金属矿山制造执行管理系统的设计与开发研究

余建国，冯梅琳

（江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

制造执行管理系统（Manufacturing Execution System，MES）是美国AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在90年代初提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制，通过执行系统联系起来。

MES是企业信息系统中重要的一部分,它是上层的企业资源计划系统与底层的工业控制系统之间信息交互的纽带[1]。MES把业务计划的指令传达到生产现场，将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES作为上层的企业资源计划系统和底层的工业控制系统的传递系统，是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。90年代以来，这一方面的探索和研究已越来越引起人们的重视并取得了丰硕的研究成果：文献[2]从管理过程和制造管理系统沿革的角度讨论了MES与其他系统的区别,然后介绍了集成系统中MES的定位,给出了MES成熟度模型；文献[3]针对ERP和MES的集成问题，分别从产品制造的纵向和物流的横向两个方面设计了ERP和MES的集成体系，对企业建立信息化体系有较好的指导作用；文献[4]针对矿山企业管理控制一体化需求，提出了矿山企业ERP/MES/PCS系统的模型架构，以山东黄金矿业股份公司焦家金矿为实例，进行了具体的应用研究。文献[5]在矿山生产工序和系统设计目标分析的基础上，详细叙述了矿山生产监控网络方案、网络视频系统方案及系统软件方案；文献[6]通过对比分析ERP在金属矿山行业的应用情况，基于成本控制理论，采用基于工作流的构建组装技术、模糊决策理论、信息融合技术以及数据仓库等技术，建立面向金属矿山行业的ERP系统。文献[7]基于精益供应链管理需求，采用模块化设计技术，对MES系统进行了系统架构设计、功能组件开发、信息采集等关键技术的研究；文献[8]分析了中药制药企业对MES系统的需求，提出了以优化整个生产过程为核心的基于知识的中药制药企业MES系统的体系结构、功能模块和系统构建关键技术，经过贵州某中药厂的应用验证，取得了良好的效果；文献[9]针对汽车主减速器装配生产线现场管理信息化程度不高的现状，提出采用MES系统对生产装配线进行实时监测、控制和管理，实践证明使用MES系统能有效提高汽车主减速器装配生产线的工作效率，提高现场管理水平；文献[10]从MES的概念、集成性、同其他信息化系统的集成以及集成发展的趋势进行了系统分析和研究；文献[11]针对有色企业生产过程中库房管理效率低下等问题，采用条码技术、自动堆垛技术、自动盘库算法等，提出了基于自动盘库算法的库存管理软件设计及其实现方法。文献[12]针对MES系统提出一种基于可重构流程模型和组件技术的流程进化实施方法，结合某航天企业的开发实施验证了该方法的可行性；文献[13]针对电子联装MES系统设计了系统的功能架构，对系统进行了开发和应用验证；文献[14]利用B/S框架、数据库技术、ASP.NET技术和C#作为后台语言实现了经编厂MES系统软件的主要管理功能，实现了经编车间的网络化管理；文献[15]采用面向服务的整体架构思路,将矿山企业中的政务和业务系统以服务模块的形式进行组织重组，并通过物联网、互联网将企业的生产、管理、销售等各个环节串联起来，形成统一整体，集成为综合智慧矿山系统。

上述研究，极大地推动了MES系统的设计、开发和实践应用探索。MES在发达国家已实现了产业化，其应用覆盖了离散与流程制造领域，并给企业带来了巨大的经济效益。国内MES已在钢铁、石化等流程生产行业得到成功应用并开发完成了若干自主产权的MES系统，如上海宝信MES、中国石化MES系统等。金属矿山作为我国的战略资源产业，在经济发展方式转变的趋势下，精益化、网络化、服务化制造执行管理技术将是提高企业管理水平的有效手段[16]。目前部分金属矿山企业在信息化建设的过程中，使用了MRPII和ERP系统，企业中上层计划的管理精度得到了较大的提高，但车间一级的管理还明显不足，相应的执行管理系统的应用还非常少，MES在金属矿山企业的应用还处于探索阶段，有待进一步的深入应用。因此设计和开发适应我国金属矿山企业未来发展的MES系统对提高矿山企业的执行管理水平、增强核心竞争力具有重大的意义。

