金屬礦山制造執行管理系統的設計與開發研究

余建國，馮梅琳

（江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000）

0 引言

制造執行管理系統（Manufacturing Execution System，MES）是美國AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在90年代初提出的，旨在加強MRP計劃的執行功能，把MRP計劃同車間作業現場控制，通過執行系統聯系起來。

MES是企業信息系統中重要的一部分,它是上層的企業資源計劃系統與底層的工業控制系統之間信息交互的紐帶[1]。MES把業務計劃的指令傳達到生產現場，將生產現場的信息及時收集、上傳和處理。MES作為上層的企業資源計劃系統和底層的工業控制系統的傳遞系統，是連結現場層和經營層，改善生產經營效益的前沿系統。90年代以來，這一方面的探索和研究已越來越引起人們的重視并取得了豐碩的研究成果：文獻[2]從管理過程和制造管理系統沿革的角度討論了MES與其他系統的區別,然后介紹了集成系統中MES的定位,給出了MES成熟度模型；文獻[3]針對ERP和MES的集成問題，分別從產品制造的縱向和物流的橫向兩個方面設計了ERP和MES的集成體系，對企業建立信息化體系有較好的指導作用；文獻[4]針對礦山企業管理控制一體化需求，提出了礦山企業ERP/MES/PCS系統的模型架構，以山東黃金礦業股份公司焦家金礦為實例，進行了具體的應用研究。文獻[5]在礦山生產工序和系統設計目標分析的基礎上，詳細敘述了礦山生產監控網絡方案、網絡視頻系統方案及系統軟件方案；文獻[6]通過對比分析ERP在金屬礦山行業的應用情況，基于成本控制理論，采用基于工作流的構建組裝技術、模糊決策理論、信息融合技術以及數據倉庫等技術，建立面向金屬礦山行業的ERP系統。文獻[7]基于精益供應鏈管理需求，采用模塊化設計技術，對MES系統進行了系統架構設計、功能組件開發、信息采集等關鍵技術的研究；文獻[8]分析了中藥制藥企業對MES系統的需求，提出了以優化整個生產過程為核心的基于知識的中藥制藥企業MES系統的體系結構、功能模塊和系統構建關鍵技術，經過貴州某中藥廠的應用驗證，取得了良好的效果；文獻[9]針對汽車主減速器裝配生產線現場管理信息化程度不高的現狀，提出采用MES系統對生產裝配線進行實時監測、控制和管理，實踐證明使用MES系統能有效提高汽車主減速器裝配生產線的工作效率，提高現場管理水平；文獻[10]從MES的概念、集成性、同其他信息化系統的集成以及集成發展的趨勢進行了系統分析和研究；文獻[11]針對有色企業生產過程中庫房管理效率低下等問題，采用條碼技術、自動堆垛技術、自動盤庫算法等，提出了基于自動盤庫算法的庫存管理軟件設計及其實現方法。文獻[12]針對MES系統提出一種基于可重構流程模型和組件技術的流程進化實施方法，結合某航天企業的開發實施驗證了該方法的可行性；文獻[13]針對電子聯裝MES系統設計了系統的功能架構，對系統進行了開發和應用驗證；文獻[14]利用B/S框架、數據庫技術、ASP.NET技術和C#作為后臺語言實現了經編廠MES系統軟件的主要管理功能，實現了經編車間的網絡化管理；文獻[15]采用面向服務的整體架構思路,將礦山企業中的政務和業務系統以服務模塊的形式進行組織重組，并通過物聯網、互聯網將企業的生產、管理、銷售等各個環節串聯起來，形成統一整體，集成為綜合智慧礦山系統。

