制造执行系统MES在芙蓉王烟厂的开发和应用

lihuolin958

       制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间生产的管理信息系统，通过数据的传递为车间管理人员提供生产计划的执行、物料消耗情况以及设备状态等信息，是企业计划管理层与车间底层控制之间的纽带。在市场竞争激烈的现代生产环境下，制造执行系统成为面向车间生产管理和控制的主流技术。
1 引言


    在制造企业的产品生产过程中，其最主要的问题之一是车间生产管理和控制问题，这个问题一直是国内外车间管理研究的重点之所在。计算机大规模应用到生产管理过程之后生产管理从观念到生产方式的采用都发生了重大的变革，随着企业信息化的不断深入，信息的快速、准确传递变得越来越重要。计算机技术特别是数据库的发展为企业建立管理信息系统、甚至对改变管理思想起着不可估量的作用。管理思想的发展与信息技术的发展是互成因果的环路，而实践证明信息技术已在企业的管理层面扮演着越来越重要的角色。


    企业信息化及MES的产生


    企业信息化是指采用电子信息技术，使企业的产品设计、加工制造、过程控制、质量检验、生产管理和销售服务等产品全生命周期内的各种活动的信息处理自动化。企业信息化的内容主要包括两部分：一是生产过程管理，主要包括生产过程监控和现场设备管理；二是生产和经营管理，主要包括生产进度安排、人员安排、原材料供应、原料和能源等的消耗统计、各种生产时间统计、动态成本核算、物料管理和产品数据管理等内容。从企业信息化的内容中，可以清楚地看到：企业信息化涉及到大量的车间生产管理内容，如生产过程监控、生产调度、现场设备管理、人员安排、消耗统计、工时统计、动态成本核算、物料(尤其是在制品)管理以及产品数据管理。因此，车间生产过程管理的信息化在企业信息化过程中具有重要的作用和地位。


    企业信息化主要涉及三个层面：计划层、执行层和控制层。就目前情况而言，企业信息化的主要瓶颈在执行层，传统生产现场管理只是黑箱作业，这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。为解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性，美国先进制造研究机构提出了“MES”。MES属于企业管理应用软件的范围，起源于离散工业，又扩展到流程工业181，在整个企业信息集成系统中承上启下，相当于一个通讯工具为其它应用系统提供生产现场的实时数据，与上层业务系统和底层生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，把业务计划的指令传达到生产现场，将生产现场的信息及时收集、上传和处理，通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的信息。将MES应用于车间中，可以实现对车间生产的管理与控制，实现信息的无缝集成。对于企业来说，MES最大的优点是数据的精确性，它实时数据用于改善决策过程，而决策的结果又将改善用户服务，减少相关数据信息的循环时间。


     MES不是一个特定行业的概念，它是应用于各种制造业的重要信息系统。由于每个行业的生产和流通流程不同，还有其特定的行规，不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的，甚至同一个行业中不同企业也各具特色，所以MES软件包总是针对某一个行业的特定要求而开发的，MES具体的应用程序开发和应用服务的工作量相当大，也相当专业化。


    课题背景及来源


    随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。因此如何深刻理解MES内涵，把握它的发展趋势，在我国企业中开发和应用好MES，对于提高企业竞争力，缩小与发达国家企业差距是迫在眉睫的事情，也将是企业信息化水平深层次推进的需要。车间生产管理作为计算机集成制造的一个有机的、重要的组成部分，是控制生产管理的主要环节，在企业综合自动化系统中承上启下，架起了生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。论文的研究正是在这样的环境和背景下提出的。


    目前而言，烟草企业底层生产控制系统虽已基本实现了基础自动化和过程自动化。并且在此基础上形成了相对独立的系统，但是每个系统都有各自的处理逻辑、数据库、数据模型和通信机制。它们形成一个个信息孤岛，缺乏必要的整合，缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理。更重要的是，以过程控制为核心、侧重工艺参数优化的生产制造过程信息，远没有与以流程管理为核心、侧重资源配置优化的ERP整合起来。在ERP所关注的各项资源中，生产过程信息在企业的管理系统中它始终是“离线”的，生产过程信息始终不能连续、自动、完整的反映在企业管理系统中。这样在管理信息系统和生产控制系统之间，存在一个信息流通上的断层。在卷烟制造企业中，这是影响企业信息化整体水平的“鸿沟”。因此，烟厂的MES系统模型的构建应注重从生产计划下达到成品产出的生产优化信息，即对上层计划管理是执行，对下层控制系统是指挥，收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理，同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。将MES作为一种生产模式，把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口(CIM)等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。本文所阐述的制造执行系统MES是针对“常德卷烟厂(CDCF)联合工房卷接包数采系统项目”所设计的，主要目的是为了采集卷包设备的生产数据，为车间建立功能强，实时性好、性能稳定的信息化平台，提高综合管理水平，其研究的目的在于利用MES(Manufacturing Execution System)制造执行系统进行生产控制与管理的无缝集成，真正实现制造业企业的信息集成。


    主要研究内容


    基于MES理论，并结合研究生期间参与开发的MES项目经验，论文主要从MES结构体系出发重点研究MES系统开发构建等问题。既体现MES理论完整的体系结构，又通过实际系统开发在实际应用中取得一些突破。


    MES系统的关键是数据，因此在论文的设计过程中将主要侧重于数据的传输、接收和显示等。卷包设备数据采集系统负责完成卷接包车间内所有设备的实时、有效、准确的数据采集；数据采集查询系统以卷接包设备数据采集为基础，通过对各个设备的运行状况(生产、运行、质量、消耗等各方面的数据)的实时监控，使各级管理层人员能够全面、准确、快速地了解到生产现场情况，发现问题并及时调度采取相应的措施：通过对大量数据的统计分析，强化生产和设备管理，为企业提供一个基于知识管理的、以全寿命周期管理为特征的、支持现场——科室——企业三级管理的设备管理计算机工作平台；以工单管理为重点，利用信息流将企业的物资流和管理流串成一个有机的体系，满足企业在项目管理、维修管理、工单跟踪和备件费用计划、设备资产趋势分析及综合统计分析方面的需要。



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     本文立足于计算机在生产管理过程中大规模应用这样一个大的趋势，深入分析MES的理论并在此基础之上构建开发MES系统，下文将分为四部分分别阐述关于制造执行系统的种种，介绍制造执行系统和常德卷烟厂MES项目、分析数据库构架，提供用于通信的Web服务，以及设计用户界面等。


2 制造执行系统和常德卷烟厂MES项目


    随着工业自动化技术发展迅速，PLC、工控机广泛应用于工业过程控制，使得我国的工业自动化水平上升到了一个新的台阶。然而，随之而来的是，企业面临的是一个又个局部自动化的孤岛。生产过程实现了自动化控制，生产管理仍然是人工作业；局部优化了，全局不优，制约了生产效率和效益的进一步提升，也就是说大多数企业的独立的生产线的自动化水平和优化程度已经很高，进行进一步改进的空间非常有限。另一方面，很多企业都在建设ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)系统，随着企业信息化工作的不断深入，人们发现，ERP系统不能解决企业复杂生产管理问题，它仅局限于总体生产计划的编制，并没有考虑设备的实际状态和生产线的工艺约束[15l，没有实时的生产过程信息，ERP系统如同空中楼阁，也不能很好运行，达不到企业资源优化的目标，上层信息化系统与下层自动化系统出现了一个很大的鸿沟。为解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性，20世纪90年代美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research，AMR)提出了“制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)”的概念，并将MES定位为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，它以当前视角向操作人员／管理人员提供生产过程的全部资源的数据和信息，将信息技术运用于改善制造过程。


