基于Intrack平臺的MES系統的設計與實現

王彥桂 梁永宏

1 前言

工廠制造執行系統(MES)是處于計劃層和控制層之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行。MES國際聯合會(MESA)對MES的定義如下[1]：MES能通過信息的傳遞對從生產命令下發到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠中有實時事件發生時，MES能及時對這些事件做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行約束和處理。

制造現場往往是連續作業的，系統的任何故障導致的停工、緩工都將引起企業損失。因此充當制造現場管理角色的MES系統必須非常穩定，保證企業連續生產的要求。現場作業發生的情況多種多樣，現場MES系統應考慮現場管理中可能出現的情況，應能夠滿足現場管理的各種需要，突出系統穩定性和兼顧靈活性[2]。

實施大型MES系統需涉及大量的生產制造知識和管理知識并包含復雜的數據關系，使得選取強大穩定的MES平臺軟件成為實施MES系統的首選方案，Intrack就是這樣一個軟件平臺。選取平臺軟件之后就可以圍繞現場的生產工藝過程和設備績效管理要求等進行MES系統的設計和實施。

2 Intrack簡介

美國Wonderware公司是MESA的成員，Intrack是其 FactorySuite軟件系列產品中的用于構建 MES系統的軟件開發平臺，實現對工廠生產過程的跟蹤。Intrack主要由Intrack ModelMaker及Intrack Runtime兩部分組成，它們共同形成了一個基礎平臺，使構建MES變得更加方便、快捷[3]。

MES系統需要針對具體的生產流程進行計劃、監控、調度、追蹤，在每一個工序，它需要將物料、設備、人員等生產資源進行統一管理，并根據工序路線、BOM 等進行調度和監控，同時結合生產時間進行數據記錄。因此必須能夠將工序路線、BOM 等重要基礎參數進行配置設定。Intrack Modelmaker是一個獨立的應用程序，以圖形化的形式提供生產過程建模，并生成數據庫結構，Intrack數據庫目前支持Oracle及SQL Server數據庫平臺。

MES系統還必須包含大量的前臺程序，以進行生產線上實時數據顯示、收集和錄入。這些前臺程序對后臺數據庫進行訪問，并記錄各種動態數據。

ModelMaker的主要功能是進行生產過程建模，它通過創建相互聯系的各種結構對象，來詳細描述生產模型， 并構成整個系統的基礎。Intrack能夠以直觀的圖形化方式，通過拖動或點擊進行以加工路徑為核心的建模工作。

ModelMaker可創建包括工作日歷對象、場所對象、物料對象、操作指令對象、設定模版對象、數據集模版對象、工序對象、加工路徑對象等。

3 MES系統功能結構設計

企業生產的整個流程大致上包括了以下幾大環節：供應商質量控制、原輔料檢驗、原輔料倉庫和配送管理、車間配置生產、成品檢驗和成品包裝管理。為了保障安全生產規范的落實，企業的管理人員都應該緊密參與到日常生產管理中，將每個產品批次的生產過程產生的數據都完整地記錄下來[4]。

以一個批次生產的企業為藍本設計的基于Intrack實施的MES系統結構如圖1所示。將MES系統分為生產運作管理子系統和生產執行管控子系統，運作管理子系統完成與 ERP系統的交互，執行管控子系統完成于設備層的交互。

圖1 MES系統功能結構圖

4 利用擴展功能進行模型優化

在生產建模工具中，系統對常用的對象應定義了屬性，雖然在大多數情況下能滿足要求，但在實際應用中還可能需要擴展。例如對場所對象、要求名稱、面積等屬性。Intrack提供了用戶自定義（UDA）這一機制來進行擴展，可以方便地向對象添加屬性。

Intrack給我們提供了MES系統所需的總體數據框架，有時一些應用邏輯并不包含在該框架中，Intrack提供了用戶自定義表（UDT）來定義這些數據，這些數據可以經Intrack Runtime進行數據訪問。

在同一生產線，可能要同時生產滿足不同客戶需要的產品，這些產品在局部存在差異[5]。Intrack的客戶自定義功能使我們只需要對原始模型做簡單修改，就可表達出不同的用戶需要。

利用Intrack可建立優化的MES詳細對象模型如圖2所示。

圖2 MES詳細對象模型

5 設備績效指標設計

設備實時運行績效在MES系統中至關重要，通過以下幾點可以了解設備利用率與性能情況：○1了解生產瓶頸；○2進行生產損耗及事件的分析；○3了解實際進度并進行計劃的對比。

設備的利用方面，Intrack能夠檢測和獲取停機事件，查看設備事件，監控和記錄設備狀態，自動或手動分配原因代碼，根據要求預置利用率分析。

Intrack可為設備/生產線計算 OEE(overall equipment effectives)，觸發事件和顯示，分析事件頻率和持續時間。實時地為操作員提供關于訂單進度的清晰指示，計算OEE其它關鍵參數的同時，能夠評測預期的完成日期與時間。工廠時間分配如圖3所示，利用此模型可以方便地設計工廠設備績效指標。

圖3 工廠時間分配圖

設備實時運行績效參數計算公式如下：

6 MES系統實施過程規劃

為大型企業實施一個MES系統是一個復雜的系統工程，對實施過程也要進行精心設計規劃，保證項目能夠成功，可以用以下幾個步驟來設計與實施MES系統：

（1）、系統的需求分析。進行企業生產管理體系的現狀調查，包括組織機構、企業生產運作過程（包括采購供應過程、原輔料庫存管理過程、生產制造過程、成品管理過程及質量管理過程等）的調查分析。

（2）、合理抽象過程。分析調研生產企業的生產管理需求并進行深入抽象分析。

（3）、確定系統結構。系統以數據訪問層和數據層為基礎，以包含系統控制組件和業務服務組件的服務組件層為核心，通過對平臺軟件組件調用及業務應用服務組件的二次開發形成系統結構。

（4）、建立系統的功能模型。利用平臺參考本文涉及建立企業采購管理、庫存管理、生產計劃與生產指令管理、質量檢驗與質量保證、成品管理等生產運作管理功能。

（5）、建立系統的信息模型。根據系統的功能需求確定相應數據信息流向和描述內容，采用數據庫設計工具，建立系統的信息模型。

（6）、設計本平臺內部及與其他應用系統的信息接口。要求系統具有較好的開發性，接口設計規范，自身封裝嚴密。

（7）、系統編程與調試。完成系統主要功能的開發，并進行相關功能的調試與測試。

（8）、系統實施與應用效果評估。根據實際應用情況，對應用的效果進行評估，不斷完善應用系統。

7 結語

根據實際設計實施MES的情況，采用Intrack可使系統開發人員將精力集中于生產模型的抽象和建立上，明顯簡化數據庫的設計，降低客戶端開發工作量，使用本文理念為某知名制造企業設計實施的MES系統獲得了客戶及業界廣泛好評。

[1] MESA International, “MES Explained: A High Level Vision”White Paper6 (Pittsburgh: Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997)

[2] 饒運清.MES-面向制造車間的實時信息系統[J].信息技術,2002,02

[3] Wonderware, Intrack 7.1 Developer Guide

[4] MESA International, “MES Functionalities & MRP to MES Data Flow Possibilities,” White Paper2 (Pittsburgh:Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997)

[5] 王俊彪等.制造企業復雜信息對象編碼結構模型[J].現代制造工程,2007,07