上述研究，極大地推動了MES系統的設計、開發和實踐應用探索。MES在發達國家已實現了產業化，其應用覆蓋了離散與流程制造領域，并給企業帶來了巨大的經濟效益。國內MES已在鋼鐵、石化等流程生產行業得到成功應用并開發完成了若干自主產權的MES系統，如上海寶信MES、中國石化MES系統等。金屬礦山作為我國的戰略資源產業，在經濟發展方式轉變的趨勢下，精益化、網絡化、服務化制造執行管理技術將是提高企業管理水平的有效手段[16]。目前部分金屬礦山企業在信息化建設的過程中，使用了MRPII和ERP系統，企業中上層計劃的管理精度得到了較大的提高，但車間一級的管理還明顯不足，相應的執行管理系統的應用還非常少，MES在金屬礦山企業的應用還處于探索階段，有待進一步的深入應用。因此設計和開發適應我國金屬礦山企業未來發展的MES系統對提高礦山企業的執行管理水平、增強核心競爭力具有重大的意義。

1 金屬礦山制造執行管理現狀

通過部分典型金屬礦山企業的調查和分析，我們發現由于歷史及技術原因的影響，其車間層面的管理體制相對落后，信息化水平相對較低，車間制造執行管理存在的主要問題表現在以下幾個方面：

1)信息化起點較低：金屬礦山企業數量大、地域分布廣、經營狀況參差不齊。隨著信息技術的不斷普及和企業效益的提高，ERP在部分金屬礦山企業得到了一定程度的應用，并取得了階段性成果，但絕大部分中小型礦山企業在信息化建設方面還明顯滯后，特別是面向車間層的信息化建設如MES系統的應用還處于初步探索階段。眾多的中小金屬礦山業務流程、管理還不夠規范，人員素質水平不足，資金投入不足，導致車間制造執行管理的現實水平和實際需求有較大的差距，越來越不能滿足企業精益執行管理的需要。

2)信息孤島嚴重：大部分金屬礦山企業在信息化建設的過程中，雖然已經引入一些通用的計算機軟件如生產管理、設備管理、勞保品管理、倉庫管理等軟件系統。但是，由于沒有統一的規劃和信息平臺，部門之間的信息不流暢，形成了各個信息孤島；特別是缺乏制造執行管理系統，導致上層的ERP計劃和下層的作業執行控制脫節，無法實時掌控生產現場的信息，生產過程的不透明和信息滯后嚴重地影響了生產和計劃決策。

3)缺乏普適模式：金屬礦山行業構成比較復雜，既包括單一類型的離散生產型企業，如采礦企業、選礦企業和冶煉企業，也包括采選、選冶以及采選冶一體化混合流程企業。不同的企業往往采用不同的工藝流程，生產不同的產品，隨著生產條件的變化，同一企業在不同的階段也有可能采取不同的工藝流程。目前MES系統應用較成熟的領域，仍是以制造業等為代表的標準行業，作為一種先進的制造執行理念在礦山企業，尤其是金屬礦山企業的應用還處于探索階段，沒有一種在金屬礦山企業普遍適用的MES應用模式。

4)數據實時性差：金屬礦山制造執行數據采集自動化水平低下，基本采用手工方式管理，在底層數據的實時采集、多源信息融合等方面非常薄弱，難以滿足精細化實時管理需求。部分企業在應用MES系統的過程中，采用自動數據識別和采集工具，數據采集精細化和實時化得到了較大程度的提高，但MES和PDM、ERP等系統的集成不夠完善，數據的價值得不到應有的體現。

5)行業標準不統一：現有MES系統通常針對特定需求，很難應對企業業務流程的變更或重組。由于缺乏基于工廠數據模型的數據集成技術，系統的可配置性、可重構性較差，嚴重制約MES系統的推廣應用。

6)智能決策不足：由于缺乏智能機制，現有金屬礦山MES系統在海量數據的采集、處理和利用方面構成了管理和決策瓶頸，通常需要大量的人工干預，不利于整合和分析海量的跨地域、跨部門、跨工種的數據和信息的智能決策。在數據分析和處理方面，一些前沿的商業智能技術如數據倉庫技術、線上分析處理技術、數據挖掘和數據展現技術等的應用還普遍不足，導致制造現場數據的商業價值無法得到完整地體現。

