面向MES系統的基礎數據模型研究

葉昱冬，高飛

(浙江工業大學計算機科學與技術學院，浙江杭州 310032)

0 前言

當前，我國制造業正進入一個轉型的關鍵階段，面臨著重大的挑戰，傳統制造業增長模式遭遇瓶頸，實體經濟發展遇到困難。目前，制造業從業人員已經深刻認識到自身創新變革的必要性，也在積極探索適合于自身發展的改革創新之路。特別是在中央提出“中國制造2025”戰略之后，制造企業如何實現現有企業的信息化升級改造、實現“兩化融合”，提升生產效率，實現生產車間精益化管理等問題是企業管理層面對的重大課題。而這其中，企業如何選擇適合自己生產模式的MES系統(Manufacturing Execution System,制造執行系統)是整個課題的關鍵部分之一。

制造企業行業分布廣泛，每個企業生產的產品不同，生產工藝也大不相同。而作為制造執行的MES系統正是要管理生產車間的人、機、料、法、環等各個方面。這就導致當MES系統應用在某個特定的制造企業時，需要依據該企業的生產工藝及生產需求進行大量定制化的匹配開發。然而，軟件產品定制化工作量大就意味著實施周期長，而且成本高。從目前的情況看，一套MES系統應用在某個特定企業的時候，其定制化工作量占到整個項目工作量的70%～90%，同時，企業也需要為定制開發工作支付大量預算。這樣一來，一些中小型的制造企業由于預算不足，不得不放棄對生產制造的信息化改造。所以，一款成本適中的通用化MES系統是目前制造企業所需要的。這樣一套通用MES系統應當是基于通用的模型搭建的，在適配制造企業的時候，應該具備足夠的靈活性來滿足不同企業在人、機、料、法、環等方面的差異，而將MES的定制化部分壓縮到50%以下。

要實現通用化MES系統，可以通過模型來搭建MES系統，即基于模型的MES系統。基于模型的MES系統是MBE(基于模型的企業)概念的一部分[1]。MBE(Model Based Enterprise)是由美國“下一代制造技術計劃”(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，NGMTI)在2005年提出(2016年部分完成)。NGMTI提出的“MBE”是一種制造實體，它采用建模技術對設計、制造、產品支持的全部技術和業務流程進行徹底的改造[2]。

實現基于模型的制造執行系統，首先就要實現MES基礎數據的模型化。只有在基礎數據模型化的基礎上，才能進一步實現MES的整體模型化和通用化。

1 傳統MES基礎數據的現狀

構建MES系統的時候，涉及MES基礎數據的構建。這些基礎數據包括企業數據、人員數據、設備數據、物料數據、工具數據、資產數據、工藝數據等。目前的情況是，這些基礎數據的結構是按照制造企業的具體情況進行固化的。

例如，對于人員數據來講，某企業的生產工人情況如表1所示。

表1 某企業生產工人情況Tab.1 Situation of production workers in a company

目前情況下，MES在實現該企業生產工人數據管理的時候，就會依據當前情況，設計出生產工人的數據表格來進行實際的匹配，并在實際的軟件開發中將該表格固化。

但問題在于，企業對工人情況的管理可能會隨時間的變化而變化。比如，企業認為工人的“工種級別”屬性也需要管理，那為了滿足企業要求，就需要更新原先的表格設計。另外，這樣的設計只能滿足該企業對人員管理的需求，但對其他企業來講，復用性不大，可能還需重新定制化開發。

再例如，對于制造企業生產工藝的管理，每個企業都不同，尤其是行業與行業之間差異更大。

MES在實現該工藝流程時，當前的做法是將該流程通過代碼的方式將工步與工步之間的邏輯關系固定來滿足企業的需求。如果工藝改進了，MES軟件系統需要進一步的定制化升級。而且，采用定制化的方式實現制造企業的工藝邏輯也需要很大的成本，這些都給企業帶來了困難。

綜上所述，依據企業具體的需求進行MES軟件定制化開發的方式有許多問題，也很難滿足目前企業不斷變革中所出現的問題。歸納起來主要在于：(1)軟件邏輯依據企業當前需求定制化，缺少對企業發展及未來需求的考慮；(2)定制化開發周期比較長，而且需要在完全了解客戶現狀的情況下進行定制化；(3)定制化開發的成本高，導致一些預算有限的企業無法承擔；(4)MES系統推廣難度大。

2 基于模型的MES基礎數據

基于模型的MES基礎數據區別于傳統MES的基礎數據架構，它是在分析不同企業基礎數據基礎上，將這些基礎數據進行歸納和概括，并抽象出來形成模型。這種模型適合于不同的企業，而且在某個企業的基礎數據架構發生變化時，也不需要對基礎數據的結構進行代碼級別的更新。這樣一來，可以節省企業的管理時間和管理成本。

