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MES的技术架构

  南京航空航天大学 楼佩煌教授 叶文华教授   2003-8-5
中国计算机用户

    MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用——在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化。那么，MES依靠哪些技术、模块实现这一目标？尤其是与ERP、控制系统如何实现协作呢？
　　作为一种计算机辅助生产管理系统，MES重要使命就是实现企业的连续信息流。它包含了许多功能模块。通过实践，MESA（MES国际联合会）归纳了十一个主要的MES功能模块，包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集等模块。
　　对于这个归纳，业界还有一点争议。NIST（美国国家标准与技术研究组织）在向OMG（Object Management Group，对象管理组织）提交的《NIST Response to MES Request for Information》报告中就认为：MESA的归纳中，过程管理不应单独作为一个功能模块，而应该添加一个物料管理模块。我们也认为，MES应具有物料管理功能。

　　携手上下层、优化数据流

　　通过上述这些模块有效协作，MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用。在MES下层，是底层生产控制系统，包括DCS、PLC、NC/CNC和SCADA或这几种类型的组合；在MES上层，则是高层管理计划系统，包括ERP、MRP II。
　　从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划（时间因子＝100倍），执行层系统MES处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题（时间因子＝10倍），控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转（时间因子＝1倍）。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。
　　从层次角度分析，制造企业的控制结构可划分为工厂层（或公司层）、车间层、单元层和设备层。其中，单元层相当于一般企业的工段或班组。通常，ERP系统处于工厂层和车间层，有时会扩展到单元层。设备控制系统处于设备层，有时会扩展到单元层。而MES则总是处于车间层与单元层。因此，MES与ERP在车间层（有时包括单元层）在功能上会有部分重复，MES与设备控制系统在单元层有时也会有部分功能重叠，如图1所示。

　　图1 计划控制与信息反馈流程及MES与ERP、设备控制系统之间的关系

　　在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，进行短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程的优化等工作。图2描述了MES在企业中的数据流图。

　　图2 MES在企业中数据流图

　　控制与信息反馈流程以及MES与ERP、设备控制系统之间的关系。在图1中，计划与控制指令自上而下越来越详细与具体，而由分布在生产现场的数据采集系统采集的实时数据自下而上经过层层汇总，数据的综合性越来越强。
　　在信息交互的具体内容方面，MES向上层提交周期盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品(WIP)存放位置和状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等。图3描述了MES与计划层和控制层的信息交互关系。

　　图3 MES与计划层及控制层信息交互

　　与ERP优势互补

　　ERP的不足
　　虽然ERP能够很好地解决生产计划问题，但是在车间这一层次的控制却往往不够完善。例如，ERP里面的车间控制模块计划功能一般很弱，主要是执行MRP计划。它把MRP计划变换为车间加工单和调度单，并按车间加工单和调度单执行，同时对计划执行情况进行反馈，并进行投入与产出控制。
　　ERP系统车间加工单和调度单的时间跨度（或计划期）常常比较长，通常为周。车间加工单和调度单中的设备资源，则是以工作中心为单位的，但对工作中心的定义往往没有严格规定，完全根据系统的实施要求和控制细度来确定的。通常，工作中心在ERP中被定义为一组设备资源，所有信息的反馈与成本的核算等都是以工作中心为单位进行的。
　　ERP通常采集主要工序现场信息的时候，基本靠手工录入，不仅效率低、易出错，而且输入的数据是基本上是前一个班或前一天的数据，信息滞后。