2 金屬礦山MES系統必要性分析

針對金屬礦山企業制造執行管理的難度和現狀，迫切需要設計開和發適應我國金屬礦山自身特色的制造執行管理系統來進行解決。

1)針對金屬礦山信息化起點低，制造執行管理環節薄弱等現狀，為改善上層企業資源計劃環節和底層工業控制環節的信息和管理脫節問題，必須在車間作業執行層加強管理和監控，而MES系統正好是解決制造現場和執行管理問題的強有力工具。因此，進行金屬礦山 MES 系統的設計、開發及應用是當前礦山企業精細化和實時化現場管理的需要。

2)金屬礦山工藝過程一般都比較復雜，現場工作環境比較差，制造現場人員的信息化素質普遍不高，導致制造執行層的管理水平跟不上企業發展的要求；同時，金屬礦山大部分產品價格昂貴，受各種外圍環境的影響，市場需求和價格波動幅度較大，而企業預測和管理很大程度上依賴于經驗，導致管理技術和水平不能適應市場競爭的要求。迫切需要設計、開發和應用MES系統來加強作業執行層的規范化管理，提取有價值的決策信息，提高企業決策的水平，降低企業經營風險，提高企業競爭力。

3)國外已經有成熟的MES 商品化軟件，在制造業和石化等行業也取得了較好的效果，但在國內金屬礦山企業的應用中，由于工藝流程、管理體制、管理方法和管理文化的差異，不能完全適應企業的需求；其次，除價格昂貴和售后服務較難外，國內礦山企業的技術力量薄弱，軟件二次開發和優化面臨較大的困難。因此，設計開發適應我國金屬礦山企業自身管理特點的MES系統是提高企業執行管理水平的有效途徑。

3 金屬礦山MES系統設計

3.1 MES系統目標設計

MES系統的主要目標設計如下：在金屬礦山企業中，運用現代網絡技術和信息技術通過MES系統完成工單排程規劃、自動采集生產實時信息、有效的掌控作業進度，實時監測產品及工序質量、進行工序質量控制與分析，監測設備的運行狀態，優化控制物料庫存，使得制造現場信息得到最大程度的共享和利用，提高各個部門的協同決策水平。通過MES系統的實施和應用，提高金屬礦山企業的設備利用率、縮短生產周期、改善產品品質、降低庫存和節約生產成本，最終提高企業的競爭力和信息化建設水平。

3.2 MES系統功能設計

基于模塊化設計方法，金屬礦山MES主要功能設計如下：

1)ERP計劃接口：主要包括ERP計劃信息讀取、數據交換和MES訂單排程等功能。

2)礦山生產排程：主要包括排程規則管理、排程算法管理、訂單組批優化、工序能力核算、工序作業計劃和甘特圖顯示等功能。

3)礦山生產調度：主要包括作業調度算法、緊急訂單調度、資源故障調度和人力資源調度等功能。

4)生產執行監控：主要包括生產數據采集與統計、計劃執行進度管理、生產視頻監控和安全監控等功能。

5)作業成本管理：主要包括產品動能單耗、作業直接成本消耗、作業成本管理、成本分析、成本核算、成本報表和成本控制等功能。

6)產品質量控制：主要包括工序質量采集、工序質量統計、質量問題識別和質量控制等功能。

7)設備資源監控：主要包括資源基礎信息、設備資源運行信息、維修信息、維護信息和設備資源在線監控等功能。

8)統計分析圖表：主要包括統計報表管理、統計圖表管理、數據統計分析等功能。

9)礦山智能決策：匯總系統數據進行統計分析和信息的智能挖掘，為各項考核和決策提供依據。

3.3 MES集成流程設計

金屬礦山MES系統集成包含作業車間內部功能集成和外部的功能集成兩個方面，考慮到金屬礦山的實際情況，內部集成主要考慮各個工序車間的工藝有效銜接，外部集成主要考慮MES同上層計劃層（ERP）的集成和下層工業控制層（PCS）的集成。以多工廠協同管理為主線構建的MES系統整體流程如圖1所示。

