智能化生产管理技术MES制造执行系统设计方法

重庆川仪调节阀有限公司 胡建

制造执行系统(MES)用于连接企业资源规划(ERP)系统和工厂设备控制或监督控制和数据采集(SCADA)应用程序，在工业4.0制造范式中发挥着重要作用。本文针对智能化生产管理技术MES制造执行系统设计方法，首先介绍了MES制造执行系统设计目标；其次探讨了MES制造执行系统部署架构；再次分析了MES制造执行系统功能；最后提出了MES制造执行系统模块设计。所提出的MES制造执行系统设计方法，能够应用于大部分生产制造企业的智能化生产管理所需，满足工业4.0时代的发展要求，值得从业人员思考和借鉴。

从20世纪60年代信息系统在工业中首次引入以取代纸质系统开始，它们随着数据库系统和计算机网络的发展而发展，通过支持业务流程、信息流和分析，在制造企业中扮演着重要角色[1]。直到今天，可编程逻辑控制器(PLC)和企业决策管理信息化(ERP)已被纳入大多数制造企业的生产系统和管理领域，但更高级别的自动化，如监督控制和数据采集(SCADA)和制造执行系统(MES)依然不是所有制造企业的标准配置。如果没有更高级别的自动化，制造企业将因技术错误而遭受巨大的经济损失，尤其是MES制造执行系统中使用的工具，例如故障模式和影响分析(FMEA)，可用于通过仔细规划和设计来排除技术问题，是将生产管理由粗放低效的传统人工管理方式改进为智能信息化方式，切实实现了企业生产的提质增效和节能降耗目标[2]。鉴于此，本文提出一种MES制造执行系统的设计方法，旨在补充现有MES制造执行系统的设计理论，为相关从业人员提供一定的实践经验。

1 MES制造执行系统设计目标

早在20世纪90年代中期，国外的制造企业就已经开始应用MES制造执行系统。MES制造执行系统提供了一种整体实时优化制造过程的方法，将MES与其他自动化系统（ERP、SCADA）相结合，因为功能集成使得生产流程中的各个环节和设备能够很好地协同工作，以此提高制造企业的生产竞争力。随着MES制造执行系统技术的成熟，由此衍生出的ISA-95标准明确规定了MES的子系统，并定义了ERP系统、MES和其他自动化系统之间的边界，为MES提供了设计指南[3]。随着计算能力在越来越小的单元中可用的发展成为具有高耐热性的低能量系统以及可靠性和运行稳定性的增长，MES制造执行系统在过去几年中在非常多样化的应用领域中变得越来越重。

现如今，随着与生产相关的活动的优化成为社会各界共同关注的问题，MES制造执行系统的预期目标包括：创新和可持续的模块化设计；可扩展并适应当地条件的解决方案；优化资源再利用，最大限度地减少生产排放以及提高生产回收，同时最大限度地减少能源需求和基础设施要求和运营成本。在这种情况下，除了使用SCADA管理低级控制器和扩展调节和控制能力外，MES制造执行系统将涵盖生产制造的组织、财务和整体管理方法，并将优化管理概念应用于系统。在MES制造执行系统开发过程中，最终用户的需求和要求在新系统的设计和开发中不断受到质疑、识别和考虑，以找到合适且实用的解决方案。

具体来说，MES制造执行系统的目的是通过制定以下目标，在更高层次上建立人力资源、材料管理、会计和生产之间的联系：使用更好的工作流程控制来优化整个供应链，并通过高度集成和防止孤立的解决方案降低运营成本；提高用于评估流程和产品的数据质量；提高整个生产过程的可见性和透明度。MES制造执行系统的高可用性、易用性等要求确保了对操作人员的积极支持，与传统的生产管理系统相比，将在管理水平上有明显提高。MES制造执行系统由可扩展的模块组成，具有高度的灵活性和适应性。因此，它适用于不同的地理条件，既适用于农村地区的农业生产，也适用于城市地区的工业制造。总之，MES制造执行系统将在制造环境中的节能、环境影响和财务成本方面提供高效的系统解决方案。