　　MES的优势
　　MES的计划调度功能与ERP车间层的功能有些类似，但MES的计划调度的功能比较强，制定的计划也比较详细。
　　MES一般按车间层和单元层分级制定作业计划，并对车间的每一台设备或操作人员分派任务。MES中的车间加工单与ERP的类似，MES中的调度单是对车间加工单在时间和空间范围内的进一步分解，通常会细化到计划期内每个单元每台设备每天（或每班）的生产任务。同时，以分派工单的形式把第二天或下一班的生产任务分派到每一个操作人员（或设备）上。
　　MES系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中的状态数据，而且由于采用自动化数据采集技术，使状态数据可实时采集。采集的数据经过层层汇总，最后可得到整个工厂的生产现场数据。
　　如果把MES与ERP集成起来，不仅能充分发挥它们各自的优势；同时，可使MES系统的生产计划更合理，使ERP系统的数据更及时有效，工作效率更高。MES与ERP间的集成数据与MES、ERP间的界面划分有关。一般而言，即可以由MES来承担所有车间层和单元层的功能，也可以由ERP承担车间层的功能，由MES来承担单元层的功能。但从系统的集成角度看，由MES来承担所有车间层和单元层的功能实施比较容易。

　　MES的独到技术

　　MES涉及的技术领域，很多方面与MRP II、ERP所用技术相类似。这里，仅就MES中较有特色的技术进行说明。

　　运行状态实时采集技术
　　这种技术是对机床的开/停、加工运行状态进行实时采集，为计划控制和动态调度提供及时、准确的信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。
　　机床的开/停、加工运行状态进行实时采集的技术方案，将根据机床设备的具体情况确定。对于可以直接上网、支持OPC的机床，采用基于OPC的状态信息采集方案，通过标准的OPC接口和必要的软件配置，直接读取机床的各种状态信息即可。
　　对于不支持OPC的数控设备开/关机与运行状态信息采集，要通过测量数控设备中的控制面板、机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，并进行适当的转换，再利用DNC接口上的I/O接口来实现。
　　车间控制器可根据各单元设备配置情况与所记录的状态信息，可显示车间内各单元的数控设备分布情况及运行状态，并对设备的运行时间、停机时间和设备利用率等进行统计。

　　NC程序的传输技术
　　对不同的数控机床进行NC程序的双向传输，对机械制造业MES系统具有十分重要的意义。在MES系统中，NC程序的双向传输主要解决具有不同传输协议的数控系统NC程序的传输问题。
　　通常，NC程序的双向传输采用基于RS-232C的点对点通信联接。这种联接方式结构简单、传输可靠，在拓扑上为星形结构，通信协议简单，通讯速率一般在110-9600bit/s之间，技术上比较成熟，系统组成也相对简单，易于实现，是一种应用较多而又经济可靠的一种方案。
　　但是，尽管RS-232C标准传输电平摆幅较大，抗干扰能力提高，但由于允许电容负载，因而传输距离受限。当主机与数控机床通讯距离超过30M（波特率为4800bps）时，不能直接用RS-232C进行通讯。延长通讯距离的方法有多种，如采用MODEM、串口服务器、RS-485/RS-422转换、长线收发器等。
　　不同的数控系统与PC计算机的握手信号是不同的，通常有硬件握手、软件握手两种形式。如FANUC数控系统通常采用软件握手，Siemens的数控系统采用硬件握手，硬件握手信号有DTR、DSR、RTS和CTS。数控系统通信协议一般有XON/XOFF协议和自动重复请求的ARQ协议两大类。对不同的握手信号与通信协议，需要采用不同的通信控制方式。

　　维修知识库的建立与维修向导技术
　　维修知识库的建立与维修向导技术，也是MES的一项关键技术，它可以实现辅助故障诊断，诊断故障模块更多地考虑结构化问题的分析与判断。
　　在对故障的统计、归类分析的基础上，建立故障现象与原因之间的关系，通过决策树的方式支持故障诊断。考虑到维修知识库的建立与完善是一个渐进的过程，因此考虑开发具有自学习功能的数控机床维修管理信息系统，将成功的维修案例记录到系统中，系统能提取相关信息，对决策树进行扩充，实现知识的积累。系统面向零件主题组织机床零备件更换的工艺，并将操作复杂，拆/装工艺要求高的操作过程保存为影像资料，便于以后的机床维修或维修操作培训参考。

