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南京航空航天大學(xué) 樓佩煌教授 葉文華教授
　　中國計(jì)算機(jī)用戶
　　
　　
　　 MES在工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中起著中間層的作用——在MRP II、ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計(jì)劃的指導(dǎo)下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對短期生產(chǎn)作業(yè)的計(jì)劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。那么，MES依靠哪些技術(shù)、模塊實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？尤其是與ERP、控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)協(xié)作呢？
　　　　作為一種計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)，MES重要使命就是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。它包含了許多功能模塊。通過實(shí)踐，MESA（MES國際聯(lián)合會(huì)）歸納了十一個(gè)主要的MES功能模塊，包括工序詳細(xì)調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護(hù)管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集等模塊。
　　　　對于這個(gè)歸納，業(yè)界還有一點(diǎn)爭議。NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究組織）在向OMG（Object Management Group，對象管理組織）提交的《NIST Response to MES Request for Information》報(bào)告中就認(rèn)為：MESA的歸納中，過程管理不應(yīng)單獨(dú)作為一個(gè)功能模塊，而應(yīng)該添加一個(gè)物料管理模塊。我們也認(rèn)為，MES應(yīng)具有物料管理功能。
　　
　　　　攜手上下層、優(yōu)化數(shù)據(jù)流
　　
　　　　通過上述這些模塊有效協(xié)作，MES在工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中起著中間層的作用。在MES下層，是底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)，包括DCS、PLC、NC/CNC和SCADA或這幾種類型的組合；在MES上層，則是高層管理計(jì)劃系統(tǒng)，包括ERP、MRP II。

　　　　從時(shí)間因素分析，在MES之上的計(jì)劃系統(tǒng)考慮的問題域是中長期的生產(chǎn)計(jì)劃（時(shí)間因子＝100倍），執(zhí)行層系統(tǒng)MES處理的問題域是近期生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)調(diào)安排問題（時(shí)間因子＝10倍），控制層系統(tǒng)則必須實(shí)時(shí)地接收生產(chǎn)指令，使設(shè)備正常加工運(yùn)轉(zhuǎn)（時(shí)間因子＝1倍）。它們相互關(guān)聯(lián)、互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。

　　　　從層次角度分析，制造企業(yè)的控制結(jié)構(gòu)可劃分為工廠層（或公司層）、車間層、單元層和設(shè)備層。其中，單元層相當(dāng)于一般企業(yè)的工段或班組。通常，ERP系統(tǒng)處于工廠層和車間層，有時(shí)會(huì)擴(kuò)展到單元層。設(shè)備控制系統(tǒng)處于設(shè)備層，有時(shí)會(huì)擴(kuò)展到單元層。而MES則總是處于車間層與單元層。因此，MES與ERP在車間層（有時(shí)包括單元層）在功能上會(huì)有部分重復(fù)，MES與設(shè)備控制系統(tǒng)在單元層有時(shí)也會(huì)有部分功能重疊，如圖1所示。
　　
　　　　在MRP II、ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計(jì)劃的指導(dǎo)下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行短期生產(chǎn)作業(yè)的計(jì)劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程的優(yōu)化等工作。圖2描述了MES在企業(yè)中的數(shù)據(jù)流圖。
　　
　　控制與信息反饋流程以及MES與ERP、設(shè)備控制系統(tǒng)之間的關(guān)系。在圖1中，計(jì)劃與控制指令自上而下越來越詳細(xì)與具體，而由分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自下而上經(jīng)過層層匯總，數(shù)據(jù)的綜合性越來越強(qiáng)。

　　　　在信息交互的具體內(nèi)容方面，MES向上層提交周期盤點(diǎn)次數(shù)、生產(chǎn)能力、材料消耗、勞動(dòng)力和生產(chǎn)線運(yùn)行性能、在制品(WIP)存放位置和狀態(tài)、實(shí)際定單執(zhí)行等涉及生產(chǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)；向底層控制系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)指令控制及有關(guān)的生產(chǎn)線運(yùn)行的各種參數(shù)等。圖3描述了MES與計(jì)劃層和控制層的信息交互關(guān)系。
　　
　　與ERP優(yōu)勢互補(bǔ)
　　
　　　　ERP的不足
　　　　雖然ERP能夠很好地解決生產(chǎn)計(jì)劃問題，但是在車間這一層次的控制卻往往不夠完善。例如，ERP里面的車間控制模塊計(jì)劃功能一般很弱，主要是執(zhí)行MRP計(jì)劃。它把MRP計(jì)劃變換為車間加工單和調(diào)度單，并按車間加工單和調(diào)度單執(zhí)行，同時(shí)對計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行反饋，并進(jìn)行投入與產(chǎn)出控制。