基礎數據管理包括企業架構數據管理、人員數據管理、設備數據管理、物料數據管理、工具數據管理、資產數據管理、工藝數據管理管理、檔案數據管理等。

2.1 企業架構數據

企業數據管理基于ISA95 設備層級模型進行定義[3-5]，將企業定義為企業層(Enterprise)、工廠層(Site)、車間層(Area)、產線層(Cell)以及工位層(Unit),如圖1所示。

圖1 企業架構實例[4-5] Fig.1 Enterprise architecture example[4-5]

系統中企業模型定義遵循ISA95規范中設備層級架構模型，一個企業集團對應多個工廠，某個工廠對應多個車間，某個車間對應多條產線，某條產線對應多個工位，通過工位結合不同的設備，如圖2所示。

圖2 集團架構示例

例如，某個大型重工企業架構的對應關系如表2所示。

表 2 設備層級模型示例(集團)Tab.2 Sample device hierarchy model (group)

再如，某個中型企業，沒有集團層級，從工廠層級開始，其對應關系見表3。

表3 設備層級模型示例(中型企業)

所以，針對不同企業架構形態，可以通過5層模型進行匹配。

2.2 人員數據

人員數據管理通過人員模型對相關數據進行管理。如圖3所示，人員模型包括人員類別、人員類別屬性、人員實例、人員實例屬性、人員資質考核以及人員資質考核結果。

圖3 人員模型Fig.3 Model of people

每個人員都可動態配置其必須的資質考核以及資質考核結果，通過資質考核的人員才能具備上崗資格，系統才會在派工時使用該人員資源。

人員數據可以通過文件批量導入、系統數據管理頁面、對接人力資源管理系統等方式錄入，可以通過系統數據管理頁面進行修改/刪除操作。

圖4中，“機修組類”即是其中定義的一個人員類型，“張三”就是對應于“機修組類”實例化的一個具體個人。“機修組類”有它的人員類型屬性“機械操作等級”，該屬性綁定一個人員資質測試“機械操作測試”；對應地，“張三”也有一個人員屬性“機械操作等級”，其值為“1”，而其對應的“機械操作測試結果”為“PASS”。

圖4 人員模型示例Fig.4 People model example

當然，“張三”這個具體的人還有其他人員屬性。其他的人員屬性也可以無需匹配人員類型屬性，作為具體的人員屬性存在，例如“張三”這個人的性別、身高等屬性。

這樣一來，實施具體項目的時候，可以按照不同類別對人員進行組織和管理。人員的類型以及人員類型屬性根據實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個人員，并具有相應的人員屬性。

為了便于理解，將模型中涉及的數據結構框架羅列如下(其他模型數據表格可以按同樣的思想推理，不再贅述)。

人員類型見表4。

表4 人員類型Tab.4 Type of personnel

人員類型屬性見表5。

表5 人員類型屬性Tab.5 Person type attribute

人員見表6。

表6 人員Tab.6 Person

人員屬性見表7。

表7 人員屬性Tab.7 Attribute of person

資格測試定義見表8,資格測試結果見表9。

表8 資格測試定義Tab.8 Qualification test definition

表9 資格測試結果Tab.9 Qualification test results

如果使用XML文件來表示人員類型、人員，這個例子可以如表 10 中的人員模型數據[5]所示。

表10 XML表示的人員模型數據Tab.10 XML represented staff model data

注意，人員類型和人員可以進行對照，人員類型屬性和人員屬性可以進行對照，資質認證測試和資質認證測試結果可以進行對照。人員屬性中的性別、身高是人員的特有屬性，在人員類型屬性中沒有映射。

2.3 設備數據

設備數據管理通過設備模型對相關數據進行管理。如圖5所示，設備模型包括了設備類別、設備類別屬性、設備實例、設備實例屬性等。

圖5 設備模型Fig.5 Device model

設備數據可以通過文件批量導入、系統數據管理頁面等方式錄入，可以通過系統數據管理頁面進行修改/刪除操作。

設備模型示例如圖6所示:“加工A類”即是其中定義的一個設備類型;“加工347號”就是對應于“加工A類”實例化的一個具體設備。“加工A類”有它的設備類型屬性“誤差范圍”，該屬性綁定一個設備資質測試“誤差測試”；對應地，“加工347號”也有一個設備屬性“誤差”，其值為“0.40 mm”，而其對應的資質測試“誤差測試”為“0.41 mm”。

圖6 設備模型示例Fig.6 Device model and examples

當然，“加工347號”這個具體的設備還有其他設備屬性。其他的設備屬性可以無需匹配設備類型屬性，作為具體的設備屬性存在，例如“加工347號”這個設備的尺寸、進給速度等。