圖1 金屬礦山MES集成流程設計

3.4 MES系統數據模型設計

目前數據模型主要分為層次模型、網狀模型和關系模型三類，層次模型和網狀模型采用格式化結構。關系模型為非格式化的結構，用單一的二維表的結構表示實體及實體之間的聯系。由于關系模型嚴格符合現代數據模型的定義，數據結構簡單清晰，用戶性能好，具有集合處理能力，并有定義、操縱、控制一體化的優點，目前得到了廣泛的應用。在關系數據庫模型的設計方面主要的建模工具有Visio、Erwin、PowerDesinger、Rose等軟件。本文采用PowerDesinger軟件設計開發的MES物理數據庫關系模型（部分代表模型）如下圖2所示。

4 金屬礦山MES系統開發

4.1 系統技術架構分析

在系統開發技術選擇方面，本文主要考慮以金屬礦山企業下幾個方面的需求和發展趨勢：

圖2 金屬礦山物理數據庫模型

1) 網絡化管理發展需求：以金字塔型直線管理的傳統管理模式具有一定的積極作用，但是隨著新經濟時代的到來，這種模式面臨信息交流手段匱乏、信息反饋滯緩和信息資源利用不足等諸多問題，迫切需要利用現代信息網絡技術改善傳統管理模式；同時，部分企業存在跨地區甚至跨國經營的要求，因此為便于各個制造車間的信息集成和有效協同運作，系統開發要考慮網絡化管理趨勢。

2) 跨平臺集成需求：MES需要和上層計劃層（ERP系統）、下層工業控制層（PCS系統）及產品數據管理層（PDM系統）進行有效集成，相關系統在開發技術及運行平臺上的各種差異性導致集成的復雜度和難度大大增加，因此，在MES系統的開發方面，跨平臺集成開發技術顯得非常的關鍵。

3) 管理維護簡單化需求：金屬礦山企業信息化資源及人力水平有限，在系統實施和后續維護方面最大程度地減少系統維護的難度和復雜度。

根據上述MES系統開發技術及需求分析，本文采用了J2EE 框架技術和B/S結構模式來進行系統開發，系統框架結構共分為客戶端、業務層、訪問層和資源層等四個層次，如圖3所示。

圖3 MES系統J2EE技術開發框架

J2EE基于Java 2技術平臺，其應用程序不依賴任何特定操作系統、中間件、硬件，只需開發一次就可部署到各種平臺，有效解決了系統的跨平臺集成問題；B/S多層架構將信息顯示、業務運算和數據庫操作等功能完全分離，使得系統具有良好的可維護性和可擴展性；JavaBean將一些系統關鍵功能對象進行打包和封裝，方便其它開發者通過內部程序或者應用來使用這些對象，極大地降低了系統開發的復雜度，提高了系統的開發效率。J2EE為開發具有可伸縮性、靈活性、易維護性的MES系統提供了良好的技術機制。

4.2 MES系統功能開發

本文采用tomcat作為WEB服務器，SQLServer作為后臺數據庫管理系統，Myeclipse作為系統編碼和測試集成工具進行了MES系統的開發和測試工作。鑒于篇幅原因，對部分關鍵功能模塊的開發簡介如下。

1) 系統主界面

MES系統主界面如圖4所示，該模塊圍繞登陸人員角色及權限按模塊顯示了與其相關的通知信息、公文信息、計劃信息、資源狀態信息、質量信息和相關統計信息，輔助各類人員進行信息查詢和快速決策。

圖4 MES系統主界面

2) 作業計劃調度模塊

MES系統作業計劃調度模塊如圖5所示，該模塊主要對金屬礦山的礦石開采、破碎、粗選、精選和冶煉等環節工序進行作業計劃的編制和作業調度的管理。基于資源約束、設備約束和產能約束，結合調度優化算法對各作業訂單進行資源的合理分配和交貨期優化安排。

