智能化生產(chǎn)管理技術(shù)MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

王振軍，謝慶云，盧耀錦，王虎城，楊少武，楊志軍，王世軍

（西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

近年來(lái)，智能制造已成為傳統(tǒng)制造業(yè)創(chuàng)新升級(jí)的潮流，其中MES系統(tǒng)生產(chǎn)管理信息化技術(shù)已成為企業(yè)信息化管理轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它是是繼生產(chǎn)裝備自動(dòng)化（PLC/DCS控制技術(shù)）和企業(yè)決策管理信息化（ERP）技術(shù)之后，新興的一項(xiàng)生產(chǎn)管理領(lǐng)域的智能信息化技術(shù)。MES系統(tǒng)是將生產(chǎn)管理由粗放低效的傳統(tǒng)人工管理方式改進(jìn)為智能信息化方式，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)的提質(zhì)增效和節(jié)能降耗目標(biāo)。

1 MES系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)設(shè)備關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化控制，建立設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)在線信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線故障診斷預(yù)警，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修信息化，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力和綜合效率。

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的數(shù)字化。建立原料、中間產(chǎn)品，最終產(chǎn)品的全過程質(zhì)量檢驗(yàn)識(shí)別信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全過程質(zhì)量管理智能追溯。

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理信息化。建立工藝、質(zhì)量、分析檢測(cè)、能耗等生產(chǎn)管理的信息平臺(tái)。

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理與共享標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮信息化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理在線運(yùn)營(yíng)。

2 MES系統(tǒng)在生產(chǎn)企業(yè)信息化系統(tǒng)的部署架構(gòu)

整個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的信息化系統(tǒng)劃分為三層，過程控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層和企業(yè)管理層。MES作為生產(chǎn)執(zhí)行層的核心系統(tǒng)，在整個(gè)企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁。

生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的部署架構(gòu)如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的部署架構(gòu)示意圖

2.1 過程控制層

過程控制層是各生產(chǎn)線、生產(chǎn)裝置及生產(chǎn)設(shè)備通過DCS、PLC等自控系統(tǒng)接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，計(jì)量?jī)x表、在線檢測(cè)儀通過采集網(wǎng)關(guān)接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。為了保證工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性，使用工業(yè)隔離網(wǎng)關(guān)進(jìn)行安全隔離。過程控制層一方面接受來(lái)自生產(chǎn)執(zhí)行層下達(dá)的作業(yè)指令和操作指令；另一方面把生產(chǎn)線、裝置、設(shè)備及智能儀表、在線檢測(cè)儀產(chǎn)生的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過DCS、PLC等自控系統(tǒng)及采集網(wǎng)關(guān)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。

2.2 生產(chǎn)執(zhí)行層

生產(chǎn)執(zhí)行層是整個(gè)生產(chǎn)過程的管控中心，也是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理中心。部署在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警服務(wù)器、MES服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、視頻服務(wù)器等，一方面負(fù)責(zé)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、加工與處理，另一方面對(duì)整個(gè)生產(chǎn)執(zhí)行過程進(jìn)行管控。生產(chǎn)調(diào)度相關(guān)部門可以通過SCADA工作站、工程師站、生產(chǎn)調(diào)度管理終端等監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程，并對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)處理。為了保證生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性，使用工業(yè)防火墻與企業(yè)管理網(wǎng)進(jìn)行安全隔離。生產(chǎn)執(zhí)行層一方面接受來(lái)自企業(yè)管理層的訂單任務(wù)，另一方面反饋訂單的生產(chǎn)情況。生產(chǎn)執(zhí)行層與企業(yè)管理層主要針對(duì)生產(chǎn)、原料、輔助材料、設(shè)備、質(zhì)量、能耗等進(jìn)行信息交互。

2.3 企業(yè)管理層

企業(yè)管理層是整個(gè)企業(yè)資源計(jì)劃與協(xié)調(diào)的中心，部署關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、ERP服務(wù)器、辦公服務(wù)器等。對(duì)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)資源計(jì)劃管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、原料庫(kù)存管理、質(zhì)量管理等；對(duì)外進(jìn)行客戶關(guān)系管理、供應(yīng)鏈跟蹤管理等。企業(yè)管理網(wǎng)通過防火墻接入因特網(wǎng)，通過手機(jī)、Pad等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)方便、快捷的遠(yuǎn)程及移動(dòng)辦公。

3 MES系統(tǒng)功能架構(gòu)

MES系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖2。

圖2 MES系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖

4 MES系統(tǒng)功能組件模塊設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控模塊

將各中控室數(shù)據(jù)采集至調(diào)度中心集中監(jiān)控;對(duì)生產(chǎn)線上關(guān)鍵設(shè)備，如感應(yīng)爐、精密鑄造爐、霧化制粉設(shè)備，臥式高真空熱處理爐等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊，將設(shè)備數(shù)據(jù)傳送至工藝控制室；可實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備監(jiān)測(cè)或遠(yuǎn)程控制。將各設(shè)備的PLC、Scada和DCS系統(tǒng)統(tǒng)一采集至調(diào)度中心的ForceControl數(shù)據(jù)平臺(tái)上。調(diào)度中心的集中監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中的畫面監(jiān)控、報(bào)警管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.2 能源管理模塊

