1 MES概述

    由于制造企業內部信息化程度很難跟上外部市場競爭環境的變化，為了獲得更多的生存機會，迫切適應市場變化和競爭壓力，制造企業商們紛紛規劃企業自身的自動化和信息化發展藍圖，然而更多的制造企業僅關注車間的自動化程度和企業的管理水平，忽略了位于自動化控制層和計劃管理層之間的生產執行層。

    制造執行系統(MES，Manufacturing Execution System)恰恰能彌補這一斷層。MES將生產自動化與經營活動結合起來，將經營目標轉化為生產操作目標，實現經營和生產自動化間的協調統一，真正使經營計劃周期形成“閉合回路”。MES提供設備控制系統、過程控制系統無法實現的車間級調度管理功能，提供ERP等管理信息系統無法實現的生產數據的獲取與分析功能，成為車間生產和企業管理之間的橋梁，可以為企業帶來現實的或潛在的經濟效益悼1。MES在企業生產管理中的數據流程圖和所處定位如圖1所示。

圖1 MES在企業生產管理中的數據流程圖和所處定位

    可見，MES與上層ERP等業務系統和底層DCS／PCS等生產設備控制系統一起構成企業的神經系統，一是把業務計劃的指令傳達到生產現場，二是將生產現場的信息及時收集、上傳和處理。

    MES扮演著生產活動最佳化的信息傳遞者。生產管理是MES的基礎和核心，它是整個車間生產數據的集合體，從執行的角度擔負起將計劃落到實處的職能。它將生產現場的實時數據提交給質量檢驗系統進行分析和全面質量跟蹤，通過采集衡器計量系統的計量數據準確跟蹤物料的投入量和產出量，通過與控制層設備的鏈接實時監督生產過程中的工藝參數監測和統計結果，及時向上反饋生產的結果和問題，及時得到上層的指示和指導，確保整個生產流程的連續性，提高整個生產車間的優化能力。因此，以研究基于MES的生產管理在制造企業中的實施和應用具有重要意義。

    這里以一個大型冶煉企業的車間生產業務為研究背景，將生產管理作為MES系統中的一個模塊，實現對生產現場的數據采集，通過與質量檢驗系統和衡器計量系統的有機結合，將生產的全部數據實時傳遞給上層ERP。

2 MES生產管理業務需求分析

    該大型冶煉企業有五個生產制造車間，從進廠的原材料到最終產成品的形成，需要經過多段生產、多段運輸、多地存儲，期間物流種類多、工序多且形式不一，并伴有多種副產品的產生。同時，伴隨著投料和收料數據的質量檢驗和計量，這使得生產制造過程具有一定的復雜性。然而，車間生產的大量數據均依靠各個崗位工人的手工記錄，在進行月結生產數據整理時，需要在大堆的紙質報表中進行不方便的查詢、匯總、統計和分析，這樣很容易出現數據的不準確和遺漏，更是難以追蹤到崗位或個人的職責，致使車間管理粒度粗糙，體現不出車間管理的價值。又因為生產制造活動需要大量的特征值來描述，而底層工業自動控制設備的監控和分析數據不能及時傳遞給生產執行層，使得生產制造層不能及時運用準確的數據，響應和指導車間生產活動。信息化程度不高進一步造成計劃管理層無法及時獲知生產現場的實時事件，更是無從將解決方案和命令下達到生產執行層。于是，出現嚴重的中間生產執行的信息斷層。

