浅谈构建工厂级MES系统四大框架

林大明，卢政毅，黄圣龙

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

柳州五菱柳机动力有限公司以NP18发动机生产线为切入点，结合企业多办公平台实施MES制造管理信息化项目，提高公司的工艺及产线工业化及信息化水平，全面提升企业的生产制造全过程的竞争能力。

通过MES制造管理信息化项目实施，建立制造企业生产过程执行系统（面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统）。实现为企业提供包括制造数据管理、计划派工管理、生产调度管理、质量管理、设备管理、看板管理、生产过程控制、底层数据采集分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

1 MES系统业务框架

MES必须基于优秀的管理业务流程，纵横全面考虑。纵向采用目前国际通用的三层结构，横向贯穿研发、供应链、制造、营销整个价值链过程。构建步骤可分布实施，但必须基于整体架构，否则会出现信息孤岛、信息烟囱、难以整合等问题，不利于公司整体协同。

1.1 公司信息化业务三层架构

西方企业的信息化是沿着MRP/MRPII/ERP这条路径走下来的，发展过程中存在着一定的问题。美国AMR通过对大量企业的调查发现，现有的企业生产管理系统普遍以ERP/MRPII为代表的企业资源管理软件为主，如果没有公司自动化技术、现场监控系统等的有效支持，往往陷入集成与应用两层皮的尴尬境地，最后导致失败。1992年AMR提出了三层的企业信息化模型。目前，这三层结构模型已经是公认的企业信息化模型。

企业信息化三层模型包含企业资源计划ERP、执行系统MES、过程控制系统PCS等三个层级，是一个贯彻“计划—执行—控制”的有机整体。企业资源计划ERP面向资源计划，执行系统MES面向现场执行，过程控制系统PCS面向过程控制。其中，MES是一个承上启下的系统，一方面连接底层的工程控制，一方面连接高层的资源计划，是确保企业信息化成功的基础和关键。企业信息化三层结构模型如图1所示。

图1 企业信息化三层结构模型

1.2 贯穿整个价值链的信息化业务架构

执行层面的信息化包含研发PDM、供应链SCM、制造执行系统MES和客户关系管理CRM.模块与模块之间考虑预留标准接口，可与ERP、办公协同OA和底层的控制对接。如图2所示。

图2 企业信息化业务架构

1.3 MES系统五个层次

MES本质上是对制造过程中信息流的管理，根据制造信息的特点，将信息流分为平台、计划信息流（计划流）、产品信息流（产品流）、作业信息流（作业流）和物料信息流（物流）5个层次，涵盖了制造过程的各个管理环节。如图3所示。

平台：平台是MES系统的基础模块，是MES所有功能模块的基础支撑。MES平台包括基础数据、智能BOM、信息发布中心、权限管理和电子看板系统等管理平台。

计划信息流：是计划信息的流向，贯穿从客户订单到交付的整个过程，也是制造过程组织的依据。

产品信息流：产品信息流是指产品流动过程的信息流，是产品制造过程中实物流动的源头。贯彻产品流的信息流包括产品跟踪、产品追溯和产品存储等。

作业信息流：作业信息流是指产品制造过程中的作业信息流。作业流包括工位管理、设备管理、暗灯系统、质量管理、效率管理系统等。

图3 MES业务架构图

物料信息流：物料信息流是指物料流动过程中的信息流，通常由产品流拉动，贯穿物流计划、物料存储、物料配送、物料追溯、产品跟踪（产品电子档案）等环节。

2 MES系统硬件技术框架

基于“企业信息化架构理论”设计的制造管理信息化平台架构，可以解决架构服务器分散，维护困难、数据安全无法保障及现有信息系统数据独立、共享不畅等问题，并且具备灵活扩展、维护方便、数据安全、遇到故障灵活切换等特点。基于“企业信息化架构理论”设计的新的系统架构，采用先进的IT技术，完全满足公司未来信息化规划的需求。

2.1 网络及硬件架构

网络及硬件架构主要由服务器、生产线、物料配送区、仓库及其他应用客户端等组成。2.1.1服务器

数据库服务器与应用服务器分离，确保数据的安全性，避免应用服务器出现问题影响数据的安全。通过交换机连接不同的数据库服务和应用服务器进行各种业务处理，支持越来越高的业务连续性要求。