2 MES制造执行系统部署架构

MES制造执行系统由一组硬件+软件组件组成，使系统管理人员能够控制整体生产。该系统收集数据并将其转换为可实时使用的信息，提供有关效率、浪费和能源使用等因素的信息。这使管理层和员工能够做出更准确的分析和明智的决策。因此，MES制造执行系统的基础是计划系统和生产系统之间的连接，从而连接目标与实际比较和收益预览[4]。具体来说，整个生产企业的系统划分为三层，过程控制层、生产执行层和企业管理层。MES作为生产执行层的核心系统，在整个企业信息集成系统中承上启下，是企业生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，MES与SCADA/PLC系统、数据库、模型库和人机界面（HMI）有直接的接口。

3 MES制造执行系统功能

针对制造企业的生产所需，大部分的MES制造执行系统中都包含以下功能：

（1）产品定义管理功能。这包括存储、与其他数据系统交换，例如产品生产规则、参数、工艺设定点和数据，所有这些都专注于回答如何在MES制造执行系统中生产的问题。（2）MES制造执行系统资源的管理功能。这包括记录、注册和预订、分析可用资源信息，目的是利用可用和适当的资源准备和执行生产订单。（3）调度生产过程功能。此功能确定用于生产的操作计划，作为工作订单的集合，以满足从模拟模型接收的生产要求，从而优化利用可用的本地资源。（4）生产性能分析功能。此功能从原始实时收集的有关生产过程当前状态的数据中生成非常有用的辅助数据和信息，例如进行中的工作(WIP)概述，以及过去一段时间整体设备效率，如机械或任何其他性能指标。（5）生产跟踪和追溯功能。记录和检索相关信息，以便能够跟踪生产批次、订单或设备的完整历史（在与健康相关的生产中尤其重要，例如食品生产、药品生产）等。（6）将包括SCADA系统等在内的所有来源的数据提取到公共数据库中的功能。（7）对MES制造执行系统设备和资源进行检查，并通知其他系统设备状态和生产过程的进度的功能。（8）报告功能。这主要是来自MES制造执行系统的信息的可视化。

为了能够完成上述所有功能任务，MES制造执行系统需要连接到一个数据库，该数据库可以处理多个不同的实体，例如时间序列（历史和预测）、来自SCADA系统的实时数据以及系统参数操作规则等。其中，数据库的非实时部分可用于容纳数据，例如来自仿真模型的结果，以及MES制造执行系统所需的其他商业数据；数据库的实时部分可用于处理来自SCADA系统的静态和动态数据；数据库的历史部分可用于保存计算结果并永久保存来自仿真模型和SCADA系统的数据。此外，MES制造执行系统需要多个模型，例如体积和流量模型、废物产生模型、计量经济学模型等来执行预测分析[5]。

具体来说，MES制造执行系统功能依靠C#.NET 编程语言和NET Framework来实现，系统采用三层架构，其中表示层使用WF开发的，主要用于获取用户数据并将其传递给MES功能层层进行进一步处理。值对象从MES功能层层接收数据，以用户可以解释的适当形式表示它。它包含用于将数据从一个类传递到另一个类的Getter和Setter。中间层即MES功能层，具有生产计划、生产监控等功能，用于表示层，还用于加速表示层和数据层之间的信息交换。如功能部分所述，它为业务流程提供逻辑和数据访问。数据层包括在MySQL框架中实现的数据库。数据库管理系统(DBMS)具有两个部分的功能，即dbConnection和DAO。dbConnection用于建立和关闭连接，并对数据库进行诸如 Select、Update 和Delete查询等活动。在数据库访问层(DAO)中，查询是基于从MES功能层层接收的参数构建的，并将其传递给dbConnection类执行，结果从dbConnection类返回给MES功能层。