注意，設備屬性包括了設備的靜態屬性，例如“尺寸”，也包括了設備在運行期間的動態屬性，例如“進給速度”。靜態屬性是該設備固有的屬性，而動態屬性的值是通過實時設備數據采集得到的，它是一個隨時間變化而變化的值。

在實施具體項目時，可以按照不同類別對設備進行組織和管理。設備的類型以及設備類型屬性根據實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個設備，并具有其相應的設備屬性。

2.4 資產數據

資產數據管理通過資產模型對相關數據進行管理。如圖7所示，資產模型包括資產類別、資產類別屬性、資產實例、資產實例屬性等。資產模型示例如圖8所示。

圖7 資產模型Fig.7 The asset model

圖8 資產模型示例Fig.8 Example asset model

資產數據管理模型與設備數據管理模型類似，但兩者從不同的角度對物理設備實體進行描述。設備數據管理模型是從設備角色的角度來描述物理設備，而資產數據模型是從物理資產的角度來進行描述。

當某條產線的設備損壞需要進行更換時，此時從設備角色來講，是沒有發生變化，更換后的設備還承擔更換前設備同樣的角色，但從資產管理角度來講，就發生了變化，新設備與更換前的舊設備是不同資產，資產編號也當然不相同。

實物資產信息與設備信息之間的關系如圖9所示。在角色設備和實物資產之間存在時間關系，在某個時間段內，某個物理資產承擔了某條產線的設備角色，但在另外一個時間段內，該角色可能由其他物理資產所承擔。執行此角色的物理資產可能會隨著時間發生變化，而設備資產映射表將維護設備與資產之間的對應關系。

圖9 設備資產映射Fig.9 Device asset mapping

2.5 物料數據

物料數據管理通過物料模型對相關數據進行管理。物料模型包括物料類別、物料類別屬性、物料定義、物料定義屬性、物料批次、物料批次屬性等。

物料數據可以通過文件批量導入、系統數據管理頁面等方式進行數據錄入，可以通過系統數據管理頁面進行修改/刪除操作。

注意，物料數據分為物料類型、物料定義、物料3個層次。這是因為從生產角度來看，物料的類型及品種是最繁多的，通過這樣的數據層次劃分可以更好地管理生產過程中所涉及的所有物料。

在圖10所示的例子中，物料類型為“鋁材類”，該物料類型有一個屬性“鋁絲直徑”；對應于該物料類型的物料定義為“B級鋁材”，該物料定義有多個屬性，包括：“鋁絲直徑”(該屬性對應于物料類型的屬性)、“合金成分”(該屬性綁定合金成分檢測測試)、“抗拉性”；對應地，物料名稱為“20200101批次”，也分別對應3個屬性，分別是：“鋁絲直徑”、“合金成分”、“抗拉性”。其中，“合金成分”屬性綁定合金成分檢測測試結果。

圖10 物料模型(a)及示例(b)Fig.10 Model of material (a)and example (b)

需要注意的是，并非每個屬性都要綁定資質的檢測測試，這要依據具體工廠的實際情況來判斷，例如有些屬性不需要進行測試，而有些屬性在工廠內沒有檢測的條件等。

物料類型、物料定義以及物料實例均可以根據現場實際情況進行配置：物料類型定義了不同種類的物料，而物料定義屬于某一個物料類型。物料定義在產品設計、生產排程時均要用到。物料實例是某個物料定義的實例，在具體生產中使用。

2.6 工具/容器/軟件等數據

工具/容器/軟件數據管理通過工具/容器/軟件模型對相關數據進行管理。工具/容器/軟件模型包括了工具/容器/軟件類別、工具/容器/軟件類別屬性、工具/容器/軟件實例、工具/容器/軟件實例屬性等。下面以工具為例進行說明，其模型如圖11所示。

圖11 工具模型Fig.11 Tool model

工具數據可以通過文件批量導入、系統數據管理頁面兩種方式錄入，可以通過系統數據管理頁面進行修改/刪除操作。

在工具模型示例(圖12)中，“工段一扳手類”就是工具類型，該類型工具具備一個屬性“尺寸”，“扳手_01”這個工具就是屬于該類型的一個工具，該工具為“尺寸 19活動扳手”，并且該工具還有其自身特有的屬性“規格”，其值為“M12”。

圖12 工具模型示例Fig.12 Example tool model

在實際項目應用時，可以按照不同類別對工具進行組織和管理。工具的類型以及工具類型屬性根據實際情況進行配置和管理，每一種類別對應多個工具，并具有其相應的工具屬性。

以上所描述的企業、人員、設備、資產、物料、工具/容器/軟件等都是企業生產中所要使用的資源，如果將這些生產資源整合起來進行生產，就必須對工藝數據模型化。下面就工藝數據進行說明。