数据库服务器与应用服务器使用服务器群集与数据库高可用组双机容错系统作为双机热备方案，该方案具备以下特点：

1）服务器、网卡、电源模块等关健设备全部使用冗余设计，无单点故障；

2）双机软件快速反映，错误检测时间小于10 s，故障切换及恢复时间一般在10～20 s；

3）双机软件GUI与Server分离，可随时中断GUI而不影响Server的运行；

4）支持 JOB和 BRING IN/BRING OUT、在一台SERVER上停止JOB不会导致FAILOVER；在同一块网卡上建立多个活动的IP地址，支持多个JOB的运行；

5）自动切换：当系统出现故障时（如：系统宕机、HA 进程/应用进程被杀掉、RS-232、SCSI、光纤、网络线缆断开），RoseHA将确定故障原因，并采取相应对策，并将这些应用切换到备份服务器上，而故障服务器中未受影响的应用不会被切换，既不会受任何影响，更不需要系统管理员干预。

2.1.2 生产线

每条生产线配置一台现场服务器，现场服务器使用工业一体机电脑，满足生产线现场的严苛环境要求，现有生产线每个工位采集及录入的数据都存储在现场服务器，并通过网络同时上传到中心机房的数据库服务器上，有效解决现有生产线现场服务器易发故障及维护困难，数据独立存储导致的数据共享不畅及数据安全无法保障的问题。

2.1.3 物料配送区

物料配送区的配送计算机通过网络，实时的获取生产线各个工位的物料需求，通过LCD看板显示或者系统播放声音信息及时通知配送人员把所需的物料配送到生产线。

2.1.4 仓库及其他应用客户端

仓库及其他应用客户端通过无线及有线网络与中心机房应用服务器相连，通过PAD、者客户端PC或移动设备，灵活使用应用服务器上部署的业务功能模块。

3 MES系统软件技术框架

此次搭建的MES系统软件系统架构图如4所示。

图4 MES系统软件系统架构图

3.1 软件系统架构基本环境需求

3.1.1 NET框架

要求.NET Framework 4.5及以上版本。3.1.2 WEB开发框架

ASP.NET MVC 5：ASP.NET MVC是微软官方提供的以MVC模式为基础的ASP.NET Web应用程序（Web Application）框架，ASP.NET MVC 5为其最新版本。

3.2 软件系统架构描述

1）基于依赖注入（IOC）设计模式及依赖注入框架Ninject设计，使数据访问接口层不依赖具体的实现，可以方便适应不同的数据库系统（MSSQL、MySql、Oralcle 等）。

2）基于依赖注入（IOC）设计模式及依赖注入框架Ninject设计，可以灵活的应付已有业务的更新和改进要求。

3）基于ASP.NET WEB API 2的插件式数据访问接口（API）服务，不仅可以方便的为其它系统提供数据，还可以让系统灵活地使用不同的前台框架（HTML、Winform、WPF、IOS、Andorid等），应对不同操作环境需求。

4）基于ASP.NET MVC 5的插件式框架，可以灵活实现移除过时的业务功能及增加所需的新的业务功能。

5）基于微软成熟的.NET Framework 4.5、ASP.NET MVC 5及ASP.NET WEB API 2框架技术，支持大用户量并发使用（在普通服务器下支持2000-5000并发）。

6）框架提供完整的错误日志记录，遇到问题能通过日志快速定位和解决。

7）插件式框架轻松应对系统部署和升级，在应用服务器上把框架部署完成后，只需要将实现业务功能的插件文件拷贝到框架的插件文件夹下，就可以立即使用新的业务功能；如果需要移除业务功能，只需移除对应的业务插件文件即可。

电力拖动方案是电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。本设计作为实训装置，主要促进企业新员工掌握电动机常用的控制电路，使企业新员工增加感性认识，因而不考虑进行电力拖动方面的实训，达到培训演示效果即可。

4 MES系统功能框架

根据公司信息化整体规划，结合发动机装配公司的实际业务，本阶段引入MES系统的主要功能，功能包含基础数据、产品电子档案、质量过程控制、工位管理、暗灯系统、物料配送、效率管理、设备管理相关内容。

