MES在工廠綜合自動化系統(tǒng)中起著中間層的作用——在MRP II、ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計劃的指導下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實時數(shù)據(jù)，對短期生產(chǎn)作業(yè)的計劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程進行優(yōu)化。那么，MES依靠哪些技術(shù)、模塊實現(xiàn)這一目標？尤其是與ERP、控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)協(xié)作呢？
作為一種計算機輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)，MES重要使命就是實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。它包含了許多功能模塊。通過實踐，MESA（MES國際聯(lián)合會）歸納了十一個主要的MES功能模塊，包括工序詳細調(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。
對于這個歸納，業(yè)界還有一點爭議。NIST（美國國家標準與技術(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》報告中就認為：MESA的歸納中，過程管理不應(yīng)單獨作為一個功能模塊，而應(yīng)該添加一個物料管理模塊。我們也認為，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，則是高層管理計劃系統(tǒng)，包括ERP、MRP II。
從時間因素分析，在MES之上的計劃系統(tǒng)考慮的問題域是中長期的生產(chǎn)計劃（時間因子＝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（時間因子＝10倍），控制層系統(tǒng)則必須實時地接收生產(chǎn)指令，使設(shè)備正常加工運轉(zhuǎn)（時間因子＝1倍）。它們相互關(guān)聯(lián)、互為補充，實現(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，有時會擴展到單元層。設(shè)備控制系統(tǒng)處于設(shè)備層，有時會擴展到單元層。而MES則總是處于車間層與單元層。因此，MES與ERP在車間層（有時包括單元層）在功能上會有部分重復(fù)，MES與設(shè)備控制系統(tǒng)在單元層有時也會有部分功能重疊，如圖1所示。
圖1 計劃控制與信息反饋流程及MES與ERP、設(shè)備控制系統(tǒng)之間的關(guān)系
在MRP II、ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的長期計劃的指導下，MES根據(jù)底層控制系統(tǒng)采集的與生產(chǎn)有關(guān)的實時數(shù)據(jù)，進行短期生產(chǎn)作業(yè)的計劃調(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。
圖2 MES在企業(yè)中數(shù)據(jù)流圖
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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，計劃與控制指令自上而下越來越詳細與具體，而由分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的實時數(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。
在信息交互的具體內(nèi)容方面，MES向上層提交周期盤點次數(shù)、生產(chǎn)能力、材料消耗、勞動力和生產(chǎn)線運行性能、在制品(WIP)存放位置和狀態(tài)、實際定單執(zhí)行等涉及生產(chǎn)運行的數(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)線運行的各種參數(shù)等。圖3描述了MES與計劃層和控制層的信息交互關(guān)系。
圖3 MES與計劃層及控制層信息交互
與ERP優(yōu)勢互補
ERP的不足
雖然ERP能夠很好地解決生產(chǎn)計劃問題，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劃功能一般很弱，主要是執(zhí)行MRP計劃。它把MRP計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，同時對計劃執(zhí)行情況進行反饋，并進行投入與產(chǎn)出控制。
ERP系統(tǒng)車間加工單和調(diào)度單的時間跨度（或計劃期）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格規(guī)定，完全根據(jù)系統(tǒng)的實施要求和控制細度來確定的。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行的。
ERP通常采集主要工序現(xiàn)場信息的時候，基本靠手工錄入，不僅效率低、易出錯，而且輸入的數(shù)據(jù)是基本上是前一個班或前一天的數(shù)據(jù)，信息滯后。
MES的優(yōu)勢
MES的計劃調(diào)度功能與ERP車間層的功能有些類似，但MES的計劃調(diào)度的功能比較強，制定的計劃也比較詳細。
MES一般按車間層和單元層分級制定作業(yè)計劃，并對車間的每一臺設(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間和空間范圍內(nèi)的進一步分解，通常會細化到計劃期內(nèi)每個單元每臺設(shè)備每天（或每班）的生產(chǎn)任務(wù)。同時，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)不僅包括每臺設(shè)備、每個工序和每個操作人員的數(shù)據(jù)，還包括加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于采用自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使狀態(tài)數(shù)據(jù)可實時采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過層層匯總，最后可得到整個工廠的生產(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，可使MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃更合理，使ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更及時有效，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來承擔所有車間層和單元層的功能，也可以由ERP承擔車間層的功能，由MES來承擔單元層的功能。但從系統(tǒng)的集成角度看，由MES來承擔所有車間層和單元層的功能實施比較容易。