主要針對(duì)產(chǎn)品單耗指標(biāo)以有其它能源管理基本功能模塊?，F(xiàn)有的待計(jì)量和管理的能耗測(cè)點(diǎn)主要為單點(diǎn)儀表，按照50臺(tái)考慮。需要在車間部署足夠數(shù)量的串口服務(wù)器，串口服務(wù)器通過RS232/485將能耗表計(jì)設(shè)備接入，并轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口，接入現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)交換機(jī)（車間級(jí)工控網(wǎng)絡(luò)已部署）通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度中心的服務(wù)器上。

現(xiàn)場(chǎng)能源表計(jì)→Moxa串口服務(wù)器→現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)→光纖→調(diào)度中心交換機(jī)→數(shù)據(jù)服務(wù)器。

4.3 設(shè)備管理模塊

設(shè)備臺(tái)賬管理需人工錄入，如設(shè)備廠家品牌、型號(hào)、采購(gòu)年限、投運(yùn)時(shí)間、數(shù)量、位置、責(zé)任班組以及設(shè)備易損件信息。

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控包括：停開機(jī)時(shí)間（可分日、月、年等）、停開機(jī)次數(shù)頻率、設(shè)備負(fù)荷狀況、設(shè)備故障記錄、設(shè)備故障簡(jiǎn)單預(yù)警等。

設(shè)備檢修及維保計(jì)劃包括：設(shè)備故障檢修或正常維護(hù)檢修計(jì)劃生成→下發(fā)檢修計(jì)劃→派工單走流程 檢修班組執(zhí)行檢修→檢修記錄和結(jié)果回饋。

設(shè)備巡檢點(diǎn)檢由智能手持終端通過掃描完成，可生成巡檢路線圖。

4.4 質(zhì)量管理模塊

目前分析化驗(yàn)工作貫穿在整個(gè)生產(chǎn)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，質(zhì)量管理的第一步必須先建設(shè)LIMS（實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)）。工作方式為各個(gè)車間根據(jù)工藝需要，人工取樣、送樣；實(shí)驗(yàn)室完成化驗(yàn)分析后，再由各個(gè)工藝車間來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。除了時(shí)效性較差外，整體流程管理稍顯混亂。同時(shí)目前沒有統(tǒng)一的LIMS數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是以紙質(zhì)和電子文件兩種方式保存。沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)分析功能。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)的優(yōu)化，本項(xiàng)目建立一個(gè)完善的LIMS管理系統(tǒng)。

4.4.1 將現(xiàn)有的所有試驗(yàn)儀器設(shè)備統(tǒng)一管理

首先對(duì)已有資產(chǎn)進(jìn)行編號(hào)。必須通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理?？赏ㄟ^RS232/485和以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)儀器的數(shù)據(jù)采集。對(duì)于已經(jīng)自帶上位機(jī)的試驗(yàn)儀器，可以考慮通過訪問其上位機(jī)的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的采集和共享。這樣所有的數(shù)據(jù)可以在一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和分發(fā)。

4.4.2 對(duì)每一單實(shí)驗(yàn)室工作采用作業(yè)制（Jobs）

每一個(gè)作業(yè)工單須完整記錄：本次作業(yè)工單編號(hào)，以及本編號(hào)對(duì)應(yīng)的是xx車間xx性質(zhì)的化驗(yàn)送檢，由xx人負(fù)責(zé)送樣；預(yù)計(jì)在yy時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果返回；本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的審批分別由X→Y→Z兩級(jí)（或者實(shí)際更多的）審批流程完成；實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回給xx車間的aa人員。除了簽字確認(rèn)的紙面實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，實(shí)驗(yàn)報(bào)告還應(yīng)支持PC在線查詢。同時(shí)所有數(shù)據(jù)還應(yīng)完整地記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后期數(shù)據(jù)分析、比對(duì)和追查。

4.4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給生產(chǎn)車間后，生產(chǎn)車間根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)生產(chǎn)過程控制參數(shù)進(jìn)行了哪些調(diào)整（自動(dòng)采集反饋或人工反饋）？調(diào)整后的生產(chǎn)過程運(yùn)行參數(shù)又發(fā)生了哪些變化（自動(dòng)采集）？這些數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，關(guān)聯(lián)后進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。通過配合打碼與掃描方式完成質(zhì)量管理模塊，并從現(xiàn)有LIMS系統(tǒng)調(diào)取數(shù)據(jù)反饋給對(duì)應(yīng)車間，與質(zhì)量管理相關(guān)聯(lián)，形成閉環(huán)。最后再返回去指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的高級(jí)階段。

5 MES系統(tǒng)選型

5.1 FInfoWorx平臺(tái)

MES平臺(tái)軟件介紹在企業(yè)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中居于信息管理與生產(chǎn)調(diào)度層，針對(duì)具有MES特征及其它工廠信息化應(yīng)用，配合使用其他產(chǎn)品，為MES及生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)行業(yè)的整體信息化提供解決方案。

