王彥桂 梁永宏

1 前言

工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是處于計(jì)劃層和控制層之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。MES國(guó)際聯(lián)合會(huì)(MESA)對(duì)MES的定義如下[1]：MES能通過(guò)信息的傳遞對(duì)從生產(chǎn)命令下發(fā)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠中有實(shí)時(shí)事件發(fā)生時(shí)，MES能及時(shí)對(duì)這些事件做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行約束和處理。

制造現(xiàn)場(chǎng)往往是連續(xù)作業(yè)的，系統(tǒng)的任何故障導(dǎo)致的停工、緩工都將引起企業(yè)損失。因此充當(dāng)制造現(xiàn)場(chǎng)管理角色的MES系統(tǒng)必須非常穩(wěn)定，保證企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)發(fā)生的情況多種多樣，現(xiàn)場(chǎng)MES系統(tǒng)應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)管理中可能出現(xiàn)的情況，應(yīng)能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)管理的各種需要，突出系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼顧靈活性[2]。

實(shí)施大型MES系統(tǒng)需涉及大量的生產(chǎn)制造知識(shí)和管理知識(shí)并包含復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，使得選取強(qiáng)大穩(wěn)定的MES平臺(tái)軟件成為實(shí)施MES系統(tǒng)的首選方案，Intrack就是這樣一個(gè)軟件平臺(tái)。選取平臺(tái)軟件之后就可以圍繞現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝過(guò)程和設(shè)備績(jī)效管理要求等進(jìn)行MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

2 Intrack簡(jiǎn)介

美國(guó)Wonderware公司是MESA的成員，Intrack是其 FactorySuite軟件系列產(chǎn)品中的用于構(gòu)建 MES系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠生產(chǎn)過(guò)程的跟蹤。Intrack主要由Intrack ModelMaker及Intrack Runtime兩部分組成，它們共同形成了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，使構(gòu)建MES變得更加方便、快捷[3]。

MES系統(tǒng)需要針對(duì)具體的生產(chǎn)流程進(jìn)行計(jì)劃、監(jiān)控、調(diào)度、追蹤，在每一個(gè)工序，它需要將物料、設(shè)備、人員等生產(chǎn)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，并根據(jù)工序路線(xiàn)、BOM 等進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。因此必須能夠?qū)⒐ば蚵肪€(xiàn)、BOM 等重要基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行配置設(shè)定。Intrack Modelmaker是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，以圖形化的形式提供生產(chǎn)過(guò)程建模，并生成數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，Intrack數(shù)據(jù)庫(kù)目前支持Oracle及SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

MES系統(tǒng)還必須包含大量的前臺(tái)程序，以進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、收集和錄入。這些前臺(tái)程序?qū)笈_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并記錄各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

ModelMaker的主要功能是進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程建模，它通過(guò)創(chuàng)建相互聯(lián)系的各種結(jié)構(gòu)對(duì)象，來(lái)詳細(xì)描述生產(chǎn)模型， 并構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Intrack能夠以直觀的圖形化方式，通過(guò)拖動(dòng)或點(diǎn)擊進(jìn)行以加工路徑為核心的建模工作。

ModelMaker可創(chuàng)建包括工作日歷對(duì)象、場(chǎng)所對(duì)象、物料對(duì)象、操作指令對(duì)象、設(shè)定模版對(duì)象、數(shù)據(jù)集模版對(duì)象、工序?qū)ο?、加工路徑?duì)象等。

3 MES系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

企業(yè)生產(chǎn)的整個(gè)流程大致上包括了以下幾大環(huán)節(jié)：供應(yīng)商質(zhì)量控制、原輔料檢驗(yàn)、原輔料倉(cāng)庫(kù)和配送管理、車(chē)間配置生產(chǎn)、成品檢驗(yàn)和成品包裝管理。為了保障安全生產(chǎn)規(guī)范的落實(shí)，企業(yè)的管理人員都應(yīng)該緊密參與到日常生產(chǎn)管理中，將每個(gè)產(chǎn)品批次的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都完整地記錄下來(lái)[4]。

以一個(gè)批次生產(chǎn)的企業(yè)為藍(lán)本設(shè)計(jì)的基于Intrack實(shí)施的MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將MES系統(tǒng)分為生產(chǎn)運(yùn)作管理子系統(tǒng)和生產(chǎn)執(zhí)行管控子系統(tǒng)，運(yùn)作管理子系統(tǒng)完成與 ERP系統(tǒng)的交互，執(zhí)行管控子系統(tǒng)完成于設(shè)備層的交互。

圖1 MES系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 利用擴(kuò)展功能進(jìn)行模型優(yōu)化

在生產(chǎn)建模工具中，系統(tǒng)對(duì)常用的對(duì)象應(yīng)定義了屬性，雖然在大多數(shù)情況下能滿(mǎn)足要求，但在實(shí)際應(yīng)用中還可能需要擴(kuò)展。例如對(duì)場(chǎng)所對(duì)象、要求名稱(chēng)、面積等屬性。Intrack提供了用戶(hù)自定義（UDA）這一機(jī)制來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展，可以方便地向?qū)ο筇砑訉傩浴?/p>

Intrack給我們提供了MES系統(tǒng)所需的總體數(shù)據(jù)框架，有時(shí)一些應(yīng)用邏輯并不包含在該框架中，Intrack提供了用戶(hù)自定義表（UDT）來(lái)定義這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以經(jīng)Intrack Runtime進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。