　　　　ERP系統(tǒng)車間加工單和調(diào)度單的時(shí)間跨度（或計(jì)劃期）常常比較長，通常為周。車間加工單和調(diào)度單中的設(shè)備資源，則是以工作中心為單位的，但對工作中心的定義往往沒有嚴(yán)格規(guī)定，完全根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)施要求和控制細(xì)度來確定的。通常，工作中心在ERP中被定義為一組設(shè)備資源，所有信息的反饋與成本的核算等都是以工作中心為單位進(jìn)行的。

　　　　ERP通常采集主要工序現(xiàn)場信息的時(shí)候，基本靠手工錄入，不僅效率低、易出錯(cuò)，而且輸入的數(shù)據(jù)是基本上是前一個(gè)班或前一天的數(shù)據(jù)，信息滯后。
　　
　　　　MES的優(yōu)勢
　　　　MES的計(jì)劃調(diào)度功能與ERP車間層的功能有些類似，但MES的計(jì)劃調(diào)度的功能比較強(qiáng)，制定的計(jì)劃也比較詳細(xì)。

　　　　MES一般按車間層和單元層分級制定作業(yè)計(jì)劃，并對車間的每一臺(tái)設(shè)備或操作人員分派任務(wù)。MES中的車間加工單與ERP的類似，MES中的調(diào)度單是對車間加工單在時(shí)間和空間范圍內(nèi)的進(jìn)一步分解，通常會(huì)細(xì)化到計(jì)劃期內(nèi)每個(gè)單元每臺(tái)設(shè)備每天（或每班）的生產(chǎn)任務(wù)。同時(shí)，以分派工單的形式把第二天或下一班的生產(chǎn)任務(wù)分派到每一個(gè)操作人員（或設(shè)備）上。

　　　　MES系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)不僅包括每臺(tái)設(shè)備、每個(gè)工序和每個(gè)操作人員的數(shù)據(jù)，還包括加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過層層匯總，最后可得到整個(gè)工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

　　　　如果把MES與ERP集成起來，不僅能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢；同時(shí)，可使MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃更合理，使ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更及時(shí)有效，工作效率更高。MES與ERP間的集成數(shù)據(jù)與MES、ERP間的界面劃分有關(guān)。一般而言，即可以由MES來承擔(dān)所有車間層和單元層的功能，也可以由ERP承擔(dān)車間層的功能，由MES來承擔(dān)單元層的功能。但從系統(tǒng)的集成角度看，由MES來承擔(dān)所有車間層和單元層的功能實(shí)施比較容易。
　　
　　　　MES的獨(dú)到技術(shù)
　　
　　　　MES涉及的技術(shù)領(lǐng)域，很多方面與MRP II、ERP所用技術(shù)相類似。這里，僅就MES中較有特色的技術(shù)進(jìn)行說明。
　　
　　　　運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集技術(shù)
　　　　這種技術(shù)是對機(jī)床的開/停、加工運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，為計(jì)劃控制和動(dòng)態(tài)調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息支持，使車間管理與控制真正做到實(shí)時(shí)。

　　　　機(jī)床的開/停、加工運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的技術(shù)方案，將根據(jù)機(jī)床設(shè)備的具體情況確定。對于可以直接上網(wǎng)、支持OPC的機(jī)床，采用基于OPC的狀態(tài)信息采集方案，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口和必要的軟件配置，直接讀取機(jī)床的各種狀態(tài)信息即可。

　　　　對于不支持OPC的數(shù)控設(shè)備開/關(guān)機(jī)與運(yùn)行狀態(tài)信息采集，要通過測量數(shù)控設(shè)備中的控制面板、機(jī)床電氣控制電路中有關(guān)點(diǎn)的模擬信號及其變化，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，再利用DNC接口上的I/O接口來實(shí)現(xiàn)。

