基于节点的制造执行系统构建方法

lihuolin958

     制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是近几年无论在国内还是国际都迅猛发展的、面向车间层的生产管理技术和实时信息系统。如图1所示，MES处于ERP和车间控制系统之间，它负责接受ERP系统提供的生产计划，并能够及时将计划状态、生产情况等车间现场数据反馈给ERP及其他系统，ERP等系统在接收到反馈数据之后，就能够及时地做出协调，修改相应的计划等，达到与车间层的和谐互动。同时MES将各种控制参数和操作指令发送给控制系统或生产一线的工人，有效组织生产，并且MES能够及时准确地从控制系统或生产现场通过自动或半自动的方式采集任务、设备、人员等数据，达到掌控生产现场的目的。与此同时，MES可以依据自身获得的数据与其他系统(如供应链管理系统、物资系统、后勤系统等)互动，从而优化整个生产过程，确保企业的整体效率最优。

图1 MES在工厂中的数据流

    所以，MES有效地解决了计划层和过程控制层之间的“断层”问题，能够为企业提供快速、敏捷的制造环境，帮助企业降低成本，提高生产效率和产品质量。虽然MES作用如此重要，并且能为企业带来长远效益，但纵观许多企业的MES建设，大多存在着不能适应车间灵活多变的生产情况、模块之间耦合紧、业务变更和升级困难等问题。所以本文提出了基于节点的MES快速构建方法，力图改善这些不足。

1 分析并提出MES实现的新思路

    传统MES是以各个功能模块为导向，结合不同企业的不同需求，分析业务逻辑。并抽象化后用计算机语言表达，数据来源于其他系统、用户输入或设备采集等数据源。这样的系统看似实现了不同功能模块的各种业务，而且也根据需要在业务逻辑处理或前端显示时取得了数据，但是背后却隐藏着2点问题。

    (1)系统的数据层与业务逻辑层没有清晰的映射关系。业务逻辑只是在需要的时候组织并获取数据，这使得数据层与逻辑层之间的关系变得复杂、模糊，也为以后的业务变更和系统升级带来了潜在的问题。

    (2)不同模块的功能是以业务逻辑为主要目标来组织数据并实现，忽视了业务逻辑层对其他层的影响，致使业务逻辑层充斥着许多大粒度的业务逻辑单元，有的甚至跨越几个功能模块，从而导致了模块之间的紧耦合，如图2所示。

图2 传统MES系统层次抽象图

    从以上的分析中我们可以得到以下3点启示：

    (1)对于前面第一点问题，假设在数据与业务逻辑之间有个实体来负责组织关联，则可以避免产生数据层与业务逻辑层之间的盲区。

    (2)对于前面第二点问题，假设所有功能模块的下层存在一个公共的支持层。在这个支持层中分布着相同类型的单元，它们类似于原子，以自己的属性、行为和组合方式对模块的功能进行实现。由于这个支持层是独立于功能模块并贯穿整个功能模块的下层，所以就避免了各个功能模块之间因业务逻辑或数据调用而直接发生关联。进而也就消除了紧耦合。

    (3)同时，在我们以往的MES项目中，发现MES各个功能模块的操作对象或数据来源都是生产实例。例如一批轴从开始生产到入库的整个过程就是一个轴零件的生产实例。而生产实例的每个环节(节点)则与前面提到的原子类似，并基本符合我们的假设条件。

    正是在这些分析的基础上，我们进行推想、实践，提出了基于节点的MES构建方法，设想的MES系统层次抽象网如图3所示。

图3 设想的MES系统层次抽象图

2 基于节点的构建方法

    2.1 节点的定义与分类

    MES重点在于车间的制造执行，它的主体计划来自ERP等系统，指令发送给控制系统或工人。所以重点在于从车间的制造执行过程中提出基于节点的构建方法，以解决前面所提到的2个问题。

    对于包括批产与研制混合性企业在内的大部分生产企业，在得到了经过排产的详细生产计划后，接下来的任务就是按照详细生产计划执行生产过程中的各个环节，我们称之为节点。节点是一个在很多学科、行业都有其特定含义的广泛概念，在此针对MES我们提出节点的新含义，即节点就是生产中的各个业务环节，例如，生产过程中的各个加工工序就是典型的节点，当然外协、入库等业务节点也属于我们的节点之列。

    需要指出的是，我们定义的节点都有其自身的业务意义，所以对各种节点，需要在定义的基础上对其进行组织分类。节点分类的原则之一是尽量细化，这样在选取节点集合的时候才会游刃有余(分类越细，维护难度也越大)。如“机加工”就是一个比较粗的分类。节点的分类信息以树状结构来组织，其相关数据作为属性在节点实体中被维护。

    图4中，我们从单个或多个节点中可以得到大量的信息，包括人员、设备、任务、起止时间等。而这些信息可以作为质量控制、性能分析、产品跟踪等模块的数据基础。再进一步，将这些信息作为单个或多个节点对应业务逻辑的输入．通过业务逻辑处理(或者无需输入的业务逻辑直接执行后)，根据业务逻辑具体情况可能触发一定的业务事件，如反馈、超差处理等。而这些业务逻辑及业务事件可以作为计划调度、过程管理等模块的重要实现部分。这样就能从全局的角度认识到节点与各个功能模块之间的关系，认识到它与我们在上文所假设的支持层中的原子非常相似，认识到节点是MES的一个重要实现基础。

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