1 金属矿山制造执行管理现状

通过部分典型金属矿山企业的调查和分析，我们发现由于历史及技术原因的影响，其车间层面的管理体制相对落后，信息化水平相对较低，车间制造执行管理存在的主要问题表现在以下几个方面：

1)信息化起点较低：金属矿山企业数量大、地域分布广、经营状况参差不齐。随着信息技术的不断普及和企业效益的提高，ERP在部分金属矿山企业得到了一定程度的应用，并取得了阶段性成果，但绝大部分中小型矿山企业在信息化建设方面还明显滞后，特别是面向车间层的信息化建设如MES系统的应用还处于初步探索阶段。众多的中小金属矿山业务流程、管理还不够规范，人员素质水平不足，资金投入不足，导致车间制造执行管理的现实水平和实际需求有较大的差距，越来越不能满足企业精益执行管理的需要。

2)信息孤岛严重：大部分金属矿山企业在信息化建设的过程中，虽然已经引入一些通用的计算机软件如生产管理、设备管理、劳保品管理、仓库管理等软件系统。但是，由于没有统一的规划和信息平台，部门之间的信息不流畅，形成了各个信息孤岛；特别是缺乏制造执行管理系统，导致上层的ERP计划和下层的作业执行控制脱节，无法实时掌控生产现场的信息，生产过程的不透明和信息滞后严重地影响了生产和计划决策。

3)缺乏普适模式：金属矿山行业构成比较复杂，既包括单一类型的离散生产型企业，如采矿企业、选矿企业和冶炼企业，也包括采选、选冶以及采选冶一体化混合流程企业。不同的企业往往采用不同的工艺流程，生产不同的产品，随着生产条件的变化，同一企业在不同的阶段也有可能采取不同的工艺流程。目前MES系统应用较成熟的领域，仍是以制造业等为代表的标准行业，作为一种先进的制造执行理念在矿山企业，尤其是金属矿山企业的应用还处于探索阶段，没有一种在金属矿山企业普遍适用的MES应用模式。

4)数据实时性差：金属矿山制造执行数据采集自动化水平低下，基本采用手工方式管理，在底层数据的实时采集、多源信息融合等方面非常薄弱，难以满足精细化实时管理需求。部分企业在应用MES系统的过程中，采用自动数据识别和采集工具，数据采集精细化和实时化得到了较大程度的提高，但MES和PDM、ERP等系统的集成不够完善，数据的价值得不到应有的体现。

5)行业标准不统一：现有MES系统通常针对特定需求，很难应对企业业务流程的变更或重组。由于缺乏基于工厂数据模型的数据集成技术，系统的可配置性、可重构性较差，严重制约MES系统的推广应用。

6)智能决策不足：由于缺乏智能机制，现有金属矿山MES系统在海量数据的采集、处理和利用方面构成了管理和决策瓶颈，通常需要大量的人工干预，不利于整合和分析海量的跨地域、跨部门、跨工种的数据和信息的智能决策。在数据分析和处理方面，一些前沿的商业智能技术如数据仓库技术、线上分析处理技术、数据挖掘和数据展现技术等的应用还普遍不足，导致制造现场数据的商业价值无法得到完整地体现。

2 金属矿山MES系统必要性分析

针对金属矿山企业制造执行管理的难度和现状，迫切需要设计开和发适应我国金属矿山自身特色的制造执行管理系统来进行解决。

1)针对金属矿山信息化起点低，制造执行管理环节薄弱等现状，为改善上层企业资源计划环节和底层工业控制环节的信息和管理脱节问题，必须在车间作业执行层加强管理和监控，而MES系统正好是解决制造现场和执行管理问题的强有力工具。因此，进行金属矿山 MES 系统的设计、开发及应用是当前矿山企业精细化和实时化现场管理的需要。

2)金属矿山工艺过程一般都比较复杂，现场工作环境比较差，制造现场人员的信息化素质普遍不高，导致制造执行层的管理水平跟不上企业发展的要求；同时，金属矿山大部分产品价格昂贵，受各种外围环境的影响，市场需求和价格波动幅度较大，而企业预测和管理很大程度上依赖于经验，导致管理技术和水平不能适应市场竞争的要求。迫切需要设计、开发和应用MES系统来加强作业执行层的规范化管理，提取有价值的决策信息，提高企业决策的水平，降低企业经营风险，提高企业竞争力。