在同一生產(chǎn)線(xiàn)，可能要同時(shí)生產(chǎn)滿(mǎn)足不同客戶(hù)需要的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在局部存在差異[5]。Intrack的客戶(hù)自定義功能使我們只需要對(duì)原始模型做簡(jiǎn)單修改，就可表達(dá)出不同的用戶(hù)需要。

利用Intrack可建立優(yōu)化的MES詳細(xì)對(duì)象模型如圖2所示。

圖2 MES詳細(xì)對(duì)象模型

5 設(shè)備績(jī)效指標(biāo)設(shè)計(jì)

設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行績(jī)效在MES系統(tǒng)中至關(guān)重要，通過(guò)以下幾點(diǎn)可以了解設(shè)備利用率與性能情況：○1了解生產(chǎn)瓶頸；○2進(jìn)行生產(chǎn)損耗及事件的分析；○3了解實(shí)際進(jìn)度并進(jìn)行計(jì)劃的對(duì)比。

設(shè)備的利用方面，Intrack能夠檢測(cè)和獲取停機(jī)事件，查看設(shè)備事件，監(jiān)控和記錄設(shè)備狀態(tài)，自動(dòng)或手動(dòng)分配原因代碼，根據(jù)要求預(yù)置利用率分析。

Intrack可為設(shè)備/生產(chǎn)線(xiàn)計(jì)算 OEE(overall equipment effectives)，觸發(fā)事件和顯示，分析事件頻率和持續(xù)時(shí)間。實(shí)時(shí)地為操作員提供關(guān)于訂單進(jìn)度的清晰指示，計(jì)算OEE其它關(guān)鍵參數(shù)的同時(shí)，能夠評(píng)測(cè)預(yù)期的完成日期與時(shí)間。工廠時(shí)間分配如圖3所示，利用此模型可以方便地設(shè)計(jì)工廠設(shè)備績(jī)效指標(biāo)。

圖3 工廠時(shí)間分配圖

設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行績(jī)效參數(shù)計(jì)算公式如下：

6 MES系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程規(guī)劃

為大型企業(yè)實(shí)施一個(gè)MES系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)實(shí)施過(guò)程也要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)規(guī)劃，保證項(xiàng)目能夠成功，可以用以下幾個(gè)步驟來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)施MES系統(tǒng)：

（1）、系統(tǒng)的需求分析。進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)管理體系的現(xiàn)狀調(diào)查，包括組織機(jī)構(gòu)、企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程（包括采購(gòu)供應(yīng)過(guò)程、原輔料庫(kù)存管理過(guò)程、生產(chǎn)制造過(guò)程、成品管理過(guò)程及質(zhì)量管理過(guò)程等）的調(diào)查分析。

（2）、合理抽象過(guò)程。分析調(diào)研生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)管理需求并進(jìn)行深入抽象分析。

（3）、確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層和數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，以包含系統(tǒng)控制組件和業(yè)務(wù)服務(wù)組件的服務(wù)組件層為核心，通過(guò)對(duì)平臺(tái)軟件組件調(diào)用及業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)組件的二次開(kāi)發(fā)形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（4）、建立系統(tǒng)的功能模型。利用平臺(tái)參考本文涉及建立企業(yè)采購(gòu)管理、庫(kù)存管理、生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)指令管理、質(zhì)量檢驗(yàn)與質(zhì)量保證、成品管理等生產(chǎn)運(yùn)作管理功能。

（5）、建立系統(tǒng)的信息模型。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求確定相應(yīng)數(shù)據(jù)信息流向和描述內(nèi)容，采用數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)工具，建立系統(tǒng)的信息模型。

（6）、設(shè)計(jì)本平臺(tái)內(nèi)部及與其他應(yīng)用系統(tǒng)的信息接口。要求系統(tǒng)具有較好的開(kāi)發(fā)性，接口設(shè)計(jì)規(guī)范，自身封裝嚴(yán)密。

（7）、系統(tǒng)編程與調(diào)試。完成系統(tǒng)主要功能的開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)試與測(cè)試。

（8）、系統(tǒng)實(shí)施與應(yīng)用效果評(píng)估。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)應(yīng)用的效果進(jìn)行評(píng)估，不斷完善應(yīng)用系統(tǒng)。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)施MES的情況，采用Intrack可使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員將精力集中于生產(chǎn)模型的抽象和建立上，明顯簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，降低客戶(hù)端開(kāi)發(fā)工作量，使用本文理念為某知名制造企業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)施的MES系統(tǒng)獲得了客戶(hù)及業(yè)界廣泛好評(píng)。

[1] MESA International, “MES Explained: A High Level Vision”White Paper6 (Pittsburgh: Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997)

[2] 饒運(yùn)清.MES-面向制造車(chē)間的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)[J].信息技術(shù),2002,02

[3] Wonderware, Intrack 7.1 Developer Guide

[4] MESA International, “MES Functionalities & MRP to MES Data Flow Possibilities,” White Paper2 (Pittsburgh:Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997)

[5] 王俊彪等.制造企業(yè)復(fù)雜信息對(duì)象編碼結(jié)構(gòu)模型[J].現(xiàn)代制造工程,2007,07