4.1 基础数据

基础数据是MES系统运行的基础。

1）产品基础数据：包括产品系列、产品状态、产品代码、工艺路线主要模块。

2）物料基础数据：包括物料类型、BOM、供应商信息的管理。

3）质量基础数据：定义各种质量指标、检测项目以及对于检查数据数据的边界值。

4）设备基础数据：设备台账管理。

5）基础数据还包括：车间生产线及工位、班次和工作时间、员工和部门以及权限管理等功能。

4.2 产品电子档案管理系统

MES系统对产品信息采集、分析处理，为每一台发动机建立电子档案，提供便捷的查询等功能，满足生产作业、产品追溯等业务需求。

（1）档案内容：根据生产及追溯业务需求，设计产品电子档案包含主要内容及信息来源如下表1所列。

表1 产品电子档案内容

（2）数据采集

数据采集方式选择原则：准确、方便、快捷。MES平台优先选择自动采集的方式，减少手工录入环节，降低出错几率，提高效率及数据实时性。

主要的数据采集方式有：

1）数据库接口（自动采集）；

2）文件传输接口（自动采集）；

3）设备OPC接口（自动采集）；

4）RFID自动识别（自动采集）；

5）条码（一维、二维）扫描录入；

6）手工录入。

现场数据采集见如图5所示。

图5 MES数据采集服务器架构

现场操作PC通过网络与应用服务器、数据库服务器相连，扫描/录入质检信息、追溯物料信息等，连同对应的发动机状态号、操作员、工位、操作时间等信息经过处理后保存到数据库服务器，供查询、分析、追溯用。

现场服务器运行着OPC服务，现场服务器通过OPC接口与RFID识别系统等PLC控制的自动化设备相连，实时获取PLC信息，并保存到数据库服务器。如图6，当托盘经过RFID读写单元的感应区域时，托盘RFID中存储的状态号被自动识别，该状态识别号以及读写头单元地址通过PLC传送到OPC服务器。OPC服务将读写单元地址转化成对应的工位编号，连同读取的时间保存到数据库服务器。工位是操作PC从数据库服务器获取到发动机相关信息，实时显示出来。

热测试台等测试、测量设备完成操作后，测试测量结果保存到现场服务器，MES系统则可以通过数据库接口获取上述测试测量数据，保存到产品档案记录供查询、分析、追溯。

（3）产品档案报表

软件具备模块查询功能，分精确追溯零件、批次追溯零件、拧紧设备、测量设备、热试磨合、发动机返修、总成查询等7大模块进行布置，可按发动机号、零件号、工位号、工位名称、操作者、生产时间等单条件或多条件查询，可按查询内升序或降序进行排序；

电子档案以Excel表格、PDF等格式保存，并可自动实时打印。

电子档案数据与公司内网连接，可分权限查询和打印。

产品电子档案数据库结构开放式，便于二次开发。

4.3 质量过程控制系统

质量管理信息系统构建全面基于整个质量管理业务系统如图6所示。质量管理业务体系包含质量系统管理、早期集成设计、精益制造工程、制造程序认证、质量标准、质量信息、过程质量管理、质量改善等几个核心模块。

图6 质量管理系统业务模型图

制造过程过程控制模块包含预防、检测和遏制三个层次，遵循PDCA管理循环，本期信息系统构的业务内容包含检验数据采集接口、质量实时监控SPC、响应与返修、质量改善清单、质量自働、质量追溯、质量查询、质量报告体系。业务模型如图7所示。

图7 业务模型

质量过程管理基于以上业务逻辑，设计本期的IT架构，如图8所示。包含数据采集、质量信息统计分析与存储、质量过程遏制、质量追溯、过程改进、质量决策报表和质量查询七个功能模块。

图8 质量过程控制IT架构简图

4.4 工位管理系统

工位管理主要包括工位的生产派工功能、操作标准化SOS和物料索取，在工位操作PC上的系统界面，可以灵活切换这三个功能。同时工位管理系统还支持扩展其他管理功能，如设备点检、工位5S标准、工位安全人等。

4.5 暗灯系统

暗灯（Andon）系统是当生产线出现问题需要其他人员支持解决时，将生产线停下来，等到将问题解决后再重新启动生产线的一套装置。这样可以使问题不往后流动，有效地提高了过程质量。同时，它也大大促进了团队合作、问题解决。暗灯系统主要作用：

1）贯彻“不接受、不制造、不传递缺陷”的三不原则，不让缺陷流到下工序；

2）拉动管理人员快速响应现场，贯彻现场、现物、现实的三现主义；

3）促进团队合作与高效问题解决；

4）记录暗灯事件信息、统计、分析，为问题改善提供决策依据。

4.6 物料配送系统

MES的物料配送功能：主要实现从仓库到物料配送区、仓库到生产线、物料派送区到生产线的物料配送管理，支持物料索取、电子拉动、排序送料多种配送方式，同时可以与WMS（仓储管理系统）对接，实现仓储数字化管理。

