制造执行系统MES实时性的改进和系统整合

3 实时响应

    ERP/MRP的环境是以具体事务为基础，其数据交换系对生产调度、运输安排或对生产计划要求的响应。与此不同的是，控制的决策必须在秒甚至更短的时间内完成，它对生产过程、操作人员，或对材料的操作需求作出响应。显然，实时环境和实时响应的差异影响着绝大多数的具体事务和在控制层的执行。传统的数据流和控制流在ERP与控制层之间存在着巨大的鸿沟。传统的信息管理系统向主管财务的总经理和财务管理负责人报告，居于管理层；而传统的工程生产信息则向负责生产的总经理报告；职责不同，相互之间的沟通不一定能做到及时且细致深入。与此相反，MES能提供的材料数据是与生产消耗相关的，同时能生成基于精确执行时间的材料供应提前量，这将改善仓储控制。准确的生产模型是与实际测量相对于计划时间表的关系紧紧相连的，因而可用来修正过程模型，而且有助于精确表达生产计划的实时行为。

    在许多工厂中，全厂管理的功能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌着工厂生产效益的钥匙。在大多数运行中，人工系统和有经验运行人员的判断总是起着重要作用。但是，市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经验调整生产显然效率低、反应慢、缺乏竞争力。而且人工系统也不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日趋加速的变化。由于生产运行变化如此迅速，MES的信息的及时性要求以分，甚至秒的速度进行反应。

    如上所述，获取实时的可利用的数据是生产工厂层信息系统的基础。图2显示了企业计划信息系统、MES和生产运作集成的数据流。

图2 MES在工厂中的数据流

    如果生产控制系统对各种信息数据的响应以秒计，则制造执行系统的响应实效以分计，而上层计划系统则是以天甚至周计。由此可见，当前广泛使用的MES还是能相对实时的反映生产过程中的情况。但是随着市场和产品的快速多变，企业为提高自身的竟争力，对所获生产系统信息的实时性要求更高，而目前的MES在实效性能的解决上也遇到越来越多的困难。

    (1)随着工厂生产的自动化程度的提高，从生产控制系统层收集的信息也就显著地增多，这就意味着，MES需要处理更多的信息。

    (2)随着产品功能丰富多变及工艺过程日趋复杂，制造系统也在向高标准不断地提升和改进，这就要求更多的设备或是在物理上或是在逻辑上与MES连接，这就使得MES相应地需要处理更多地信息。

    另外，为了提高企业制造系统的生产效率，MES有时还被要求实时获取在地理位置上分散在世界各地的工厂车间的制造过程和产品信息，并及时分析，帮助企业作出最优决策。这有3个例子，说明了在当前的MES中对实时性的高要求。

    (1)一旦物料被送到设备上等待加工，MES根据生产排程启动设备准备，并提前给出命令初始化加工操作。既然应该使设备等待初始化的时间尽量的短，实时响应就变得至关重要。

    (2)在制造系统中，质量统计过程控制(SPC)是一个开环系统，通过所取得的数据监测生产过程的状态，指出产品质量的趋势，当发现指标出现偏离即生产过程不满足质量要求时，SPC会发出警告。如若要使SPC正确地控制生产设备时，它必须能迅速地反馈信息给设备，反馈时间不能超出1 min，对于精度要求高的产品，甚至要更短。

    (3)产品的零部件很可能在不同的工厂车间制造。因此，生产和资源信息数据需要被不同的工厂分享，以便根据企业的决策执行最优的方案，对客户订单作出更快的反应。

    随着互连网络技术的飞速发展，MES可以得到不断地发展和完善，使电子商务和电子制造更紧密的结合。完善的MES将获取并分析正确的实时的信息，监控并指导工厂车间的每个活动，使得对每个活动在他们发生时就能作出响应，获得最佳的实时效果。

4 EMS中的虚拟生产线

    加工路线的概念已经提出并应用了多年，不论是传统的面向库存的制造管理系统或是现今面向订单的制造管理系统，预先确定加工路线对工厂车间的生产控制是至关重要的。当物料通过不同的加工设备进行制造加工时，生产车间管理利用这些预先确定的路线，人工的、半白动的或全自动地监控所有的加工活动。由于市场的动态变化，产品的生产线也逐渐地变得不稳定，因此在生产前唯一地确定生产线已不再能满足需求，而应根据工厂车间层的动态性和产品订单的优先性来不时地确定并调整生产线。当一个产品被定购和安排进生产进度计划中，根据工厂车间的制造系统，战略上地形成最佳的相应地生产线；而当产品生产一结束，生产线就被解散，生产线上的所有设备将被重新优化配置。这种形式的生产线在逻辑上是不确定的，因此被称为虚拟生产线(VPI)。

    从生产控制的角度来看，产品通过制造系统一步步加工的过程可以通过产品生产流程图来描述，如图3。产品生产流程图显示产品在工厂车间的加工状态的顺序。物料在第一个加工步骤时从仓库中被释放，接着物料根据设定的加工路线，经过连续的加工设备，被一步步加工。当物料从最后的加工步骤退出时，他们就变成了成品，等待运送。

    运用VPL的概念，工厂车间的产品流程图可以被分解为多重模块，流图的每一部分是在VPL中定义的子设备。一个虚拟生产线通常是由工厂车间里所有设备的一个较小子集组成，因此，基于VPL的MES将由一些MES单元组成，每一个MES单元用与之相关的产品流程图的一个分块和其他的相关资源配置来示例。图5表示的是这里提出的基于VPL的MES结构模型。