    通過詳細實地調研發現，底層企業業務管理系統均是來自不同廠商，系統之間的融合度差。生產執行層的制造管理系統分散于不同車間，車間之間的生產數據無法流通和共享，底層控制系統采集到的數據無法到達中間生產執行層和頂部計劃管理層。于是，對于冶煉企業來說，首要任務是規劃它的整體信息架構層級：L1為一級設備控制系統，L2為二級過程控制系統，L3為三級制造系統MES，L4為四級企業級資源計劃系統ERP，L5為五級企業管理系統和決策支持系統，其中L1和L2為控制層，L3為生產執行層，L4和L5為計劃管理層。由于L1、L2在該冶煉企業中已經成功建立和成熟使用，L5被列入三年后的信息化藍圖中，目前信息化的重點是ERP和MES。通過MES打通企業三層管理鏈路，實現從上到下(ERP——MES——DCS／PCS)和從下到上(Dcs／PCS——MEs——ERP)的雙向信息通道，將各個信息島嶼連成一個企業級的網絡通路系統，以強化企業的管理深度和優化企業自身的知識資源。

    該冶煉企業MES重點是將5個生產車間的業務整合起來，MES接受來自ERP的月生產訂單，MES將ERP的月生產訂單按照5個生產車間的業務特點由調度進行排產，生成各自車間的日作業計劃，生產調度以周或天進行日作業計劃下達，崗位工人依據日作業計劃進行投料和收料操作，將物料的投入和產出連成線，前一車間的產出物是后一車間的投入物，期間需要對特定物料進行質量檢驗、衡器計量和移庫。當崗位工人完成投收料相關數據的人工采集和設備的自動采集后，經過當班班長的審核。MES自動將數據實時上傳ERP，ERP成功接收MES的生產數據后立即將對應憑證下達至MES，以告知MES本次投料、收料、移庫數據成功上傳ERP。圖2是對5個車間的生產業務的抽象和統一。

圖2 車間生產管理業務流程

    同時，車間管理要求，為了細分和跟蹤車間崗位工人的職責，MES需要依據產線和工序的不同，規定崗位的具體操作生產訂單和作業計劃以及具體投收物料清單，記錄投收料物料名稱、物料代碼、操作時間、操作人、更新時間、更新人等動作信息，以便阻止錯投、誤投物料的操作；還需要考慮在質量檢驗系統和衡器計量系統不能正常工作的條件下如何人工補錄數據等問題，以便促使崗位工人盡守職責，盡可能地保證生產數據的有效性和正確性，為上層的決策提供可靠、可信的數據支持。

3 MES生產管理功能模型

    由于該冶煉企業目前已有質量檢驗系統、衡器計量系統，所以MES生產管理模塊在不打破現運行良好的質量檢驗和衡器計量系統的前提下，與其進行優化聯合處理車同業務，將控制層的生產狀態和中間層的生產結果反饋給計劃層的ERP。

    整個MES的生產管理功能簡介如下：

    (1)生產計劃管理：操作對象為各個車間的調度室，主要接收來自ERP的月生產訂單，啟用生產訂單，然后通過系統自動加人工調整的方式進行排產，按周或天下達MES日作業計劃于各個崗位。在生產的過程中，若出現設備檢修、人為事故的情況，調度人員可立即暫停對相相應作業計劃的投收料操作，等排除故障后，重新啟動作業計劃，開始正常數據的傳輸。若完成對該日作業計劃的生產，則關閉該作業計劃，防止對該作業計劃的過量投入和產出。

    (2)生產實績管理：操作對象為具體的崗位，位于不同產線和工序的崗位工人只能操作系統配置好的生產訂單和作業計劃以及投收的具體物料，系統自動記錄崗位工人的操作痕跡，提高車間的管理精度。完成生產過程中投入物料和產出物料的質量檢驗和計量，通過班長的審核和出入庫簽收，將投收料數據自動上傳ERP。

    (3)生產移庫管理：在生產制造過程中，需要廠際、廠內之間來回調撥物料，這樣為了確保物料的來源和去向，要料方需要向供料方提出要料申請，供料方同意，供料方制作．核對移庫單，要料方同意接收物料，雙方共同確認物料的卸貨歸位，MES自動將移庫物料和移庫量等信息上傳ERP，保證ERP庫存管理的準確性。移庫結束，系統自動打印出移庫憑證以作備份。