圖5 MES作業計劃調度模塊

3) 作業成本管理模塊

MES系統作業成本管理模塊如圖6所示，該模塊通過對生產過程中物流的實時監視和成本數據采集，進行在線工序成本分析、控制與管理。

圖6 MES作業成本管理模塊

4) 智能決策統計模塊

MES系統智能決策統計模塊如圖7所示，該模塊基于利潤、投資等、產量、庫存、作業成本和能耗水平等指標的統計分析，通過實時監控和過程控制統計分析，及時發現生產過程中質量、工藝、能耗、環保、工序成本等差異波動，采取措施進行控制和優化。通過數據挖掘與分析，進行管控指標體系的重構以適應制造環境和流程的改變。

5 結論

圖7 MES系統智能決策統計模塊

系統開發完成后，經過德興銅礦、宜春鉭鈮礦和銀山鉛鋅礦等多家金屬礦山企業的示范應用，極大地提高了企業制造現場執行管理的水平，具體表現在以下三個方面。

1) 通過MES系統企業可以及時動態地跟蹤掌握制造現場作業訂單執行信息、作業計劃進度信息、設備利用信息、工序質量信息和作業成本信息，分析并利用相關信息進行執行管理決策分析，極大地提高了企業制造執行管理智能化水平。

2) 通過MES系統實現了上層ERP系統和底層PCS系統的無縫集成，有效解決了信息的脫節問題，實現了企業整體業務流程的優化，提高了企業的整體管理水平和管理效率。

3) 通過MES系統的實施應用，使得金屬礦山企業車間數據準確性平均提高了25%左右，計劃準確性平均提高了25%左右，資源利用率平均提高了10%左右，節省管理成本15%左右，實現了信息的共享化、決策的科學化、調度的協同化、統計的精準化和考核的規范化，有效地提高了礦山企業制造執行管理的總體效率和信息化建設水平。

[1] 李昊晨,郭洪凌,高挺.基于ClickOnce技術的MES人機交互程序的設計與實現[J].制造業自動化,2013,35(8):35(8):153-156.

[2] 孫彥廣,劉曉強,顧佳晨,張強.制造執行系統(MES)的定位[J].冶金自動化,2003,(5):14-17.

[3] 叢培勇,范玉青,劉忠獻. ERP與MES集成關系研究[J].制造業自動化,2007,29(8):1-5.

[4] 徐波,胡乃聯,張培科.礦山管控一體化體系結構[J].金屬礦山,2008,(10):103-106.

[5] 張力,姜均文.生產監控系統在烏山銅鉬礦的設計與應用[J].黃金,2009,30(4):27-31.

[6] 叢方杰,劉正,張進強.ERP在金屬礦山企業的應用研究[J].中國礦業,2011,20(8):106-108.

[7] 鄧汝春,郭孔快.基于精益供應鏈的制造執行系統MES的研究[J].工業工程與管理,2012,17(4):114-120.

[8] 黃海松,謝慶生,李少波.基于知識的中藥制藥企業MES[J].系統工程理論與實踐,2012,32(1):164-170.

[9] 黃道業.汽車主減速器裝配生產線MES系統的設計與實[J].機械科學與技術,2012,31(10):1670-1675.

[10] 劉建軍.制造執行系統(MES)集成性探討[J].煤礦機械,2012,33(7):276-278.

[11] 呂蘇環.有色企業MES建設中庫存管理子系統的設計與實現[J].自動化儀表,2012,33(12):25-32.

[12] 李亞杰,何衛平,陳金亮,董蓉,和延立.可重構流程模型驅動和組件化的MES流程進化[J].計算機集成制造系統,2013,19(4):735-744.

[13] 王麗虹,成平,楊冬.建立軍品電子裝聯MES系統[J].制造業自動化,2013,35(7):22-25.

[14] 朱啟,蔣高明,叢洪蓮,張愛軍.基于B/S結構的經編MES系統[J].紡織學報,2013,34(1):128-132.

[15] 宋震,陳劍,盧冰清,王曼.面向服務的智慧礦山建設[J].資源與產業,2013,15(2):55-59.

[16] 鄭力,江平宇,喬立紅,奚立峰.制造系統研究的挑戰和前沿[J].機械工程學報,2010,46(21):124-135.