基于制造執行系統的紡紗企業智能化轉型探討

葛陳鵬 季 承 糜 娜 潘如如 高衛東

（1.江蘇格羅瑞節能科技有限公司，江蘇無錫，214101；2.無錫一棉紡織集團有限公司，江蘇無錫，214000；3.江南大學，江蘇無錫，214122）

當前國際市場的貿易競爭越發激烈，“小批量，多品種，快交貨”的商業模式逐漸成為主流。而當前我國傳統的紡紗企業采用的運行管理模式仍較為落后，企業內部信息主要通過人工傳遞，導致企業指令流轉效率與任務響應速度低下，同時產生較高的人工運維成本，這使得傳統紡紗企業無法很好地適應這種市場環境。利用計算機、通信和網絡為核心的現代信息技術進行有效整合，提高企業運行和資源利用，特別是信息資源深入廣泛利用的效率，進而提高企業的核心競爭力，是企業面對競爭和挑戰的必然選擇［1］。

隨著用工成本的快速增長，對于勞動密集型的紡紗行業而言，實現生產的自動化、智能化迫在眉睫［2］。利用現代工業互聯網、傳感網、大數據、人工智能等關鍵技術，提升紡織企業信息化與智能化水平，穩定紡紗質量、提高生產效率、降低用工成本、優化企業管理格局、實現智能化轉型，已成為我國傳統紡紗企業面臨的巨大挑戰。《紡織行業“十四五”發展綱要》亦將大力發展紡織智能制造，持續優化生產效率與生產模式，保障產業穩定、安全發展作為紡織行業在“十四五”時期推動高質量發展的重點方向之一。

制造執行系統（MES）是現代集成制造系統中制造管理自動化領域的一項重要技術，它是定位于企業上層ERP 與底層設備自動控制系統之間、面向車間作業層的管理系統［3‐4］，是現代智能化工廠不可或缺的組成，MES 負責從生產現場收集生產數據，集中管理、傳遞、存儲生產數據，統籌維護生產數據庫，實現生產現場的實時監控、實時反饋、管理優化、敏捷響應等。

縱觀當前成果，已有相當一部分大型紡紗企業開展了數字化轉型。如江蘇大生集團有限公司［5］、武漢裕大華紡織服裝集團有限公司［6］、新疆溢達紡織有限公司［7］等，基于自身在數字化轉型過程中的經驗，對多數字化系統的獨立構建與集成開展研究。目前紡紗企業常配備不同品牌的設備，具有獨特的管理方式，這都對MES 的通用化設計提出了更高的要求。因此，圍繞江蘇格羅瑞節能科技有限公司在多家紡紗企業的實踐，提出一種通用的紡紗MES 構建方案，同時圍繞MES對于紡紗智能化轉型的發展趨勢進行探討。

1 紡紗企業MES 架構

江蘇格羅瑞節能科技有限公司憑借著自身在紡紗行業內的多年生產運營管理經驗的積累，自主研發了一套適合紡紗行業通用的MES 平臺。該平臺將工業物聯網、工業互聯網技術引進紡紗車間，輔助企業實現生產模式的創新，實現增產增效、降本增效、減人增效、提質增效。

基于對多家紡紗企業的生產模式與應用需求的深入調研，江蘇格羅瑞節能科技有限公司為紡紗企業制定了一套通用的MES 架構模型，如圖1所示。

圖1 紡紗企業MES 架構模型

該模型從基礎服務、業務邏輯、終端應用3 個層級，對紡紗企業MES 進行了層次化建模。其中，基礎服務層的主要對象包括系統運轉所需的軟硬件基礎需求，包括數據庫管理方法、消息處理技術、數據緩存模式、生產數據獲取策略等；業務邏輯層主要面對MES 涉及企業生產數據的存儲、調用、分析等維護與管理需求，包括產量管理、設備管理、工藝管理、質量管理、人員管理、能耗管理等；終端應用層主要應對MES 的頻繁交互需求，從生產現場與遠程管理兩大應用群體出發，對相應配套軟件功能模塊進行建模。

2 紡紗企業MES 的工作流程

基于上述模型構建的MES，能夠有效對接具有不同生產結構與管理需求的紡紗企業，實現個性化功能的定制化、模塊化開發。通過系統化設計，結合紡紗企業的生產現場管理模式，MES 能夠輔助建立流程化、標準化的生產管控體系，確保生產過程中的各項管理數據透明化，實時追溯生產訂單，從而輔助實現精細化管理。

