王振軍，謝慶云，盧耀錦，王虎城，楊少武，楊志軍，王世軍

（西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000）

近年來，智能制造已成為傳統(tǒng)制造業(yè)創(chuàng)新升級的潮流，其中MES系統(tǒng)生產管理信息化技術已成為企業(yè)信息化管理轉型升級的關鍵技術之一。它是是繼生產裝備自動化（PLC/DCS控制技術）和企業(yè)決策管理信息化（ERP）技術之后，新興的一項生產管理領域的智能信息化技術。MES系統(tