生产企业MES系统解决方案的研究

1 引言

MES(Manufacturing Execution Systems)，制造执行系统。位于上层的企业资源计划系统 ERP与底层的工业过程控制系统 PCS之间的面向厂（车间）级的管理信息系统。它以生产制造为核心，以提高整个企业的生产经营效益为目的。

MES是通过传递信息，对从订单下达到产品完成的整个生产活动进行优化；MES依靠及时、准确的数据对工厂活动进行指导、 启动、 响应和报告； MES对条件变化的迅速响应，以及对减少非增值活动重视，使其能够提高工厂的生产效率，提高产品质量；MES可以提高生产价值的回报率，保障及时交货能力，保持合理库存量，加快库存周转，提高现金流转效率；MES双向地提供整个企业生产活动以及供应链的关键信息。

2 MES概要

2.1 MES作用及功能

制造执行系统（MES）弥合了企业计划层和生产车间过程控制层之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。MES通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。MES在企业生产整体优化中起到两方面的作用：一是把业务计划的指令传达到生产现场；二是收集生产过程中大量的实时数据并将生产现场的信息处理和上传。

根据MESA对MES的定义，MES的11 个功能主要包括1.生产资源分配与监控；2.作业计划和排产；3.工艺规格标准管理；4.数据采集（装置在线连接采集实时数据和各种参数信息，控制系统接口，生成生产数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计）；5. 作业员工管理； 6. 产品质量管理；7.过程管理（过程控制、APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口）；8. 设备维护；9. 绩效分析；10. 生产单元调度；11. 产品跟踪。

2.2 MES 效益分析

MES实施可以为企业带来丰厚的经济效益，如下表所示：

表1  MES效益分析表

这组数据主要来自一些早期实施 MES的公司，已经为 MESA International 的研究所证实。另外，MES还有助于企业减少加班，加快产品产出，增加生产的灵活性和灵敏性，以及降低成本。

3 生产企业MES解决方案

3.1 系统架构

系统自上向下分为五个层次：用户整合层、分析系统层、应用子系统层、生产管控平台层和数据中心层。如图1所示：

系统层次结构说明：用户整合层：通过统一的门户，采用灵活严格的权限设置，使企业内外的用户都能在这个平台上进行业务操作，实现全面的协作。分析系统层：整合企业的所有有效信息，为管理层提供决策支持。应用子系统层：基于 SOA模式，由 MES的标准应用模块组成，可以根据企业需求灵活配置。生产管控平台层：由应用建模平台、工作流平台、系统运行平台组成，是整个系统的核心组成部分和运行基础，该平台具有开放性和可扩展性，能满足企业不断扩展的业务需求。生产数据中心层：由数据采集总线、实时数据库、分析数据库、数据访问服务组成。

3.2 MES数据库设计

实时数据库的主要功能包括实时生产数据的采集、存贮、管理与查询。目前，单套实时数据库可以管理达20万点的实时数据，配合先进的历史数据压缩算法可以保存10年以上的历史数据（保持时间与点数和数据存放空间有关）；提供统一的配置管理，系统调试、安装好后，可以通过管理工具在单台机器上维护整个系统。支持开关量、模拟量、日期时间型、字符串、二进制等 11种点类型；采集器支持网络隔离装置，数据单向传输，保证控制系统的安全；趋势分析功能提供实时和历史趋势查看功能，并能对多点或单点多时间段的数据进行对比分析；实时流程图提供实时流程图查看功能，图形方式查看，数据与生产现场同步变化，坐在办公室里就能随时了解生产状况；数据导出功能可以按照用户的定义，把部分历史数据导出到关系数据库中，轻松实现生产报表；丰富的、可扩展的设备接口，有效集成多种异构的协议与控制设备，目前提供的数据采集接口支持：OPC协议、Modbus协议、CDT协议等，而且通过实时库接口 API，可以很容易的针对特定系统接口进行定制开发；提供计算采集器，可以对原始数据进行计算，将计算结果作为新的点值写回到实时库中；开放的二次开发接口，能根据用户需要定制新的应用。图2所示为实时数据库结构示意图。

图2 实时数据库架构图

4 数据系统集成工程

4.1 控制系统数据采集方式

自动化控制系统 DCS/PLC具有标准的数据通讯协议，其数据采集方式是使用一台计算机作为数据采集网关机，通过数据采集网关机实现实时数据库服务器和控制系统的连接，具体连接方式为：

DCS/PLC操作员站安装数据通讯接口服务软件 OPC Server，增加一块网卡，设置成与DCS/PLC不同网段，通过网线将 DCS/PLC操作员站连接到数据采集网关机，距离远的需通过光纤连接。数据采集网关机会将采集到的数据送到实时数据库中。

数据采集网关的目的在于减低操作站负荷， 网关的存储转发功能， 使得当网络故障时，过程数据存储在网关机。当网络恢复后，网关机自动将本地数据存储到实时数据库。这保证了数据不丢失。由于网关具有隔离控制网与管理网的作用，具有更高的安全性，保证控制系统的运行安全。

PLC数据采集分为两种情况：一种情况是有上位机，这样可以通过上位机的 SCADA系统进行数据采集，数据采集方式同控制系统一样；第二种情况是没有上位机，这样就需要从 PLC通讯端口直接进行数据采集，数据采集方式与智能仪表数据采集方式类似。

电气保护系统具有标准的数据通讯协议，其数据采集方式是使用一台计算机作为数据采集网关，通过数据采集网关实现实时数据库服务器和电气系统的连接，具体连接方式：

通过在电气通讯柜选择一空余通讯口，通过串口通讯线连接到数据网管机上用于传输过程数据。每个数据采集点配置一对光纤收发器，一个连接数据采集网关，一块连接接入交换机。

这里增加数据采集网关的目的在于减低操作站负荷，网关的存储转发功能，使得当网络故障时，过程数据存储在网关机。当网络恢复后，网关自动将本地数据存储到实时数据库。这保证了数据不丢失。由于网关具有隔离控制网与管理网的作用， 具有更高的安全性，保证控制系统的运行安全。

4.2 功能模块

（1）实时监控：以系统流程图的方式实时监测生产线参数， 管理者在办公室就能实时了解整个企业不同控制系统和整个企业生产现场的实际情况。如出差在外，通过Internet 在任何地方亦可实时访问。

（2）流程图回放：通过流程图回放功能，综合分析某一生产数据或某些生产数据对其它数据的影响。

（3）实时趋势与历史趋势：查看某项指标的变化趋势，便于相关人员对分布于不同 PLC和 DCS系统的关键历史数据的进行对比分析，对关键技术指标做出科学、合理的调整， 以提高产品质量、提高生产效率、提高产品的竞争能力。对重要的生产和工艺参数，不同工序的生产数据，客户可以进行数据整合组态，可组态在一张趋势画面上进行对比、分析。可同时在一张趋势画面上进行多点趋势对比分析。历史趋势，客户可以选择任意历史时间段，采集周期，进行查看历史趋势。

（4）报警：对关键数据超限报警或组合条件报警。用表格的方式将报警的触发条件和参数输入到报警数据库中，包括开关量变位报警、模拟量的实时数据报警、偏差报警、变化率报警等声光报警。

（5）生产计划：提供对主生产计划、作业计划、需求计划等的全面管理，包括多种生产计划的制定、调整、执行、跟踪和归档。

（6）生产调度：调度指挥系统根据公司生产目标（计划）以及生产过程中的原料、产品、质量、设备、公用工程等多方面的信息，下达生产调度指令、安全指令的执行情况并进行监督、检查，结合现场工艺状况形成新的生产指挥调度信息，记录生产情况，纠正执行中的偏差， 就具体问题召开部门内部及跨部门和单位的生产协调会议，发出通知通报，实现组织，协调，平衡，指挥，督办的作用，使生产制造活动稳定持续进行。

5 结束语

通过对生产企业MES总体框架的分析以及实时数据库的设计，并对MES系统的必要组成模块的功能进行了说明。