目前，我國紡紗企業大部分采用的都是基于訂單的生產模式。從一個訂單的生命周期看，紡紗企業MES 能夠監控訂單生命周期中的每一個環節，包括訂單生成、工藝單制定、制造BOM、生產排產、工藝翻改、質量檢測、車間開臺、生產了機、生產報工等流程。其中，由計劃員、工藝員、前后紡車間主任、機修工、質檢員、運轉班等用戶參與操作，對當前生產數據進行登記、錄入、糾正、查詢。實現對人員與機臺生產數據的實時監控與管理，以及對訂單生命周期的跟蹤與預測，同時保證前后流程之間信息交互的實時暢通。

3 紡紗企業MES 的功能與應用

3.1 人員管理

將生產現場的排班管理、人員崗位調整、人員機臺分配進行數字化管理，為生產計件核算提供精準的人機匹配數據。

3.2 機臺管理

包括主機設備和輔機設備，針對主機設備實現生產工序全流程數據采集監控，及時獲取主機設備面板上的運轉工藝數據、設備工藝數據和產量效率數據；針對輔機設備實現實時數據的采集監控。

3.3 物料管理

實現成品、下腳料、包裝料、機配件、原料以及其他耗材等物料數量的耗用和產出的統計與分析。

3.4 工藝及配棉管理

包括工藝項目分類、品種工序級生產工藝版本、品種配棉版本等信息，為生產現場管理建立完善的工藝庫知識體系。

3.5 環境管理

包括生產現場各區域的空調溫濕度以及風壓壓力數據采集等信息，對比生產質檢過程中所存在的現象，可以為生產進行多維度質量排除式分析提供有效實時數據。

3.6 效率管理

綜合生產設備效率與生產運轉效率，監控并維護生產的綜合效率。生產設備效率主要以時間作為衡量標準，生產運轉效率主要以產量作為衡量標準；從產量和時間兩個維度進行分析，產量包括各工序生產品種的理論產量和實際產量，結合生產現場設備自身的屬性（錠數）進行分析空錠數量；時間包括運轉有效時間、維修保養時間、設備停機時間等。

3.7 質量管理

質量檢驗主要包括在線檢驗和離線檢驗。在線檢驗主要包括紡紗品種的重量檢驗和主機設備自身的檢驗指標，例如：絡筒電清檢驗數據、并條自調勻整數據等；離線檢驗主要包括紡紗的重量檢驗、條干檢驗、強力檢驗、捻度檢驗以及USTER 的成紗檢驗指標；通過各項檢驗指標結合生產運轉的品種和對應的機臺以及時間刻度，追蹤質量異常反饋。

3.8 成本管理

生產現場的成本管理主要關注工費成本的管理。從人工成本角度，可以結合工廠自身的績效管理特點，計算臺時工資，根據人員的考勤工時，例如常規工時、加班工時、加點工時以及假日工時等進行人工成本的歸集和分配；從制造費用角度，可以重點關注機配件的消耗成本，結合單錠消耗指標進行量化分析，同時可以將包裝成本以及物流成本以BOM 管理方式折算為噸紗包裝成本；此外，涉及設備折舊、機臺能耗等公共設備成本分攤，也可以根據品種實際生產能力的大小進行合理分攤。

3.9 用戶終端

紡紗企業MES 提供面向企業管理者、企業操作者等兩大用戶群體的配套終端軟件，能夠實現如下功能。一是利用移動終端技術，將人員產能和設備自動掛鉤，實現柔性派工、產量自動統計；二是生產訂單及批次的實時下達，精準掌握和統計各訂單生產批次的生產進度；三是貫通工藝、計劃、設備循環改善執行體系，養成設備點檢、揩車預防作業標準；四是通過生產工序行駛看板，統計各班效率、人員產量排名等，提高生產積極性；五是對現有的數據深度挖掘利用，做到流程和部門間的數據利用，如噸紗用工、噸紗用電、噸紗機配件消耗等。

3.10 看板系統

通過集成數據采集系統和數據分析系統，基于圖形仿真技術，采用工程組態模板，研制了可以實時顯示設備運行狀態的看板。看板能夠將生產現場的設備狀況、生產情況第一時間傳達給相應的管理者，同時實時在車間現場展示機臺的運行情況。此外，看板能夠用于細紗工序運行質態的監測，橫向對比不同機臺、不同品種、不同班組的運行狀態，以此促進對生產狀況的總結和分析，進一步提高生產效率以及操作工的工作積極性。