图3 生产流程图


图4 当前的MES模型


图5 基于虚拟生产线(VPL)的MES模型

    基于VPL的MES可以动态的定义生产线。当一个产品被指派时，针对这个产品的VPL就会形成，相应地，一个MES的单元也会产生。一旦这个产品类型加工结束，原来掌控这个产品生产的MES单元就会被释放或重新调整，以接受另一个产品。被控制的设备将被重新分配到一个新的VPI或其他的VPL中。当一个VPL需要重新配置时，设备能简单地加入或移出而不影响其他的VPL，而不同的VPI一可以共享一些关键的加工设备。

    掌控一个VPL的MES单元的运行如一个分布式计算程序，使得MES可以得到更满意的实时响应。此外，VPL概念的应用使得软件和硬件可以动态的模块化。当发生变化时，如要求制造系统中加入一个新产品或删除一个产品，仅有相关的软硬件会受到冲击，而系统的其余部分受到的影响将会很小。

5 系统集成

    当一个制造系统有成百上千的产品在生产中时，MES实时响应的执行毫无疑间会变得极具挑战性。如果不能从工厂车间得到机器设备、加工进程和材料的信息数据，MES就不能准确的工作。虽然对于建立设备间的通讯接口有其工业标准，但是即使是同一设备，不同卖主之间的界面和接口也是不同的，所以应对设备作专门的设计。在生产制造系统中种类繁多的设备使得MES和设备之间的整合非常的困难；而且，还有相当一部分机器设备没有通讯接口。由于以上两点原因，所以如果要使MES和所有的生产设备在物理上整合，成本将会非常高。

    现在的大部分的MES主要采用客户/服务的体系构架，主机对MES的计算、调用作出响应，而用户使用客户端应用程序得到指令及自动、半自动或手动地记录生产数据信息。当一批产品在一个加工步骤匕加工完毕后，这批产品被送到一个等待区，根据逻辑工艺路线的指派等待送往下一个加工区对于每一条工艺路线，每个加工过程中的相关信息如加工步骤、材料、产品状态、消耗和加工操作的数据都应该被记录。对于没有通讯接口、未连接在网路上的机器设备，通常由用户决定何时这些信息被记录，何时产品被派送，以及何时执行计划排程任务。显而易见，这样不能保证工厂车间信息整体上的实时性。

    因此，为了保证MES能得到实时信息，规划良好的操作步骤和加强客户端对于未连接的加工过程的信息更新是非常必须的。图6定义了较好的产品加工操作步骤。在这个通用的加工单元中，对于一个加工操作定义了5个步骤，如下(当然，可以根据情况，定义或客户化更合适的操作过程)。

图6 通用加工单元

    步骤1：“送到”——装有产品的容器送到加工区；
    步骤2：“移入”——装有产品的容器移入到加工设备区；
    步骤3：“加工”——产品在设备上被加工；
    步骤4：“移出”——产品从加工设备上移出；
    步骤5：“送走”——产品送往下一个加工区。

    当一个操作步骤在一个未连接通讯的机器设备上执行前，要求用户检查产品的状态、设备设置、消耗参数，并通过客户端应用程序记录所需信息。当操作完成时，用户必须继续记录所有所需的相关信息。如果任何信息未被记录，则在下一步骤开始前就被发现。通过这种加强对产品加工过程中各种信息的检查和记录，工厂车间的所有的活动和信息就会在MES中及时地、实时地被更新。相应地，计划信息系统也就能获得实时的生产信息，进而从企业的视角出发作出快速的优化的决策。

6  EMS的解决方案

    图7是根据上述的方法建立的MES框架结构，在此结构中各应用实体通过网络模块化，并充分利用了CORBA、DOOM、PDA、无线网等一些现今的网络技术。MES服务器主要是对知识库进行功能运算、法则规定、程序调用及系统数据管理；一个MES单元则是由MES服务器分析、计算生成的加工过程；MES终端是正在工厂车间运行的应用程序。对于自动化的设备，他们已被连接到MES的终端上，而对于其他的机器，人工的干预就成为了必须，比如，用户通过MES终端与MES交互来监控被定义的加工过程。一组基于VPL定义的加工过程包含一组设备，每组设备都有一个MS终端。MES客户还可以通过运行PDA或RF技术来提高MES终端的灵活性。

图7 改进了实时性的MES框架

7 总 结

    MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。不实施MES，管控一体化只是一句空话。对于面向制造加工业和过程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。

    MES技术在过去十年来已显著地成熟。随着企业生产模式逐渐向敏捷制造发展，企业业务流程重组(BPR)的实施、企业环境的异构性以及企业间动态联盟的组建等等对MES又提出了更高的要求，传统的MES解决方案难以适应敏捷制造的要求。面向敏捷制造的MES不仅要费用合理，更要具有良好的适应性、可重构性、可集成性，因此，国外许多组织和研究机构开始研究面向敏捷制造的MES。

    但MES的发展和应用是一个过程，而不是一个事件，不可能想象成功的MES实施是可以一蹴而就的。要取得长期的成功，要求改造制造环境，要求获得有组织的支持，要求管理机制作适应性的改变。与此同时，MES软件在改善维护、改善与其他IT管理软件的接口等方面也有待于进一步发展、提高。要使企业信息技术网络的投资迅速取得回报，从MES入手是一种明智的选择;反之，信息技术的发展和制造企业的竞争需求也将带动ME5应用技术的不断进步。

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