智能化生產管理技術MES制造執行系統設計方法

重慶川儀調節閥有限公司 胡建

制造執行系統(MES)用于連接企業資源規劃(ERP)系統和工廠設備控制或監督控制和數據采集(SCADA)應用程序，在工業4.0制造范式中發揮著重要作用。本文針對智能化生產管理技術MES制造執行系統設計方法，首先介紹了MES制造執行系統設計目標；其次探討了MES制造執行系統部署架構；再次分析了MES制造執行系統功能；最后提出了MES制造執行系統模塊設計。所提出的MES制造執行系統設計方法，能夠應用于大部分生產制造企業的智能化生產管理所需，滿足工業4.0時代的發展要求，值得從業人員思考和借鑒。

從20世紀60年代信息系統在工業中首次引入以取代紙質系統開始，它們隨著數據庫系統和計算機網絡的發展而發展，通過支持業務流程、信息流和分析，在制造企業中扮演著重要角色[1]。直到今天，可編程邏輯控制器(PLC)和企業決策管理信息化(ERP)已被納入大多數制造企業的生產系統和管理領域，但更高級別的自動化，如監督控制和數據采集(SCADA)和制造執行系統(MES)依然不是所有制造企業的標準配置。如果沒有更高級別的自動化，制造企業將因技術錯誤而遭受巨大的經濟損失，尤其是MES制造執行系統中使用的工具，例如故障模式和影響分析(FMEA)，可用于通過仔細規劃和設計來排除技術問題，是將生產管理由粗放低效的傳統人工管理方式改進為智能信息化方式，切實實現了企業生產的提質增效和節能降耗目標[2]。鑒于此，本文提出一種MES制造執行系統的設計方法，旨在補充現有MES制造執行系統的設計理論，為相關從業人員提供一定的實踐經驗。

1 MES制造執行系統設計目標

早在20世紀90年代中期，國外的制造企業就已經開始應用MES制造執行系統。MES制造執行系統提供了一種整體實時優化制造過程的方法，將MES與其他自動化系統（ERP、SCADA）相結合，因為功能集成使得生產流程中的各個環節和設備能夠很好地協同工作，以此提高制造企業的生產競爭力。隨著MES制造執行系統技術的成熟，由此衍生出的ISA-95標準明確規定了MES的子系統，并定義了ERP系統、MES和其他自動化系統之間的邊界，為MES提供了設計指南[3]。隨著計算能力在越來越小的單元中可用的發展成為具有高耐熱性的低能量系統以及可靠性和運行穩定性的增長，MES制造執行系統在過去幾年中在非常多樣化的應用領域中變得越來越重。

現如今，隨著與生產相關的活動的優化成為社會各界共同關注的問題，MES制造執行系統的預期目標包括：創新和可持續的模塊化設計；可擴展并適應當地條件的解決方案；優化資源再利用，最大限度地減少生產排放以及提高生產回收，同時最大限度地減少能源需求和基礎設施要求和運營成本。在這種情況下，除了使用SCADA管理低級控制器和擴展調節和控制能力外，MES制造執行系統將涵蓋生產制造的組織、財務和整體管理方法，并將優化管理概念應用于系統。在MES制造執行系統開發過程中，最終用戶的需求和要求在新系統的設計和開發中不斷受到質疑、識別和考慮，以找到合適且實用的解決方案。

具體來說，MES制造執行系統的目的是通過制定以下目標，在更高層次上建立人力資源、材料管理、會計和生產之間的聯系：使用更好的工作流程控制來優化整個供應鏈，并通過高度集成和防止孤立的解決方案降低運營成本；提高用于評估流程和產品的數據質量；提高整個生產過程的可見性和透明度。MES制造執行系統的高可用性、易用性等要求確保了對操作人員的積極支持，與傳統的生產管理系統相比，將在管理水平上有明顯提高。MES制造執行系統由可擴展的模塊組成，具有高度的靈活性和適應性。因此，它適用于不同的地理條件，既適用于農村地區的農業生產，也適用于城市地區的工業制造。總之，MES制造執行系統將在制造環境中的節能、環境影響和財務成本方面提供高效的系統解決方案。