采用與FORCECON產(chǎn)品家族其它成員共同來(lái)提供智能制造整體方案，智能生產(chǎn)信息門戶集成平臺(tái)——FInfoWorx平臺(tái)包含構(gòu)架門戶系統(tǒng)的基本管理功能，如用戶管理、資源角色管理、數(shù)據(jù)角色管理、資源管理、組織機(jī)構(gòu)、菜單管理、模塊管理及元數(shù)據(jù)管理等。支持將第三方信息系統(tǒng)集成到平臺(tái)中，從而形成完整的工廠智能解決方案。

FinforWorx平臺(tái)完全是模塊化設(shè)計(jì)，提供基礎(chǔ)的工廠數(shù)據(jù)建模和各類豐富的分析組件，該平臺(tái)可分為采集層、數(shù)據(jù)層、Web服務(wù)層、Web前端等，從而為企業(yè)智能制造的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)分析、診斷及展示。針對(duì)節(jié)能降耗領(lǐng)域的管控中心建設(shè)可提供橫向和縱向能源分析、能源診斷、能源審計(jì)及能源設(shè)備診斷等管理功能。

FinforWorx平臺(tái)是基于J2EE開發(fā)規(guī)范，面向SOA架構(gòu)集成的一個(gè)基礎(chǔ)的開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，它負(fù)責(zé)提供應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中的所需的各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)組件，并在應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行期提供安全、穩(wěn)定的運(yùn)行支持，為適配各行業(yè)定制化系統(tǒng)，提供一個(gè)通用的、統(tǒng)一的技術(shù)解決方案。

信息門戶集成平臺(tái)如圖3所示。

圖3 信息門戶集成平臺(tái)示意圖

5.2 FInfoWorx平臺(tái)產(chǎn)品架構(gòu)

FInfoWorx為用戶定制化系統(tǒng)提供了一個(gè)可視化的開發(fā)平臺(tái)。提供了動(dòng)態(tài)、靈活、快速的開發(fā)功能模塊，包含動(dòng)模型設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、報(bào)表設(shè)計(jì)、頁(yè)面組態(tài)設(shè)計(jì)、SSO單點(diǎn)登錄等組件化管理模式。MES平臺(tái)軟件（FInfoWorx）內(nèi)部架構(gòu)如圖4所示。

圖4 MES平臺(tái)軟件（FInfoWorx）內(nèi)部架構(gòu)圖

FInfoWorx信息化平臺(tái)分為數(shù)據(jù)采集層、消息總線層、消息處理層、數(shù)據(jù)處理層、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口服務(wù)、應(yīng)用支撐服務(wù)、系統(tǒng)服務(wù)、表現(xiàn)層服務(wù)。

數(shù)據(jù)采集層：采集驅(qū)動(dòng)可以根據(jù)采集API實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)源的采集，目前平臺(tái)已支持pspace6的采集功能。

消息總線（JMS消息總線）：平臺(tái)采用強(qiáng)勁開源的ActiveMQ中間件作為消息總線，支持JMS1.1和J2EE1.4規(guī)范。

消息處理層：用于對(duì)消息總線上的消息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，還原為原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息過程；平臺(tái)支持接收端的API。

數(shù)據(jù)處理層：用于接收到訂閱的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理功能，可以對(duì)訂閱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一接口推送到前端，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)永久性存儲(chǔ)；同樣客戶端支持接收處理API，供開發(fā)個(gè)性化的數(shù)據(jù)處理功能。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口：支持對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、文件等數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問；前端各個(gè)應(yīng)用都可以通過數(shù)據(jù)訪問統(tǒng)一接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

應(yīng)用支撐層：支持上層各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)所依賴的各種環(huán)境，主要包括：安全控制引擎、組件引擎、報(bào)表引擎、工作流引擎及SSO單點(diǎn)認(rèn)證系統(tǒng)等，為上層定制個(gè)性化業(yè)務(wù)系統(tǒng)而服務(wù)。

系統(tǒng)服務(wù)層：用于定制開發(fā)和集成的各種個(gè)性化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

表現(xiàn)層：平臺(tái)支持靈活的頁(yè)面表現(xiàn)形式，可以對(duì)各個(gè)頁(yè)面進(jìn)行靈活的組合及發(fā)布，可以構(gòu)建個(gè)性化的頁(yè)面。

6 結(jié)語(yǔ)

MES是一個(gè)基于組件化的企業(yè)智能制造管理平臺(tái)，也是企業(yè)構(gòu)建兩化融合解決方案的重要開發(fā)平臺(tái)和工具。它可以為企業(yè)提供生產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理、實(shí)時(shí)決策調(diào)度、設(shè)備動(dòng)態(tài)管理、生產(chǎn)預(yù)警、能源管理等生產(chǎn)應(yīng)用，構(gòu)建一個(gè)精準(zhǔn)、高效、智能的Web企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮與在線運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)人工生產(chǎn)方式管理粗放、低率、低下的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的提質(zhì)增效和節(jié)能降耗目標(biāo)。MES系統(tǒng)生產(chǎn)管理技術(shù)在智能制造領(lǐng)域具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。