MES的技術(shù)架構(gòu)

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

MES在工廠綜合自動化系統(tǒng)中起著中間層的作用——在MRP II、erp系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計劃的指導下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實時數(shù)據(jù)，對短期生產(chǎn)作業(yè)的計劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程進行優(yōu)化。那么，MES依靠哪些技術(shù)、模塊實現(xiàn)這一目標？尤其是與ERP、控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)協(xié)作呢？

作為一種計算機輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)，MES重要使命就是實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。它包含了許多功能模塊。通過實踐，MESA（MES國際聯(lián)合會）歸納了十一個主要的MES功能模塊，包括工序詳細調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集等模塊。

對于這個歸納，業(yè)界還有一點爭議。NIST（美國國家標準與技術(shù)研究組織）在向OMG（Object Management Group，對象管理組織）提交的《NIST Response to MES Request for Information》報告中就認為：MESA的歸納中，過程管理不應(yīng)單獨作為一個功能模塊，而應(yīng)該添加一個物料管理模塊。我們也認為，MES應(yīng)具有物料管理功能。

攜手上下層、優(yōu)化數(shù)據(jù)流

通過上述這些模塊有效協(xié)作，MES在工廠綜合自動化系統(tǒng)中起著中間層的作用。在MES下層，是底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)，包括DCS、PLC、NC/CNC和SCADA或這幾種類型的組合；在MES上層，則是高層管理計劃系統(tǒng)，包括ERP、MRP II。

從時間因素分析，在MES之上的計劃系統(tǒng)考慮的問題域是中長期的生產(chǎn)計劃（時間因子＝100倍），執(zhí)行層系統(tǒng)MES處理的問題域是近期生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)調(diào)安排問題（時間因子＝10倍），控制層系統(tǒng)則必須實時地接收生產(chǎn)指令，使設(shè)備正常加工運轉(zhuǎn)（時間因子＝1倍）。它們相互關(guān)聯(lián)、互為補充，實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。

從層次角度分析，制造企業(yè)的控制結(jié)構(gòu)可劃分為工廠層（或公司層）、車間層、單元層和設(shè)備層。其中，單元層相當于一般企業(yè)的工段或班組。通常，ERP系統(tǒng)處于工廠層和車間層，有時會擴展到單元層。設(shè)備控制系統(tǒng)處于設(shè)備層，有時會擴展到單元層。而MES則總是處于車間層與單元層。因此，MES與ERP在車間層（有時包括單元層）在功能上會有部分重復，MES與設(shè)備控制系統(tǒng)在單元層有時也會有部分功能重疊，如圖1所示。

圖1 計劃控制與信息反饋流程及MES與ERP、設(shè)備控制系統(tǒng)之間的關(guān)系

在MRP II、ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計劃的指導下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實時數(shù)據(jù)，進行短期生產(chǎn)作業(yè)的計劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程的優(yōu)化等工作。圖2描述了MES在企業(yè)中的數(shù)據(jù)流圖。

圖2 MES在企業(yè)中數(shù)據(jù)流圖

控制與信息反饋流程以及MES與ERP、設(shè)備控制系統(tǒng)之間的關(guān)系。在圖1中，計劃與控制指令自上而下越來越詳細與具體，而由分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)自下而上經(jīng)過層層匯總，數(shù)據(jù)的綜合性越來越強。

在信息交互的具體內(nèi)容方面，MES向上層提交周期盤點次數(shù)、生產(chǎn)能力、材料消耗、勞動力和生產(chǎn)線運行性能、在制品(WIP)存放位置和狀態(tài)、實際定單執(zhí)行等涉及生產(chǎn)運行的數(shù)據(jù)；向底層控制系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)指令控制及有關(guān)的生產(chǎn)線運行的各種參數(shù)等。圖3描述了MES與計劃層和控制層的信息交互關(guān)系。

與ERP優(yōu)勢互補

ERP的不足

雖然ERP能夠很好地解決生產(chǎn)計劃問題，但是在車間這一層次的控制卻往往不夠完善。例如，ERP里面的車間控制模塊計劃功能一般很弱，主要是執(zhí)行MRP計劃。它把MRP計劃變換為車間加工單和調(diào)度單，并按車間加工單和調(diào)度單執(zhí)行，同時對計劃執(zhí)行情況進行反饋，并進行投入與產(chǎn)出控制。

ERP系統(tǒng)車間加工單和調(diào)度單的時間跨度（或計劃期）常常比較長，通常為周。車間加工單和調(diào)度單中的設(shè)備資源，則是以工作中心為單位的，但對工作中心的定義往往沒有嚴格規(guī)定，完全根據(jù)系統(tǒng)的實施要求和控制細度來確定的。通常，工作中心在ERP中被定義為一組設(shè)備資源，所有信息的反饋與成本的核算等都是以工作中心為單位進行的。

ERP通常采集主要工序現(xiàn)場信息的時候，基本靠手工錄入，不僅效率低、易出錯，而且輸入的數(shù)據(jù)是基本上是前一個班或前一天的數(shù)據(jù)，信息滯后。