    (4)接口管理：MES生產過程中的物料需要質量檢驗部門檢驗的，則MES需發檢驗委托單至質量檢驗系統，質量檢驗系統完成檢驗并將結果返回給MES判定處置；同樣MES生產過程中的物料需要衡器計量的，則需發計量委托單至衡器計量系統，衡器計量系統完成計量并將結果返回給MES判定處置。MES最終需將正確的投料和收料數據上傳ERP。其他接口等同作用。

    (5)生產配置管理：為了提高MES的靈活性和系統處理變化的能力最統管理員在此可將生產過程中用到的常數據進行預先配置，減少現場操作人員的人工輸入量，保證數據來源和流向的簡化性和正確性。

    (6)查詢統計分析：這里只做條件查詢，查詢結果以符合生產要求的報表格式展出，支持一定格式的網形分析和導出。

4 MES生產管理系統實現

    MES考慮到5個車間網絡設備情況，決定在車間數據操作層采用C／S客戶機／服務器方式，在行政管理層進行信息瀏覽和查詢時采用B／S瀏覽器／服務器方式總的系統架構采用現今比較流行的三層結構后臺以Oracle數據庫服務器作為支撐環境，前臺采用c#開發語言。MES系統的三層結構分別為：

    (1)表現層(Web瀏覽器／客戶機)，是用戶與系統間信息交互的界面，負責結果展示及數據收集。車間層數據操作用戶通過訪問客戶端應用程序，完成數據的人工錄人和提交；行政管理層用戶通過訪問WEB瀏覽器進行信息瀏覽和查詢。

    (2)應用邏輯層，實現系統業務邏輯，包括基礎業務功能和業務流，即將生產計劃、生產實績、生產移庫、查詢統計分析等功能置于該層。當客戶端提出任務請求時，應用邏輯層首先向數據服務層的數據庫提出數據提取請求，并對提取出來的數據進行處理，將處理的結果通過應用服務器傳送回客戶端。

    (3)數據服務層，通過底層的數據庫管理系統向上層提供全面的資源訪問支持，屏蔽數據源差異，接受應用邏輯層傳來的對數據庫數據的操作要求，實現對數據庫數據的查詢、修改和更新等。

    這種體系結構的本質在于通過對服務功能的分布實現分工服務。客戶機主要負責管理用戶界面，接收用戶數據，處理應用邏輯生成數據庫服務請求，然后將這些請求按照一定的格式返回給用戶。客戶端不直接與數據庫交互，所有的業務處理都放在了中間層的應用服務器上，一旦數據庫結構或業務邏輯發生變化，只需要修改相關的業務邏輯組件，無需對客戶端做任何改動，大大降低了系統的維護成本。

5 總結

    在整個系統實施周期內，始終有關鍵用戶陪伴著MES的開發始末，客戶的意見和想法給了MES人很多思路。在軟件的開發過程中，以月為單位進行開發，每個月底MES會發布小版本更新用戶手冊，提供現場培訓和跟蹤指導，以供更多用戶進行方便快捷地體驗，進一步匯集用戶的意見和問題，從而制定下一個月的工作計劃和任務。通過小版本發布和計劃矯正的不斷循環過程，關鍵用戶、普通用戶與整個MES開發團隊達成共識，并得到高層領導的支持和協助，使得MES生產管理模塊具有本冶煉企業生產制造的特點，在既保證車間之間生產流程的連續性和整體性之外，MES還通過良好的解決方案將特殊業務特殊處理，這樣，車間生產原有的手工報表記錄和人工跟蹤工作輕松地被MES中生產管理功能模塊所替代。底部控制層的數據通過接口傳遞給MES，MES將生產結果和問題通過接口上傳給ERP，ERP將生產任務和生產指令通過接口下達到MES車間，車間調度指揮各崗位工人更有效地完成工作，整個生產過程通過MES橋連接形成一個有序的信息環路。

    由此可見，MES不僅能夠解決企業內部信息的生成和管理決策層的矛盾，而且幫助制造企業逐漸實現從人工粗放式管理到系統精細化管理，將有限的資源合理配置使用以最大化實現生產制造效益。