4 技術創新點

4.1 機臺型號普適性

紡紗企業涉及機臺品類眾多，為了能夠實現不同品類機臺與不同類型信號的采集與匯總，基于Linux 及Windows 操作系統，搭建了數據采集跨平臺的軟件和硬件系統。繼而圍繞PLC 終端設 備，采 用 工 業 以太 網、WIFI、3G/4G、CAN、RS232/485/422 等技術，設計并構建了數據采集支持的協議和數據類型。此外，開發了獨創的W‐Script 腳本語言，實現了深度系統開發與簡單易用的結合，支持控制領域常用的Modbus 通信協議，并能與SCADA 系統等第三方系統快速集成。采用該技術方案，已解決了國內紡紗主機設備和大部分國外紡紗主機設備的數據獲取問題。

4.2 管理模式適應性

為了匹配不同企業的個性化管理模式，適應不同的管理需求，在數據應用層，構建了可模塊化拆解的MVP 架構。其中M 層為業務邏輯層，主要用于加載現有的用戶數據以及訂單、余額等數據。V 層為視圖層，主要用于控制顯示數據的方式。而P 層為中間者，主要用于綁定M 層及V層，以有效降低M 層與V 層之間的耦合度，方便應用的擴展。

通過脫離用戶接口來測試邏輯單元，在做單元測試時使用MVP 對Presenter 進行測試，通過編寫Mock Object，即通過實現Model 和View 的接口測試以實現Presenter 邏輯。系統軟件采用前后端分離的開發技術，使前后端能夠實現獨立的開發，根據企業需求便捷地實現不同的功能；同時在應用上采用多層緩存設計，有效保障對大數據訪問的靈活性。采用該技術方案能夠快速實現的功能案例如下。

第一，班次產量對比。對班組人員績效進行對比管理，圍繞實際產量和標準工藝產量進行分析，同時分析每個班組的噸紗能耗運行管理狀態，顯示的內容為當前生產班組和最近上一個班組的生產運行狀態對比。

第二，品種結構分析。從品種結構角度分析每個品種的噸紗耗電情況和產量情況，同時可以從品種結構角度分析實際產量與標準工藝產量之間的盈虧關系。

第三，生產運行質態。反應車間的生產運行狀態和相關生產運轉的KPI 管理指標，包括開臺品種、停機設備、運行設備、當日產量、當日能耗等信息。

第四，機臺實時監測。反映車間當前生產設備的產量趨勢、能耗趨勢以及每個機臺的瞬時產量、瞬時車速、瞬時能耗等關鍵生產指標趨勢。可以用來對比同種紗號不同機臺的生產能力和噸紗耗電對比，提高機臺間的看臺運轉效率。

4.3 信息反饋敏捷性

為實現生產數據的敏捷反饋，針對生產車間管理業務數據，采用大型關系數據庫SQL SERV‐ER 或Mysql 和分布式數據方案，構建了分庫規則和路由規則。引入集群的概念，保證數據的分布調用效率；引入負載均衡策略，避免因不均衡的數據訪問導致的信息傳遞時延；引入集群節點可用性探測機制，對單點機器的可用性進行定時的偵測，以保證LB 策略的正確實施，以確保系統的高度穩定性；引入讀/寫分離，提高數據的查詢速度。

4.4 數據安全穩定性

在系統設計上，強化權限管理功能，具有多級安全機制；系統采用大型關系數據庫，有嚴格的口令驗證機制，可輔助制度上的約束以確保數據不會被非法用戶所獲取。此外系統與外部被訪問設備之間的通信采用只讀方式，寫授權被禁止，防止生產數據的非法篡改。

采用大數據云端管理技術，將海量生產數據備份在云端，保障信息安全穩定。使用分布式數據采集和存儲技術，采集和存儲功能可以被分散在各通信與數據采集單元中；數據存儲于多個獨立數據庫，利用數據存儲冗余保障數據安全性。

4.5 信息互聯暢通性

紡紗企業MES 利用傳感器、通信、總線、數據庫、物聯網等技術，將紡紗企業單機設備的運轉數據、產量數據、質量數據（如異纖分揀機、電子清紗器等）、設備的用電數據、人員、環境溫濕度、空壓、除塵系統、電力供應、ERP 數據等相互獨立的信息流集成在一個平臺上，消除生產過程的黑箱運行，實現紡織工廠的敏捷化、透明化、數字化生產和現代化管理；并且建設企業大數據平臺，加強系統融合，解決信息孤島多的問題，從而提高企業的信息化水平和作業效率。

