，發(fā)出通知通報，實現(xiàn)組織，協(xié)調(diào)，平衡，指揮，督辦的作用，使生產(chǎn)制造活動穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行。

5 結(jié)束語

通過對生產(chǎn)企業(yè)MES總體框架的分析以及實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，并對MES系統(tǒng)的必要組成模塊的功能進(jìn)行了說明。