装备制造业MES系统的设计与实现

　　1 引言

　　陶瓷装备制造业(如陶瓷机械装备制造业)是典型离散性机械制造行业，具有离散制造业的生产特点，单件、小批量、制造周期长、交货期短，因客户变更、技术变更、工程变更、生产变更、采购变更等一系列因素导致生产组织十分困难，采购订单种类多、批量小且十分零散，如何提高采购管理水平、降低库存资金占压成本、降低采购管理费用，提高财务应付对帐速度及准确率、减少供应商往返对帐的费用，从而最终降低采购成本是企业目前亟待解决的难题。

　　陶瓷装备制造业普遍存在的问题：

　　(1)由于生产的变更频繁，没有形成标准作业程序和工时资料，使得实际的作业排产不够准确，造成管理不佳，交期延误。

　　(2)由于产品重复少，变化多，花费在生产准备上的工作通常较多，而相对减少了主作业的时间。

　　(3)没有实施现场生产的系统化进度安排，缺乏现场进度的控制。在动态多变的环境下，车间生产计划的制订需要准确的信息和快速生成与改变计划的工具。

　　(4)产能负荷分析和需求预测计划的改进。由于需求预测的困难，使得无法避免生产的波动性，不能减小淡、旺季差异。

　　(5)急单多而导致的计划不确定性。应确立“规定期间内生产计划不变更”的原则，对所有部门形成约束：而在另一方面，酌情预留一定的产能(如3%-5%的产能，)应付急需。

　　(6)生产过程执行流程缺乏监控，异常时间处理不及时，使得花费在转序上的时间不断增加，延缓了生产的进度。

　　为了解决以上问题，陶瓷设备制造企业已经投入巨资实现了企业信息管理系统如：ERP，OA，CAPP，CAE等，但ERP系统的任务只能排到任务层面，对计划执行层面的支持明显不足，特别是对急单插单的响应，更是欠缺，在降低库存，加快订单响应速度，降低生产成本，缩短交货周期等指标方面还有很大的提升空间，因此迫切需要增加制造执行系统来解决车间的作业计划层面的技术难题。

　　2 离散制造业MES系统的需求

　　制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)针对位于企业计划层和工业控制层之间的执行层管理问题，研究如何将制造过程中的计划进度、产品过程控制、物料管理、质量监控、设备管理和成本管理等综合考虑，强调制造计划的执行和产品制造过程的控制，使生产现场的信息收集、传递、处理和反馈做到准确、及时、系统和科学，实现生产作业的优化调度和制造资源的动态重组，提高制造管理的透明化和敏捷性。

　　离散制造业具有产品从设计一工艺规划一复杂调度一加工制造一(设计更改)一动态调度一信息反馈这个动态的流程，因此离散制造业MES系统主要面对车间管理人员，信息部人员，企业管理人员，计划部人员，提供计划的管理、资源的管理、报表统计管理、车间作业管理功能，而且要求实时地采集现场生产数据，反馈回MES系统，系统根据反馈回的数据进行分析、统计，最后根据相应的规则最终实现离散制造业车间的无纸化作业、标准化操作、自动化派工、实时化监控、科学化管理的目标。核心技术包括：1、准确判断哪一个工作中心处于瓶颈资源的，给生产调度的资源配置提供支持;2、根据瓶颈资源的产能来反推非瓶颈资源的产出，降低库存占用;3、急单、插单时，能够准确判断现有资源的插单、急单是否支持，利于生产调度准确决策;4、能够方便给出各工作中心的产出报表。此外，企业车间制造执行系统迫切需要和企业的ERP系统之间实现无缝集成。为实现以上目标，本系统采用RFID技术，结合无线通信技术，采用基于RFID技术的IDT终端来实现车间生产数据的上传和下达。

　　图1 MES系统结构

　　3 基于RFID的离散制造业MES系统设计思想

　　射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)利用电磁波的感应或者传播来进行电子标签与阅读器之间的数据通信。由于RFID具有体积小，非接触，形状多变，可重复使用;唯一ID号，克隆、仿造困难，安全性高;不怕污染，无需光线，识别方式灵活;数据可改写、可存储大量数据;多标签同时识别，距离远，速度快等优点，开发基于RFID的智能数据采集终端可以满足对数据显示、数据输入、数据传输等制造业现场的要求。基于RFID的离散制造业MES系统由处于底层的数据采集终端口，通过无线网络与安置在车间的基站进行通信，把数据信息传送到车间工作站，车间工作站通过企业网络把数据保存到数据库，然后通过接口程序传送到其它系统，为企业的使用决策、数据挖掘提供可靠、准确、现场的数据支持。本系统由硬件系统、软件系统和接口程序构成。