　　　　車間控制器可根據(jù)各單元設(shè)備配置情況與所記錄的狀態(tài)信息，可顯示車間內(nèi)各單元的數(shù)控設(shè)備分布情況及運(yùn)行狀態(tài)，并對設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間和設(shè)備利用率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
　　
　　　　NC程序的傳輸技術(shù)
　　　　對不同的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行NC程序的雙向傳輸，對機(jī)械制造業(yè)MES系統(tǒng)具有十分重要的意義。在MES系統(tǒng)中，NC程序的雙向傳輸主要解決具有不同傳輸協(xié)議的數(shù)控系統(tǒng)NC程序的傳輸問題。

　　　　通常，NC程序的雙向傳輸采用基于RS-232C的點(diǎn)對點(diǎn)通信聯(lián)接。這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單、傳輸可靠，在拓?fù)渖蠟樾切谓Y(jié)構(gòu)，通信協(xié)議簡單，通訊速率一般在110-9600bit/s之間，技術(shù)上比較成熟，系統(tǒng)組成也相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，是一種應(yīng)用較多而又經(jīng)濟(jì)可靠的一種方案。

　　　　但是，盡管RS-232C標(biāo)準(zhǔn)傳輸電平擺幅較大，抗干擾能力提高，但由于允許電容負(fù)載，因而傳輸距離受限。當(dāng)主機(jī)與數(shù)控機(jī)床通訊距離超過30M（波特率為4800bps）時(shí)，不能直接用RS-232C進(jìn)行通訊。延長通訊距離的方法有多種，如采用MODEM、串口服務(wù)器、RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換、長線收發(fā)器等。

　　　　不同的數(shù)控系統(tǒng)與PC計(jì)算機(jī)的握手信號是不同的，通常有硬件握手、軟件握手兩種形式。如FANUC數(shù)控系統(tǒng)通常采用軟件握手，Siemens的數(shù)控系統(tǒng)采用硬件握手，硬件握手信號有DTR、DSR、RTS和CTS。數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議一般有XON/XOFF協(xié)議和自動(dòng)重復(fù)請求的ARQ協(xié)議兩大類。對不同的握手信號與通信協(xié)議，需要采用不同的通信控制方式。
　　
　　　　維修知識(shí)庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)
　　　　維修知識(shí)庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)，也是MES的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)輔助故障診斷，診斷故障模塊更多地考慮結(jié)構(gòu)化問題的分析與判斷。

　　　　在對故障的統(tǒng)計(jì)、歸類分析的基礎(chǔ)上，建立故障現(xiàn)象與原因之間的關(guān)系，通過決策樹的方式支持故障診斷?？紤]到維修知識(shí)庫的建立與完善是一個(gè)漸進(jìn)的過程，因此考慮開發(fā)具有自學(xué)習(xí)功能的數(shù)控機(jī)床維修管理信息系統(tǒng)，將成功的維修案例記錄到系統(tǒng)中，系統(tǒng)能提取相關(guān)信息，對決策樹進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的積累。系統(tǒng)面向零件主題組織機(jī)床零備件更換的工藝，并將操作復(fù)雜，拆/裝工藝要求高的操作過程保存為影像資料，便于以后的機(jī)床維修或維修操作培訓(xùn)參考。
　　
　　
　　　　名詞解釋
　　
　　
　　　　ARQ：Automatic Repeat reQuest，自動(dòng)重復(fù)請求
　　　　CNC：Computer Numerical Control，計(jì)算機(jī)數(shù)控
　　　　CTS：Clear To Send，清除發(fā)送
　　　　DCS：Distributed Control System，大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)
　　　　DSR：Data Set Ready，數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好
　　　　DTR：Data Terminal Ready，數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好
　　　　MESA：MES Association，國際聯(lián)合會(huì)）
　　　　MRP：Material Requirement Planning，物料需求計(jì)劃
　　　　MRP II：Manufacturing Resources Planning，制造資源計(jì)劃
　　　　NC：Numerical Control，數(shù)控
　　　　NIST：National Institute of Standards & Technology，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究組織
　　　　OLE：Object Link and Embed,對象的鏈接和嵌入
　　　　OMG：Object Management Group，對象管理組織
　　　　OPC：OLE for Process Control，用于處理控制的OLE。
　　　　PLC：Programmable Logic Controllers，可編程邏輯控制器
　　　　RS-232C：即EIA RS-232C，是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(Electronic Industry Association)在1969年頒布的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是Recommended Standard)的縮寫，表示是“推薦標(biāo)準(zhǔn)”；232是標(biāo)識(shí)號碼；而C則表示該標(biāo)準(zhǔn)已被修改的次數(shù)。
　　　　RTS：Request To Send，請求發(fā)送
　　　　SCADA：Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)
　　　　WIP：Work in Process，在制品
　　　　Xon/Xoff: 流量控制方式兩種之一，X代表Transmission，Xoff表示停止發(fā)送,Xon表示繼續(xù)發(fā)送。
　　
　　　　MES部分模塊介紹
　　
　　　　資源分配和狀態(tài)管理
　　　?。≧esource Allocation and Status）
　　　　這個(gè)模塊管理機(jī)床、工具、人員、物料、其它設(shè)備以及其它生產(chǎn)實(shí)體（例如進(jìn)行加工必須準(zhǔn)備的工藝文件、數(shù)控加工程序等文檔資料），用以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。它還要提供資源使用情況的歷史記錄，確保設(shè)備能夠正確安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)提供資源的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。對這些資源的管理，還包括為滿足生產(chǎn)計(jì)劃的要求對其所作的預(yù)定和調(diào)度。
　　
　　　　工序詳細(xì)調(diào)度（Operations/Detail Scheduling）
　　　　在編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃中，該模塊提供與指定生產(chǎn)單元相關(guān)的優(yōu)先級（Priorities）、屬性（Attributes）、特征（Characteristics）以及處方（Recipes，此為可選項(xiàng)）的作業(yè)排序功能。其目標(biāo)是通過良好的作業(yè)順序最大限度減少生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)備時(shí)間。