　　名词解释

　　ARQ：Automatic Repeat reQuest，自动重复请求
　　CNC：Computer Numerical Control，计算机数控
　　CTS：Clear To Send，清除发送
　　DCS：Distributed Control System，大规模分布式控制系统
　　DSR：Data Set Ready，数据设备准备好
　　DTR：Data Terminal Ready，数据终端准备好
　　MESA：MES Association，国际联合会）
　　MRP：Material Requirement Planning，物料需求计划
　　MRP II：Manufacturing Resources Planning，制造资源计划
　　NC：Numerical Control，数控
　　NIST：National Institute of Standards & Technology，美国国家标准与技术研究组织
　　OLE：Object Link and Embed,对象的链接和嵌入
　　OMG：Object Management Group，对象管理组织
　　OPC：OLE for Process Control，用于处理控制的OLE。
　　PLC：Programmable Logic Controllers，可编程逻辑控制器
　　RS-232C：即EIA RS-232C，是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)在1969年颁布的串行接口标准。RS是Recommended Standard)的缩写，表示是“推荐标准”；232是标识号码；而C则表示该标准已被修改的次数。
　　RTS：Request To Send，请求发送
　　SCADA：Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监控系统
　　WIP：Work in Process，在制品
　　Xon/Xoff: 流量控制方式两种之一，X代表Transmission，Xoff表示停止发送,Xon表示继续发送。

　　MES部分模块介绍

　　资源分配和状态管理
　　（Resource Allocation and Status）
　　这个模块管理机床、工具、人员、物料、其它设备以及其它生产实体（例如进行加工必须准备的工艺文件、数控加工程序等文档资料），用以保证生产的正常进行。它还要提供资源使用情况的历史记录，确保设备能够正确安装和运转，同时提供资源的实时状态信息。对这些资源的管理，还包括为满足生产计划的要求对其所作的预定和调度。

　　工序详细调度（Operations/Detail Scheduling）
　　在编制生产作业计划中，该模块提供与指定生产单元相关的优先级（Priorities）、属性（Attributes）、特征（Characteristics）以及处方（Recipes，此为可选项）的作业排序功能。其目标是通过良好的作业顺序最大限度减少生产过程中的准备时间。
　　这种调度，是基于有限能力的调度并通过考虑生产中的交错、重叠和并行操作来准确计算出设备上下料和调整时间。

　　生产单元分配（Dispatching Production Units）
　　这一模块以作业、订单、批量、成批和工作单等形式管理生产单元间的工作流。当车间有事件发生时，要提供一定顺序的调度信息并按此进行相关的实时操作。生产单元分配模块，能够调整车间已制订的生产进度，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制任意位置的在制品数量。

　　文档控制（Document Control）
　　此模块控制、管理并传递与生产单元有关的信息文档，包括工作指令、配方、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录，并提供了信息编辑功能。
　　文档控制模块将各种指令下达给操作层，包括向操作者提供操作数据或向设备控制层提供生产配方。此外，它还包括对其它重要数据(例如与环境、健康和安全制度有关的数据以及ISO信息)的控制与完整性维护。当然，还有存储历史数据功能。

　　数据采集（Data Collection/Acquisition）
　　该功能通过数据采集接口来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数，包括产品跟踪、维护产品历史记录以及其它参数。这些现场数据，可以从车间手工方式录入或由各种自动方式获取。数据采集的时间间隔差别很大，有时可达到分钟一级的精度。

　　过程管理（Process Management）
　　该模块监控生产过程、自动纠正生产中的错误并向用户提供决策支持以提高生产效率。这些活动，可能是针对一些比较底层的操作，它们主要集中在被监视和被控制的机器上，需要连续跟踪生产操作流程。
　　过程管理模块还应包括报警功能，使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差的加工过程。通过数据采集接口，过程管理可以实现智能设备与制造执行系统之间的数据交换