　　3.1 系统软件设计

　　采用C/S模式设计软件系统，用面向对象编程语言Delphi进行开发，软件系统由管理程序系统、计划服务系统、通信中间件系统、与ERP等系统的接口程序等组成。管理程序负责对车间现场的执行情况进行全面管理，包括计划的操作、基础数据、查询统计、报表等：计划服务程序主要用于车间计划排产、计划派发、计划优化等计划服务，同时根据现场车间的计划执行情况，把反馈回MES系统的计划数据进行分析，计算出合理的计划，对整个车间的计划进行编排、优化;通信中间件程序主要是用于终端与基站、基站与工作站间的数据通信控制，通过通信协议把准确的数据传送到指定的终端，把终端输入的数据保存到相应的数据库;接口程序主要用来与ERP等其它系统进行数据交互。

　　系统分为MES车间层、MES管理层、接口层和现有系统层，层与层之间通过网络或者接口程序进行数据交互，形成整个企业数据流的上传和下达。

　　MES系统针对位于企业计划层和工业控制层之间的执行层管理问题，因此企业现有的ERP系统、PDM系统等需要MES系统提供可靠、及时、准确的信息支持，针对上层管理系统对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持问题，为了防止车间管理信息的“断层”，本系统采用通用数据接口程序，把分布在所有车间终端上采集的软性、硬性数据提交给上层管理系统，为企业决策提供数据支撑。接口程序采用中间件开发思想，集成MES和ERP系统的数据参数传递方式，采用定时和事件触发的方式对接口函数进行调用，运用Socket、队列、线程技术实现“上下游”数据交互。

　　3.2 通信中间件设计

　　接口程序利用中间件的设计思想，把从车间现场采集到的实时数据传送到ERP等系统把接口程序设置在MES服务器端，其它程序调用接口程序，接口程序主要完成以下数据传递：用户信息、工序及工序班产能力信息、加工设备信息、模具信息、工艺参数信息、工艺路线、产品信息、检验数据、报工数据等。

　　由于生产现场的实时数据要通过智能终端进行采集，使用一种通信接口的终端模式很难满足当前生产车间的实际需要，将485现场总线、TCP/IP网络通信和433Mhz无线通信三种通信方式集成于智能终端可满足生产现场的实际需要。车间布线方案如图2所示。

　　图2 布线方案设计

　　4 系统功能及特点

　　离散制造业MES系统在企业应用后得到了车间层员工的认可，达到了利用制造业执行系统提升企业竞争力、增加灵活性的目的。主要特色与优势如下：

　　(1)提高企业核心竞争力：提高员工积极性、降低成本，提高设备利用率、减少损耗，提高生产效率，提升产品质量。

　　(2)对产品订单与员工、设备、产品图号、时间等信息进行捆绑，回答谁?何时?哪台设备?哪个产品?怎么样等问题。

　　(3)制造业生产环境复杂、工艺要求高，对生产系统的可靠性与稳定性要求严格。RFID技术是目前很合适的解决手段。

　　(4)在已实施ERP或MIS的企业，企业计划层与过程控制层“信息有断层”，往往出现生产计划与生产信息不“同步”、缺乏事中监控手段、出现数据滞后等问题。系统则可以彻底根除补丁数据问题。

　　(5)采用RFID MES系统是自动办公系统的车间级应用，实现无纸化办公，降低劳动强度、提高数据准确率，提供更有效的决策支持体系。

　　通过测试期的数据分析可以得出，该系统在缩短制造周期、减少在制品、提高工作效率、加快物流、提高企业竞争力方面对离散制造业有极大的促进作用。

　　5 应用情况

　　采用RFID技术、多种通讯方式、分层设计思想、服务式实时排产模型，同时结合多线程同步技术和DLL技术设计出的离散制造业MES系统，通过实践应用，能完成离散制造业在制品的跟踪、产品的质量追溯、车间现场实时数据的采集、车间生产计划的合理安排、企业设备及人员的随时监控、工艺的实时反馈校正，可以完成复杂制造现场生产执行管理。在系统的实施过程中采用了可配置式、流程化的开发方式，提高了软件开发效率，在企业的试用过程中取得了良好的效果。

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