　　　　這種調(diào)度，是基于有限能力的調(diào)度并通過考慮生產(chǎn)中的交錯(cuò)、重疊和并行操作來準(zhǔn)確計(jì)算出設(shè)備上下料和調(diào)整時(shí)間。
　　
　　　　生產(chǎn)單元分配（Dispatching Production Units）
　　　　這一模塊以作業(yè)、訂單、批量、成批和工作單等形式管理生產(chǎn)單元間的工作流。當(dāng)車間有事件發(fā)生時(shí)，要提供一定順序的調(diào)度信息并按此進(jìn)行相關(guān)的實(shí)時(shí)操作。生產(chǎn)單元分配模塊，能夠調(diào)整車間已制訂的生產(chǎn)進(jìn)度，對返修品和廢品進(jìn)行處理，用緩沖管理的方法控制任意位置的在制品數(shù)量。
　　
　　　　文檔控制（Document Control）
　　　　此模塊控制、管理并傳遞與生產(chǎn)單元有關(guān)的信息文檔，包括工作指令、配方、工程圖紙、標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程、零件的數(shù)控加工程序、批量加工記錄、工程更改通知以及各種轉(zhuǎn)換操作間的通訊記錄，并提供了信息編輯功能。

　　　　文檔控制模塊將各種指令下達(dá)給操作層，包括向操作者提供操作數(shù)據(jù)或向設(shè)備控制層提供生產(chǎn)配方。此外，它還包括對其它重要數(shù)據(jù)(例如與環(huán)境、健康和安全制度有關(guān)的數(shù)據(jù)以及ISO信息)的控制與完整性維護(hù)。當(dāng)然，還有存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)功能。
　　
　　　　數(shù)據(jù)采集（Data Collection/Acquisition）
　　　　該功能通過數(shù)據(jù)采集接口來獲取并更新與生產(chǎn)管理功能相關(guān)的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，包括產(chǎn)品跟蹤、維護(hù)產(chǎn)品歷史記錄以及其它參數(shù)。這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以從車間手工方式錄入或由各種自動(dòng)方式獲取。數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔差別很大，有時(shí)可達(dá)到分鐘一級的精度。
　　
　　　　過程管理（Process Management）
　　　　該模塊監(jiān)控生產(chǎn)過程、自動(dòng)糾正生產(chǎn)中的錯(cuò)誤并向用戶提供決策支持以提高生產(chǎn)效率。這些活動(dòng)，可能是針對一些比較底層的操作，它們主要集中在被監(jiān)視和被控制的機(jī)器上，需要連續(xù)跟蹤生產(chǎn)操作流程。

　　　　過程管理模塊還應(yīng)包括報(bào)警功能，使車間人員能夠及時(shí)察覺到出現(xiàn)了超出允許誤差的加工過程。通過數(shù)據(jù)采集接口，過程管理可以實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與制造執(zhí)行系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。