本阶段MES项目主要应用到物料索取的配送方式，通过工位的物料索取系统，操作工人向配送区域发出物料需求信息，传送到物料配送计算机，并在电子看板上显示，同时打印配送单，指导送料。

如9图所示，物料配送系统可以支持多个工位索取功能，满足增条生产线的物料索取-配送需求。物料索取信息经服务器处理后，形成完成的物料需求信息，传输到物料配送电脑。

图9 物料配送系统

物料需求信息包括：所需的物料型号、数量、库位地址、配送地址、索取持续时间、需求紧急状态等。

4.7 效率管理系统

效率管理的核心是差异管理，即实际与标准的差异，标准与标准的差异。要对效率标准进行设计（如标准工时、标准人力投入、生产节拍等）。当实际效率小于标准时，关注差异原因并进行改进。改进一定时间后实际效率大于标准时间，就改善标准，依此类推动态循环。公司还必须关注标准改进幅度，纳入考核体系。标准的改进幅度又叫基础生产力。见图10.

图10 差异管理模型

效率管理信息系统基于效率不断提升，着眼”差异”的管理平台。效率管理分为四个层次：效率基础数据、数据采集、数据分析和控制改善，如图11所示。

图11 效率管理信息系统

4.8 设备管理系统

设备管理信息系统是生产管理信息平台的重要组成部分，系统架构基于先进制造全员生产维护（TPM）业务系统设计。系统包含三大部分：设备采购管理、设备使用管理和设备转移与报废管理。

设备采购与档案管理主要有设备需求申请、招标与采购、设备验收、设备基础档案四个部分。

设备使用管理包含指标管理、设备监控、保养计划、专业保全、自主保全、抢修管理、备品备件管理、盘点与折旧。

设备转移与报废主要是资产管理归属部门、责任人转移；设备转卖和设备报废流程。

5 MES系统实施效果

MES系统的实施及实际运行表明，MES系统给公司各方面带来极大的改进：

1）建立数字化、透明化现场管理和监控体系，优化和规范公司业务流程；建立制造部门统一协同平台，加强生产各相关部门的协同能力，大大提高了工作效率；

2）生产排程与执行追踪：MES系统自动获取ERP主计划，实习生产线作业计划排程，并监控排程的执行状况，确保生产计划的达成，降低在制品库存和缩短制造周期；

3）建立以产品信息为纽带，监控作业现场的详细过程，建立相关业务单元有效协作的信息平台；建立生产全过程数据管理平台，实施记录生产信息，及时监控和发现采购、检验、外协、生产等问题，通过数据分析，不断挖掘优化空间，降低生产成本，缩短生产周期，提高工作效率；

4）建立全程质量追溯体系：透过采集生产过程信息、物料批次信息和检验信息，形成完整的产品生产过程数据库，建立产品的全程追溯体系；通过分析来不断优化并缩短检验周期；绩效分析与持续改善：产出/效率/品质/库存/周期等数据的统计分析，支持决策和绩效管理，实现对制造周期、在制品库存、产品品质等的持续改善；

5）建立生产质量物流等异常情况预警机制，提高问题处理效率和准确率，降低生产成本；

6）监控现场业务操作，引入防呆机制，帮助操作人员减少操作失误；

7）和ERP、设备集成，代替人工录入，提高系统的处理效率和准确率；

8）实时获取各项业务绩效指标，为高层决策提供全面及时的第一手数据。

6 结束语

总体而言，工厂MES系统实施，需搭建一个全面的、集成的、稳定的生产制造管理系统平台，从4个维度形成4大框架体系，对产线、工位、人员、品质等多方位的监控、分析、改进，形成精细化、透明化、自动化、实时化、数字化、一体化管理，实现企业生产制造信息化管理，极大程度提高了企业的制造水平。

参考文献：

[1]张庆锋.MES系统的应用与研究[D].鞍山：辽宁科技大学，2008.

[2]张晓燕.装配型MES及其生产调度研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[3]杨 斌.MES集成框架研究与开发[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[4]谢五峰.MES生产调度系统的研究[D].北京：北京交通大学，2007.