    2．1 制造执行系统MES


    MES的产生和发展


    从20世纪70年代后半期开始，出现了解决个别问题的单一功能的MES，如设备状态监控系统、质量管理系统、具有生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统Ⅲ。即在未实施整体解决方案或信息系统以前，各企业引入的只是单功能的软件产品和个别系统。当时，ERP层和DCS层的工作也是分别进行的，因此产生了两个问题：一个是横向系统之间的信息孤岛，二是MRP、MRPII和DCS两层之间形成缺损环或链接。80年代中期，为了解决这两个课题，生产现场的信息系统开始发展，生产进度跟踪信息系统、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合已形成共识。与此同时，原来的底层的过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展。这时，产生了MES原型、即传统的MES(Traditional MES，MES)，主要是POP(生产现场管理，Point ofProduction)和SFC(车间级控制系统，Shop Hoor Contr01)。直到1990年，AMR才提出并使用MES这一概念。


    MES处于企业信息系统ERP／SCM和过程控制系统DCS／PLC的中间位置，与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，一是把业务计划的指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。MES也不是一个特定行业的概念，而是应用于各种制造业的重要信息系统。


    由于MES强调控制和协调，使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而且能使计划落实到实处的执行系统。因此MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。企业认识到只有将数据信息从产品级取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。


    MES定义和标准


    按照国际MES协会所给出的定义，MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信，gt,ol。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件做出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。MES改善运行设备的回报，以及改善及时交货、库存周转、毛利和现金流通性能，通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的(mission critical)信息。AMR对MES的定义：MES是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员／管理人员提供生产过程的全部资源(人员、设备、材料、工具和客户要求)的数据和信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。


    美国的国家标准研究所(NIST)有关MES定义的表述：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件设备的各种数据和状态信息。虽然MES存在以上不同的定义，但是，以下几点共识还是普遍被接受的：


    1)MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。


    2)MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。


    3)从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为l，那么，MES的时间系数为10，ERP的时间系数为100。


    为了进一步规范MES，正在制定和发展企业信息整合(集成)标准和模型，但是大多数是针对～种特定的工业门类或类似的几种工业门类的。从1997年开始美国仪表学会启动了编制ISASP95企业控制系统集成标准的工作。


    ISA是为企业和制造业综合定义的标准，标准规定了4种主要资源类型：人员、材料、设备和流程段(process segment)。前3种资源定义表示人员、材料和设备的信息，可进行静态或动态数据交换；第4种资源从制造流程的角度向经营管理系统提供关于材料、劳力和设备的计划和成本的信息。标准还规定了4个附加的交换信息集合：生产能力信息、产品信息、生产要求和生产响应。这些信息的动态交换通常是在系统之间进行，也是当前大多数经营管理与制造信息集成的基础。标准定义了这类数据的结构和表达这些信息之间的复杂相互关系的方法。生产能力界定经营管理调度所需要的信息；产品界定包括生产一种单一产品(或某种产品的一个生产批次)所需要的材料、设备和人员。生产要求或称排产调度(preductionschedules)界定安排其进行生产的工厂及相关材料、设备和人员。生产响应或称生产特性则界定实际生产的工厂和实际所用的材料、设备和人员。

lihuolin958

lihuolin958 发表于 2012/5/27 20:08
本文立足于计算机在生产管理过程中大规模应用这样一个大的趋势，深入分析MES的理论并在此基础之上构建 ...

    MES的功能模型


    MES制造执行系统包含资源分配、计划排程、产线跟踪、生产调度、质量管理、设备维护、人员管理、过程管理、统计分析、文档控制、数据采集等十一项功能。归纳起来，MES系统可以分为APS系统(Advanced Planning&Scheduling)和WlP系统(WorkIn Process)两个层次。APS主要完成生产计划排程功能(资源分酉己／计划排秽生产调度等)，与ERP系统接口；w口主要完成产线作业执行功能(产线跟踪、过程管理、质量管理、统计分析、数据采集等)，与自动化系统接口。针对多分厂大型生产企业，MES还有专门解决方法，如企业供应链计划SCP：Supply Chain Planning等。


    由于每个行业的生产和流通流程不同，还有其特定的行规，不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的。甚至同一个行业中不同企业也各具特色，所以MES软件包总是针对某一个行业的特定要求而开发的。而且MES具体的应用程序开发和应用服务的工作量相当大，也相当专业化。这就往往造成MES的开发成本和应用成本过高，反过来又影响MES大面积的推广应用。