3)国外已经有成熟的MES 商品化软件，在制造业和石化等行业也取得了较好的效果，但在国内金属矿山企业的应用中，由于工艺流程、管理体制、管理方法和管理文化的差异，不能完全适应企业的需求；其次，除价格昂贵和售后服务较难外，国内矿山企业的技术力量薄弱，软件二次开发和优化面临较大的困难。因此，设计开发适应我国金属矿山企业自身管理特点的MES系统是提高企业执行管理水平的有效途径。

3 金属矿山MES系统设计

3.1 MES系统目标设计

MES系统的主要目标设计如下：在金属矿山企业中，运用现代网络技术和信息技术通过MES系统完成工单排程规划、自动采集生产实时信息、有效的掌控作业进度，实时监测产品及工序质量、进行工序质量控制与分析，监测设备的运行状态，优化控制物料库存，使得制造现场信息得到最大程度的共享和利用，提高各个部门的协同决策水平。通过MES系统的实施和应用，提高金属矿山企业的设备利用率、缩短生产周期、改善产品品质、降低库存和节约生产成本，最终提高企业的竞争力和信息化建设水平。

3.2 MES系统功能设计

基于模块化设计方法，金属矿山MES主要功能设计如下：

1)ERP计划接口：主要包括ERP计划信息读取、数据交换和MES订单排程等功能。

2)矿山生产排程：主要包括排程规则管理、排程算法管理、订单组批优化、工序能力核算、工序作业计划和甘特图显示等功能。

3)矿山生产调度：主要包括作业调度算法、紧急订单调度、资源故障调度和人力资源调度等功能。

4)生产执行监控：主要包括生产数据采集与统计、计划执行进度管理、生产视频监控和安全监控等功能。

5)作业成本管理：主要包括产品动能单耗、作业直接成本消耗、作业成本管理、成本分析、成本核算、成本报表和成本控制等功能。

6)产品质量控制：主要包括工序质量采集、工序质量统计、质量问题识别和质量控制等功能。

7)设备资源监控：主要包括资源基础信息、设备资源运行信息、维修信息、维护信息和设备资源在线监控等功能。

8)统计分析图表：主要包括统计报表管理、统计图表管理、数据统计分析等功能。

9)矿山智能决策：汇总系统数据进行统计分析和信息的智能挖掘，为各项考核和决策提供依据。

3.3 MES集成流程设计

金属矿山MES系统集成包含作业车间内部功能集成和外部的功能集成两个方面，考虑到金属矿山的实际情况，内部集成主要考虑各个工序车间的工艺有效衔接，外部集成主要考虑MES同上层计划层（ERP）的集成和下层工业控制层（PCS）的集成。以多工厂协同管理为主线构建的MES系统整体流程如图1所示。

图1 金属矿山MES集成流程设计

3.4 MES系统数据模型设计

目前数据模型主要分为层次模型、网状模型和关系模型三类，层次模型和网状模型采用格式化结构。关系模型为非格式化的结构，用单一的二维表的结构表示实体及实体之间的联系。由于关系模型严格符合现代数据模型的定义，数据结构简单清晰，用户性能好，具有集合处理能力，并有定义、操纵、控制一体化的优点，目前得到了广泛的应用。在关系数据库模型的设计方面主要的建模工具有Visio、Erwin、PowerDesinger、Rose等软件。本文采用PowerDesinger软件设计开发的MES物理数据库关系模型（部分代表模型）如下图2所示。

4 金属矿山MES系统开发

4.1 系统技术架构分析

在系统开发技术选择方面，本文主要考虑以金属矿山企业下几个方面的需求和发展趋势：

图2 金属矿山物理数据库模型

1) 网络化管理发展需求：以金字塔型直线管理的传统管理模式具有一定的积极作用，但是随着新经济时代的到来，这种模式面临信息交流手段匮乏、信息反馈滞缓和信息资源利用不足等诸多问题，迫切需要利用现代信息网络技术改善传统管理模式；同时，部分企业存在跨地区甚至跨国经营的要求，因此为便于各个制造车间的信息集成和有效协同运作，系统开发要考虑网络化管理趋势。