4 MES制造执行系统模块设计

毋庸置疑，企业互操作性和可追溯性是信息系统实现智能制造过程中的需要。传统的MES模块设计是为了适应企业所购买的生产工具，而不是实际的生产需要，但是，正如ERP的发展已经超越了企业界限，跨组织地协作以支持新出现的业务需求一样，MES的范围也在不断扩大，包括制造企业的供应、设计和业务功能。为此，智能制造在车间里安装互联网设备，网络物理系统(CPS)将处理实物资产和计算能力之间的相互连接。为了充分利用MES在制造业生态系统中的潜力，必须在数字化转型时代的影响下，设计更加科学、合理且完善的系统模块以响应生产变化，反映系统功能，扩展MES组件以及与各种外部系统的信息交互[6]。这些要求一般与MES模块的特性有关。

（1）在功能方面，必须由单独开发的模块组成，每个模块的安装必须独立于其他模块；（2）模块必须能够在较大范围内上升，以便在将来的生产能够扩展和修改；（3）数据处理组件必须与其他组件兼容，各种数据处理和自动化硬件必须与它们进行数据交换；（4）组件必须能够与其用户通信，并能直接接入互联网(html和xml markuplangages格式的数据传输)，以及使用蜂窝式通信；（5）组件必须确保用户与它的主动交互，而不需要重新编程，比如用户查询来自数据库管理系统(DBMS)的必要信息必须以自然语言(例如，SQL sql)表示；（6）来自其文件的新形式的文档必须依赖于文本编辑器(尤其是Generatorlin.doc)。

基于上述要求和模块特性，MES制造执行系统的设计，至少需要包含几个模块：报告和可视化模块、能源管理模块、设备管理模块和质量管理模块。（1）报告和可视化模块列出生产计划的重要系统数据和任务，显示当前的关键绩效指标、预算比较和接下来的任务。从这个主窗口可以打开更多的窗口，例如业务管理、监控、计划和模拟；（2）能源管理模块提供MES的HMI窗口。该窗口提供有关生产所用能源状况的信息，例如产品单耗指标等，所提供的能源消耗特征曲线可以被调用并用于生产计划。通过能源管理模块，MES可以计算出消耗的能源和产生的废物等信息，这些数据将提供给销售业务，可用于预测销售收入；（3）设备管理模块需人工录入设备厂家品牌、型号、采购年限、投运时间、数量、位置、责任班组以及设备易损件信息，设备巡检点检由智能手持终端通过扫描完成，可生成巡检路线图；（4）质量管理模块可以监测生产质量，贯穿在整个生产流程的各个环节，使用模型来找到最佳生产的比例以及最佳的生产方案和质量控制。

5 结语

综上所述，本文介绍了智能化生产管理中MES制造执行系统的结构和功能。该系统使管理层能够控制从订单发布到成品的生产活动，链接生产制造中的所有流程和数据，监视和控制整个生产，评估所有技术和经济参数，以便为用户提供精确的生产日常概览。在保持当前和准确数据的同时，MES制造执行系统引导、启动响应并报告生产活动的发生，为决策支持流程提供有关生产活动的关键任务信息。MES制造执行系统旨在提供对生产过程的全厂洞察，告知生产状态、生产性能、能源消耗以及生产成本的出现和分配。总之，在智能化生产管理中，MES制造执行系统将改善更好的资源规划和分配，允许监督流程执行，从而可以及时识别和应对异常事件，其主要目标是伴随和监督生产过程，了解当前的生产状态和所有产品的状态，识别生产过程中的异常或临界状态。

引用

[1] 冯毅.昆明卷烟厂生产制造执行系统(MES)的设计及设备管理模块的实现[D].昆明:云南大学,2019.

[2] 陈鲁敏,黄梁,王加兴.离散型智能制造模式研究[J].制造业自动化,2021,43(12):14-18.

[3] 欧阳森山,雷浩,陈琛,等.基于微服务的MES–MSA架构研究[J].航空制造技术,2021,64(20):47-55.

[4] 杨工研,程金石,王德权,等.离散型加工车间MES终端设计与开发[J].组合机床与自动化加工技术,2021(9):172-174+179.

[5] 邓停铭,王淑营,王小强,等.MES中实时异常判定方法与可定制处理流程框架[J].制造业自动化,2021,43(6):21-26.

[6] 王峰,段凯成,陶军.基于MES的电驱生产工序流程设计与实现[J].制造技术与机床,2021(3):54-58.