5 紡紗企業MES 的實施成效

該系統已在遠紡工業（無錫）有限公司、天虹紡織集團有限公司等企業得到了應用，有效改善了傳統的管理模式，提高了企業運行效率，得到了用戶的廣泛認可。圍繞MES 構建的智能化車間，有效輔助企業改善了成本、用工、效率、質量以及能耗管理等多方面的運營水平。以遠紡工業（無錫）有限公司為例，實施成效如下。

（1）生產運營成本。紡紗企業MES 能夠監控企業每一個生產環節的成本與效益，輔助管理者優化運營方案，使得總生產運營成本降低22.48%。

（2）車間用工。紡紗企業MES 能夠提高不同環節之間的信息流通，提升響應速度，使得以往需要人工落實的工作得以自動化。智能紡紗車間建成后，車間用工降低率達4.13%，且人員作業積極性得到了廣泛的提高。

（3）生產效率。紡紗企業MES 將生產過程的每一個環節、設備變成數據終端，并進行更深層面的數據分析與挖掘，從而提高效率、優化運營。該系統有效提高了物料和庫存流轉的效率，減少了待機等待時間，綜合生產效率提升達15.53%。

（4）產品質量。在紡紗企業MES 中，每個訂單的每一個生產階段都得到了有效監控，產品不良率大大降低。該系統應用后，全年不良品量降低達58.00%。

（5）能源利用。紡紗企業MES 通過智能設備，實現對廠區各設備的運轉狀態及耗能狀況實時監視，并具備實時警報功能，掌握異常能源使用情況。以紡紗車間為例，其電能利用率在應用該系統后提高率達到12.00%。

6 紡紗企業MES 的智能化發展趨勢

未來的紡紗企業必定是淘汰、改造落后的產能和技術，減少人工參與，以實現自動化、智能化生產為趨勢。當前廣泛應用的紡紗企業MES 普遍仍處在數字化與信息化轉型階段，其中代替人工勞動的功能模塊仍普遍處在生產數據的實時感知、獲取、存儲與調用層面，尚未發展出可靠的智能化決策功能。

此外，MES 的定位在于企業上層ERP 與底層設備自動控制系統之間，其理想化的作用環境是建立在實現全面的底層自動化生產之上的。當前，紡紗企業所面臨的問題在于底層生產實踐無法實現完全的自動化，仍然大量依賴于人工作業。隨著人工智能、機器人、大數據、工業物聯網等技術的不斷發展，紡紗企業的底層作業將逐漸由人工依賴模式向自動化生產模式轉變。由此，紡紗企業MES 的應用價值將得到更進一步的推廣。

智能化人員管理與規劃：分析生產現場不同人員的特長與能力，根據人員自身的工作安排情況，作出使企業生產狀況最優化的人員安排。智能化機物料運維：圍繞企業生產歷史數據作出個性化智能評測，實現包括智能排產、最優化物料分配、智能預測機臺運行狀況、機臺自動響應決策并反饋等功能。智能化工藝制定：根據歷史生產情況，解析生產效能與生產工藝之間的關系，為所有訂單安排最優的生產工藝，或為工藝制定與管理提供指標性指導方案。智能化績效評定：通過分析海量歷史生產數據，智能化分析人員操作情況與企業生產效益之間的關系，由此構建更為客觀、更為有據可循的績效評定體系。

7 結束語

紡紗全流程自動化與數字化是紡紗行業走向智能化的必由之路，其中MES 的深化應用占據著不可或缺的地位。相較于當前應用的MES，江蘇格羅瑞節能科技有限公司通過深入現場調研自主研發的紡紗企業MES，實現了對不同品牌設備的高度適配以及對不同企業管理模式所需功能的個性化定制，同時能夠便捷地對接企業各項獨立信息系統，最終實現生產全流程的人員、機臺、物料、工藝、環境、效率、質量、成本等全方面企業生產信息的數字化云端管理。系統具有良好的機臺型號普適性、管理模式適應性、信息反饋敏捷性、數據安全穩定性、信息互聯暢通性，具有較高的實踐推廣價值。

根據目前紡紗行業MES 的應用實踐，紡紗企業當前能夠實現的是初步數字化轉型。要實現我國紡紗行業的智能化轉型，當前MES 的發展仍需要在車間生產自動化、數據分析智能化、管理模式高效化等多個層面實現突破。這是一個需要長期技術攻關突破的過程，也是未來紡紗行業發展的必然趨勢。