2 MES制造執行系統部署架構

MES制造執行系統由一組硬件+軟件組件組成，使系統管理人員能夠控制整體生產。該系統收集數據并將其轉換為可實時使用的信息，提供有關效率、浪費和能源使用等因素的信息。這使管理層和員工能夠做出更準確的分析和明智的決策。因此，MES制造執行系統的基礎是計劃系統和生產系統之間的連接，從而連接目標與實際比較和收益預覽[4]。具體來說，整個生產企業的系統劃分為三層，過程控制層、生產執行層和企業管理層。MES作為生產執行層的核心系統，在整個企業信息集成系統中承上啟下，是企業生產活動與管理活動信息溝通的橋梁，MES與SCADA/PLC系統、數據庫、模型庫和人機界面（HMI）有直接的接口。

3 MES制造執行系統功能

針對制造企業的生產所需，大部分的MES制造執行系統中都包含以下功能：

（1）產品定義管理功能。這包括存儲、與其他數據系統交換，例如產品生產規則、參數、工藝設定點和數據，所有這些都專注于回答如何在MES制造執行系統中生產的問題。（2）MES制造執行系統資源的管理功能。這包括記錄、注冊和預訂、分析可用資源信息，目的是利用可用和適當的資源準備和執行生產訂單。（3）調度生產過程功能。此功能確定用于生產的操作計劃，作為工作訂單的集合，以滿足從模擬模型接收的生產要求，從而優化利用可用的本地資源。（4）生產性能分析功能。此功能從原始實時收集的有關生產過程當前狀態的數據中生成非常有用的輔助數據和信息，例如進行中的工作(WIP)概述，以及過去一段時間整體設備效率，如機械或任何其他性能指標。（5）生產跟蹤和追溯功能。記錄和檢索相關信息，以便能夠跟蹤生產批次、訂單或設備的完整歷史（在與健康相關的生產中尤其重要，例如食品生產、藥品生產）等。（6）將包括SCADA系統等在內的所有來源的數據提取到公共數據庫中的功能。（7）對MES制造執行系統設備和資源進行檢查，并通知其他系統設備狀態和生產過程的進度的功能。（8）報告功能。這主要是來自MES制造執行系統的信息的可視化。

為了能夠完成上述所有功能任務，MES制造執行系統需要連接到一個數據庫，該數據庫可以處理多個不同的實體，例如時間序列（歷史和預測）、來自SCADA系統的實時數據以及系統參數操作規則等。其中，數據庫的非實時部分可用于容納數據，例如來自仿真模型的結果，以及MES制造執行系統所需的其他商業數據；數據庫的實時部分可用于處理來自SCADA系統的靜態和動態數據；數據庫的歷史部分可用于保存計算結果并永久保存來自仿真模型和SCADA系統的數據。此外，MES制造執行系統需要多個模型，例如體積和流量模型、廢物產生模型、計量經濟學模型等來執行預測分析[5]。

具體來說，MES制造執行系統功能依靠C#.NET 編程語言和NET Framework來實現，系統采用三層架構，其中表示層使用WF開發的，主要用于獲取用戶數據并將其傳遞給MES功能層層進行進一步處理。值對象從MES功能層層接收數據，以用戶可以解釋的適當形式表示它。它包含用于將數據從一個類傳遞到另一個類的Getter和Setter。中間層即MES功能層，具有生產計劃、生產監控等功能，用于表示層，還用于加速表示層和數據層之間的信息交換。如功能部分所述，它為業務流程提供邏輯和數據訪問。數據層包括在MySQL框架中實現的數據庫。數據庫管理系統(DBMS)具有兩個部分的功能，即dbConnection和DAO。dbConnection用于建立和關閉連接，并對數據庫進行諸如 Select、Update 和Delete查詢等活動。在數據庫訪問層(DAO)中，查詢是基于從MES功能層層接收的參數構建的，并將其傳遞給dbConnection類執行，結果從dbConnection類返回給MES功能層。