MES的獨到技術(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)進行說明。
運行狀態(tài)實時采集技術(shù)
這種技術(shù)是對機床的開/停、加工運行狀態(tài)進行實時采集，為計劃控制和動態(tài)調(diào)度提供及時、準確的信息支持，使車間管理與控制真正做到實時。
機床的開/停、加工運行狀態(tài)進行實時采集的技術(shù)方案，將根據(jù)機床設(shè)備的具體情況確定。對于可以直接上網(wǎng)、支持OPC的機床，采用基于OPC的狀態(tài)信息采集方案，通過標準的OPC接口和必要的軟件配置，直接讀取機床的各種狀態(tài)信息即可。
對于不支持OPC的數(shù)控設(shè)備開/關(guān)機與運行狀態(tài)信息采集，要通過測量數(shù)控設(shè)備中的控制面板、機床電氣控制電路中有關(guān)點的模擬信號及其變化，并進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換，再利用DNC接口上的I/O接口來實現(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)備分布情況及運行狀態(tài)，并對設(shè)備的運行時間、停機時間和設(shè)備利用率等進行統(tǒng)計。
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NC程序的傳輸技術(shù)
對不同的數(shù)控機床進行NC程序的雙向傳輸，對機械制造業(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的點對點通信聯(lián)接。這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單、傳輸可靠，在拓撲上為星形結(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，易于實現(xiàn)，是一種應(yīng)用較多而又經(jīng)濟可靠的一種方案。
但是，盡管RS-232C標準傳輸電平擺幅較大，抗干擾能力提高，但由于允許電容負載，因而傳輸距離受限。當主機與數(shù)控機床通訊距離超過30M（波特率為4800bps）時，不能直接用RS-232C進行通訊。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計算機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。
維修知識庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)
維修知識庫的建立與維修向?qū)Ъ夹g(shù)，也是MES的一項關(guān)鍵技術(shù)，它可以實現(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、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]到維修知識庫的建立與完善是一個漸進的過程，因此考慮開發(fā)具有自學習功能的數(shù)控機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，對決策樹進行擴充，實現(xiàn)知識的積累。系統(tǒng)面向零件主題組織機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，便于以后的機床維修或維修操作培訓參考。
名詞解釋
ARQ：Automatic Repeat reQuest，自動重復(fù)請求
CNC：Computer Numerical Control，計算機數(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)備準備好
DTR：Data Terminal Ready，數(shù)據(jù)終端準備好
MESA：MES Association，國際聯(lián)合會）
MRP：Material Requirement Planning，物料需求計劃
MRP II：Manufacturing Resources Planning，制造資源計劃
NC：Numerical Control，數(shù)控
NIST：National Institute of Standards & Technology，美國國家標準與技術(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EIA(Electronic Industry Association)在1969年頒布的串行接口標準。RS是Recommended Standard)的縮寫，表示是“推薦標準”；232是標識號碼；而C則表示該標準已被修改的次數(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。
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MES部分模塊介紹
資源分配和狀態(tài)管理
?。≧esource Allocation and Status）
這個模塊管理機床、工具、人員、物料、其它設(shè)備以及其它生產(chǎn)實體（例如進行加工必須準備的工藝文件、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轉(zhuǎn)，同時提供資源的實時狀態(tài)信息。對這些資源的管理，還包括為滿足生產(chǎn)計劃的要求對其所作的預(yù)定和調(diào)度。
工序詳細調(diào)度（Operations/Detail Scheduling） 在編制生產(chǎn)作業(yè)計劃中，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）的作業(yè)排序功能。其目標是通過良好的作業(yè)順序最大限度減少生產(chǎn)過程中的準備時間。
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、重疊和并行操作來準確計算出設(shè)備上下料和調(diào)整時間。
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。當車間有事件發(fā)生時，要提供一定順序的調(diào)度信息并按此進行相關(guān)的實時操作。生產(chǎn)單元分配模塊，能夠調(diào)整車間已制訂的生產(chǎn)進度，對返修品和廢品進行處理，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、標準工藝規(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。當然，還有存儲歷史數(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方式獲取。數(shù)據(jù)采集的時間間隔差別很大，有時可達到分鐘一級的精度。
過程管理（Process Management）
該模塊監(jiān)控生產(chǎn)過程、自動糾正生產(chǎn)中的錯誤并向用戶提供決策支持以提高生產(chǎn)效率。這些活動，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)包括報警功能，使車間人員能夠及時察覺到出現(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。
（轉(zhuǎn)載）