2) 跨平台集成需求：MES需要和上层计划层（ERP系统）、下层工业控制层（PCS系统）及产品数据管理层（PDM系统）进行有效集成，相关系统在开发技术及运行平台上的各种差异性导致集成的复杂度和难度大大增加，因此，在MES系统的开发方面，跨平台集成开发技术显得非常的关键。

3) 管理维护简单化需求：金属矿山企业信息化资源及人力水平有限，在系统实施和后续维护方面最大程度地减少系统维护的难度和复杂度。

根据上述MES系统开发技术及需求分析，本文采用了J2EE 框架技术和B/S结构模式来进行系统开发，系统框架结构共分为客户端、业务层、访问层和资源层等四个层次，如图3所示。

图3 MES系统J2EE技术开发框架

J2EE基于Java 2技术平台，其应用程序不依赖任何特定操作系统、中间件、硬件，只需开发一次就可部署到各种平台，有效解决了系统的跨平台集成问题；B/S多层架构将信息显示、业务运算和数据库操作等功能完全分离，使得系统具有良好的可维护性和可扩展性；JavaBean将一些系统关键功能对象进行打包和封装，方便其它开发者通过内部程序或者应用来使用这些对象，极大地降低了系统开发的复杂度，提高了系统的开发效率。J2EE为开发具有可伸缩性、灵活性、易维护性的MES系统提供了良好的技术机制。

4.2 MES系统功能开发

本文采用tomcat作为WEB服务器，SQLServer作为后台数据库管理系统，Myeclipse作为系统编码和测试集成工具进行了MES系统的开发和测试工作。鉴于篇幅原因，对部分关键功能模块的开发简介如下。

1) 系统主界面

MES系统主界面如图4所示，该模块围绕登陆人员角色及权限按模块显示了与其相关的通知信息、公文信息、计划信息、资源状态信息、质量信息和相关统计信息，辅助各类人员进行信息查询和快速决策。

图4 MES系统主界面

2) 作业计划调度模块

MES系统作业计划调度模块如图5所示，该模块主要对金属矿山的矿石开采、破碎、粗选、精选和冶炼等环节工序进行作业计划的编制和作业调度的管理。基于资源约束、设备约束和产能约束，结合调度优化算法对各作业订单进行资源的合理分配和交货期优化安排。

图5 MES作业计划调度模块

3) 作业成本管理模块

MES系统作业成本管理模块如图6所示，该模块通过对生产过程中物流的实时监视和成本数据采集，进行在线工序成本分析、控制与管理。

图6 MES作业成本管理模块

4) 智能决策统计模块

MES系统智能决策统计模块如图7所示，该模块基于利润、投资等、产量、库存、作业成本和能耗水平等指标的统计分析，通过实时监控和过程控制统计分析，及时发现生产过程中质量、工艺、能耗、环保、工序成本等差异波动，采取措施进行控制和优化。通过数据挖掘与分析，进行管控指标体系的重构以适应制造环境和流程的改变。

5 结论

图7 MES系统智能决策统计模块

系统开发完成后，经过德兴铜矿、宜春钽铌矿和银山铅锌矿等多家金属矿山企业的示范应用，极大地提高了企业制造现场执行管理的水平，具体表现在以下三个方面。

1) 通过MES系统企业可以及时动态地跟踪掌握制造现场作业订单执行信息、作业计划进度信息、设备利用信息、工序质量信息和作业成本信息，分析并利用相关信息进行执行管理决策分析，极大地提高了企业制造执行管理智能化水平。

2) 通过MES系统实现了上层ERP系统和底层PCS系统的无缝集成，有效解决了信息的脱节问题，实现了企业整体业务流程的优化，提高了企业的整体管理水平和管理效率。

3) 通过MES系统的实施应用，使得金属矿山企业车间数据准确性平均提高了25%左右，计划准确性平均提高了25%左右，资源利用率平均提高了10%左右，节省管理成本15%左右，实现了信息的共享化、决策的科学化、调度的协同化、统计的精准化和考核的规范化，有效地提高了矿山企业制造执行管理的总体效率和信息化建设水平。

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