    MES定位及效益


    制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。AMR倡导制造业用三层模型表示信息化，将位于计划层和控制层的中间位置的执行层叫做MES，并说明了各层的功能和重要性。AMR于20世纪90年代提出的企业集成模型清楚地描述了MES在企业系统中的位置。


    计划层：强调企业的计划性。他以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益。ERP等从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。


    执行层(MES)：强调计划的执行和控制。通过MES把ERP与企业的生产现场控制有机的集成起来。


    控制层(contr01)：强调设备的控制。包括DCS(distributed controlsystem)，PLC(programmable logic controllers)、NC／DNC(Distributed Numerical从企业集成模型可以看出，制造执行系统在计划层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空白。MES处于计划层和车间层操作控制系统之问的执行层，主要负责生产管理和调度执行，一方面可以对来自ERP系统的生产管理信息细化、分解，将操作指令传递给底层控制，另一方面可以实时监控底层设备的运行状态，采集设备、仪表的状态数据，经过分析、计算与处理，为ERP系统及时、准确的提供关于生产活动决策支持过程的重要信息。


    通过双向的直接通讯，MES在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品生产行为的关键任务信息。目前的国内外市场上，支持工厂综合自动化的软件主要分为支持面向企业的生产管理软件和面向底层设备的生产过程控制软件两大类，而在工厂管理和制造活动控制中，留下了几乎没有软件产品覆盖的真空地带，制造执行系统的提出，填补了这个真空地带。随着市场经济的发展和完善，企业的制造车间逐步向分厂制转变，其角色也有传统的企业成本中心向利润中心转变，因此位于车间级并且这控制执行过程作用制造执行系统具有十分重要的作用。


    近些年中，一些ERP软件试图将其车间管理的功能向下延拓，增加了一些功能模块，但其收效不大。MRPII／ERP软件缺少足够的底层控制信息，无法实现与控制系统紧密相连；DCS、各种组态软件等控制软件又缺乏足够的上层控制信息，不能实现对生产的管理和控制。因此，上述情况造成了企业内部的信息传递瓶颈，不能对瞬息万变的市场变化做出快速响应。其主要原因是虽然重视了计划管理(Planning)和底层控制(Contr01)，却忽视了车间执行(Execution)功能。因此，重视制造执行过程对企业来说，可以起到事半功倍的效果。MES是面向车间生产的实时生产调度，一方面MES可以将来自MRPII／ERP软件的生产管理信息细化、分解、形成操作指令传递给底层控制：另一方面MES可以实时监控底层设备的运行状态、采集设备、仪表的状态数据，经过分析、计算机处理、触发新的实践。


    由于MES强调控制和协调，使现代制造业信息不仅具有很好的计划系统，而且具有能使计划落实到实处的执行系统，因此短短几年间MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。


    制造执行系统MES的目的在于建立一个集成统一的生产指挥调度平台，通过对标准的参数化、程序化，建立一套完整的质量标准体系，通过获得数采系统的生产消耗数据(水松纸、卷烟纸、小盒、条盒等)和物料的实时出入库数据，为实现成本在线控制提供数据来源和基础。所有的一切都建立在数据采集之上，数据采集是MES系统开发的基础。


    MES基础——数据采集


    数据采集是生产调度指挥系统与现场控制系统间的信息纽带，是制造执行系统MES实现的基础。


    本文所涉及的数据采集是针对联合工房的所有生产设备进行的。联合工房的生产设备包括24组Protos70 PLC控制系统，24组GD系列包装机(12组GDX2-Micro II控制系统、4组GDXl-Micro II控制系统、l组GDXl-Micro II卷筒式控制系统、7组GDXl-FZ逻辑电路控制系统，6条装箱机的生产线，8台Pegasus2000滤嘴棒发射机，8组嘴棒成型机以及风力送丝、通风除尘、条烟输送和甘油脂自动发射四个子系统。