2.7 工藝數據

工藝數據按照工藝模型進行組織和管理。工藝數據中包括了生產工藝數據、維護工藝數據(維護標準操作流程)等。

工藝的每一個工步對應位置(來自于企業架構數據)、人員(來自于人員數據)、設備(來自于設備數據)、物料(來自于物料數據)、工具(來自于工具數據)、作業指導書(來自于文件數據)、NC程序(來自于程序數據)等相關內容。

工藝流程由若干工步組成，每個工步的執行都需要一定的資源，圖13—圖14中，工步X1對應的資源為Rx1，其他工步以此類推。工步是可以靈活增加、刪除和修改的，而并非用軟件代碼固化整個工藝流程。這樣一種靈活的工藝設計方式給企業帶來了好處，在進行工藝優化的時候，只需要進行軟件層面的配置就可以滿足新的需求，而不需要進行代碼級別的更新。

圖13 資源示例Fig.13 Resource examples

圖14 工藝模型流程示例Fig.14 Process model process example

系統需要通過該模型管理所有的工藝流程數據，并管理每道工藝所需要的資源信息，為生產、維護管理建立基礎。

結合了資源的工藝流程，是一個可以執行的工藝流程。為什么這樣說呢？每一個工步都要回答下面幾個問題[6-8]：

(1)在哪里執行這個工步？該工步綁定的企業架構信息，具體的產線、工位；

(2)誰來執行這個工步？該工步綁定的人員數據；

(3)用什么來執行這個工步？該工步綁定的設備、工具、輔助工具數據；

(4)執行這個工步所需要的材料是什么？該工步綁定的物料數據；

(5)怎么執行這個工步？該工步綁定的作業指導書文件數據；

(6)其他輔助的條件是什么？該工步綁定的軟件數據。

這樣一來，一套工藝流程就可以分解為由一系列可執行工步組成的生產流程，進而可以在生產車間進行生產操作。

產品工藝數據來源于PLM系統，通過與PLM系統的集成，MES系統可以獲得相關產品的工藝，以及執行工藝所需要的資源信息。系統支持通過頁面的方式增加生產工藝/工步。

3 模型化MES基礎數據的應用

建立了模型化的MES基礎數據，那么MES系統就可以在這個基礎上使用這些數據，并進而搭建通用的MES模塊(或者說基于模型的MES)。下面針對圖15，通過MES運行機制來說明模型化基礎數據的應用[9-10]。

圖15 生產流程概述Fig.15 Production process overview

(1)系統收到由ERP生成的生產計劃，生產計劃信息包含產品信息、數量信息、生產完成時間信息等；生產計劃信息可以通過Excel表手工導入系統，或者與外部系統集成，以及系統頁面錄入等方式獲得；

(2)詳細生產排程模塊從資源管理模塊中獲取目前生產資源，包括人員資源、設備資源、物料資源、工具資源等；

(3)同時，依據計劃信息中的產品信息，從產品定義模塊中獲取該產品的生產工藝信息；并結合目前的資源情況進行生產排程，自動制定生產排程計劃，生產排程計劃包括了生產作業計劃。生產排程計劃發送給計劃員進行確認，系統允許計劃員對已經生成的計劃進行手工修改；

(4)系統將預排結果反饋給ERP 系統，在還未進行生產時，可以依據預排結果推斷產品的最終交期；

(5)作業派發模塊得到生產排程計劃，形成工單，將工單派發給控制網，進而控制不同的生產作業設備進行生產；

(6)生產步驟嚴格按照排程計劃執行，系統按照工藝順序依次將工單派發給不同的班組/設備。作業班組和相關設備依據指令執行相應作業；

(7)作業執行結束，系統自動采集作業的實做數據，并將實做數據反饋給系統，進行進一步分析。實做數據包括開始工作時間、結束工作時間、物料損耗、能耗、現場相關數據等；

(8)依據實做數據，看板模塊為作業現場看板提供數據，如圖16所示；

(9)通過歷史數據為企業駕駛艙大屏提供數據分析支撐。

圖16 車間生產看板示例Fig.16 The workshop produces Kanban samples

以上只是簡單說明了基于模型的MES基礎數據的應用，實際的基于模型的MES需要考慮到更多的問題，包括生產能力模型、生產執行的模型、報工模型等，超出文中范圍，不再詳述。

4 小結

本文作者主要介紹了基于模型的MES基礎數據結構，包括企業架構數據、人員數據、設備數據、物料數據、工具/容器/軟件數據、工藝數據等，并簡單引申了在此基礎上MES可以搭建的相關應用。企業模型化，從目前看來是未來智能制造企業的方向，一個企業的模型化，需要從點點滴滴做起，文中的MES基礎數據模型就是從基礎的MES數據入手，來分析如何對這些數據進行模型化設計。