4 MES制造執行系統模塊設計

毋庸置疑，企業互操作性和可追溯性是信息系統實現智能制造過程中的需要。傳統的MES模塊設計是為了適應企業所購買的生產工具，而不是實際的生產需要，但是，正如ERP的發展已經超越了企業界限，跨組織地協作以支持新出現的業務需求一樣，MES的范圍也在不斷擴大，包括制造企業的供應、設計和業務功能。為此，智能制造在車間里安裝互聯網設備，網絡物理系統(CPS)將處理實物資產和計算能力之間的相互連接。為了充分利用MES在制造業生態系統中的潛力，必須在數字化轉型時代的影響下，設計更加科學、合理且完善的系統模塊以響應生產變化，反映系統功能，擴展MES組件以及與各種外部系統的信息交互[6]。這些要求一般與MES模塊的特性有關。

（1）在功能方面，必須由單獨開發的模塊組成，每個模塊的安裝必須獨立于其他模塊；（2）模塊必須能夠在較大范圍內上升，以便在將來的生產能夠擴展和修改；（3）數據處理組件必須與其他組件兼容，各種數據處理和自動化硬件必須與它們進行數據交換；（4）組件必須能夠與其用戶通信，并能直接接入互聯網(html和xml markuplangages格式的數據傳輸)，以及使用蜂窩式通信；（5）組件必須確保用戶與它的主動交互，而不需要重新編程，比如用戶查詢來自數據庫管理系統(DBMS)的必要信息必須以自然語言(例如，SQL sql)表示；（6）來自其文件的新形式的文檔必須依賴于文本編輯器(尤其是Generatorlin.doc)。

基于上述要求和模塊特性，MES制造執行系統的設計，至少需要包含幾個模塊：報告和可視化模塊、能源管理模塊、設備管理模塊和質量管理模塊。（1）報告和可視化模塊列出生產計劃的重要系統數據和任務，顯示當前的關鍵績效指標、預算比較和接下來的任務。從這個主窗口可以打開更多的窗口，例如業務管理、監控、計劃和模擬；（2）能源管理模塊提供MES的HMI窗口。該窗口提供有關生產所用能源狀況的信息，例如產品單耗指標等，所提供的能源消耗特征曲線可以被調用并用于生產計劃。通過能源管理模塊，MES可以計算出消耗的能源和產生的廢物等信息，這些數據將提供給銷售業務，可用于預測銷售收入；（3）設備管理模塊需人工錄入設備廠家品牌、型號、采購年限、投運時間、數量、位置、責任班組以及設備易損件信息，設備巡檢點檢由智能手持終端通過掃描完成，可生成巡檢路線圖；（4）質量管理模塊可以監測生產質量，貫穿在整個生產流程的各個環節，使用模型來找到最佳生產的比例以及最佳的生產方案和質量控制。

5 結語

綜上所述，本文介紹了智能化生產管理中MES制造執行系統的結構和功能。該系統使管理層能夠控制從訂單發布到成品的生產活動，鏈接生產制造中的所有流程和數據，監視和控制整個生產，評估所有技術和經濟參數，以便為用戶提供精確的生產日常概覽。在保持當前和準確數據的同時，MES制造執行系統引導、啟動響應并報告生產活動的發生，為決策支持流程提供有關生產活動的關鍵任務信息。MES制造執行系統旨在提供對生產過程的全廠洞察，告知生產狀態、生產性能、能源消耗以及生產成本的出現和分配。總之，在智能化生產管理中，MES制造執行系統將改善更好的資源規劃和分配，允許監督流程執行，從而可以及時識別和應對異常事件，其主要目標是伴隨和監督生產過程，了解當前的生產狀態和所有產品的狀態，識別生產過程中的異常或臨界狀態。

引用

[1] 馮毅.昆明卷煙廠生產制造執行系統(MES)的設計及設備管理模塊的實現[D].昆明:云南大學,2019.

[2] 陳魯敏,黃梁,王加興.離散型智能制造模式研究[J].制造業自動化,2021,43(12):14-18.

[3] 歐陽森山,雷浩,陳琛,等.基于微服務的MES–MSA架構研究[J].航空制造技術,2021,64(20):47-55.

[4] 楊工研,程金石,王德權,等.離散型加工車間MES終端設計與開發[J].組合機床與自動化加工技術,2021(9):172-174+179.

[5] 鄧停銘,王淑營,王小強,等.MES中實時異常判定方法與可定制處理流程框架[J].制造業自動化,2021,43(6):21-26.

[6] 王峰,段凱成,陶軍.基于MES的電驅生產工序流程設計與實現[J].制造技術與機床,2021(3):54-58.