MES的優(yōu)勢

MES的計劃調(diào)度功能與ERP車間層的功能有些類似，但MES的計劃調(diào)度的功能比較強，制定的計劃也比較詳細。

MES一般按車間層和單元層分級制定作業(yè)計劃，并對車間的每一臺設(shè)備或操作人員分派任務(wù)。MES中的車間加工單與ERP的類似，MES中的調(diào)度單是對車間加工單在時間和空間范圍內(nèi)的進一步分解，通常會細化到計劃期內(nèi)每個單元每臺設(shè)備每天（或每班）的生產(chǎn)任務(wù)。同時，以分派工單的形式把第二天或下一班的生產(chǎn)任務(wù)分派到每一個操作人員（或設(shè)備）上。

MES系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)不僅包括每臺設(shè)備、每個工序和每個操作人員的數(shù)據(jù)，還包括加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于采用自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使狀態(tài)數(shù)據(jù)可實時采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過層層匯總，最后可得到整個工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

如果把MES與ERP集成起來，不僅能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢；同時，可使MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃更合理，使ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更及時有效，工作效率更高。MES與ERP間的集成數(shù)據(jù)與MES、ERP間的界面劃分有關(guān)。一般而言，即可以由MES來承擔所有車間層和單元層的功能，也可以由ERP承擔車間層的功能，由MES來承擔單元層的功能。但從系統(tǒng)的集成角度看，由MES來承擔所有車間層和單元層的功能實施比較容易。

MES的獨到技術(shù)

MES涉及的技術(shù)領(lǐng)域，很多方面與MRP II、ERP所用技術(shù)相類似。這里，僅就MES中較有特色的技術(shù)進行說明。

運行狀態(tài)實時采集技術(shù)

這種技術(shù)是對機床的開/停、加工運行狀態(tài)進行實時采集，為計劃控制和動態(tài)調(diào)度提供及時、準確的信息支持，使車間管理與控制真正做到實時。

機床的開/停、加工運行狀態(tài)進行實時采集的技術(shù)方案，將根據(jù)機床設(shè)備的具體情況確定。對于可以直接上網(wǎng)、支持OPC的機床，采用基于OPC的狀態(tài)信息采集方案，通過標準的OPC接口和必要的軟件配置，直接讀取機床的各種狀態(tài)信息即可。

對于不支持OPC的數(shù)控設(shè)備開/關(guān)機與運行狀態(tài)信息采集，要通過測量數(shù)控設(shè)備中的控制面板、機床電氣控制電路中有關(guān)點的模擬信號及其變化，并進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換，再利用DNC接口上的I/O接口來實現(xiàn)。

車間控制器可根據(jù)各單元設(shè)備配置情況與所記錄的狀態(tài)信息，可顯示車間內(nèi)各單元的數(shù)控設(shè)備分布情況及運行狀態(tài)，并對設(shè)備的運行時間、停機時間和設(shè)備利用率等進行統(tǒng)計。

NC程序的傳輸技術(shù)

對不同的數(shù)控機床進行NC程序的雙向傳輸，對機械制造業(yè)MES系統(tǒng)具有十分重要的意義。在MES系統(tǒng)中，NC程序的雙向傳輸主要解決具有不同傳輸協(xié)議的數(shù)控系統(tǒng)NC程序的傳輸問題。

通常，NC程序的雙向傳輸采用基于RS-232C的點對點通信聯(lián)接。這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單、傳輸可靠，在拓撲上為星形結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議簡單，通訊速率一般在110-9600bit/s之間，技術(shù)上比較成熟，系統(tǒng)組成也相對簡單，易于實現(xiàn)，是一種應(yīng)用較多而又經(jīng)濟可靠的一種方案。

但是，盡管RS-232C標準傳輸電平擺幅較大，抗干擾能力提高，但由于允許電容負載，因而傳輸距離受限。當主機與數(shù)控機床通訊距離超過30M（波特率為4800bps）時，不能直接用RS-232C進行通訊。延長通訊距離的方法有多種，如采用MODEM、串口服務(wù)器、RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換、長線收發(fā)器等。

不同的數(shù)控系統(tǒng)與PC計算機的握手信號是不同的，通常有硬件握手、軟件握手兩種形式。如FANUC數(shù)控系統(tǒng)通常采用軟件握手，Siemens的數(shù)控系統(tǒng)采用硬件握手，硬件握手信號有DTR、DSR、RTS和CTS。數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議一般有XON/XOFF協(xié)議和自動重復請求的ARQ協(xié)議兩大類。對不同的握手信號與通信協(xié)議，需要采用不同的通信控制方式。

維修知識庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)

維修知識庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)，也是MES的一項關(guān)鍵技術(shù)，它可以實現(xiàn)輔助故障診斷，診斷故障模塊更多地考慮結(jié)構(gòu)化問題的分析與判斷。

在對故障的統(tǒng)計、歸類分析的基礎(chǔ)上，建立故障現(xiàn)象與原因之間的關(guān)系，通過決策樹的方式支持故障診斷。考慮到維修知識庫的建立與完善是一個漸進的過程，因此考慮開發(fā)具有自學習功能的數(shù)控機床維修管理信息系統(tǒng)，將成功的維修案例記錄到系統(tǒng)中，系統(tǒng)能提取相關(guān)信息，對決策樹進行擴充，實現(xiàn)知識的積累。系統(tǒng)面向零件主題組織機床零備件更換的工藝，并將操作復雜，拆/裝工藝要求高的操作過程保存為影像資料，便于以后的機床維修或維修操作培訓參考。

來源：工業(yè)工程研究所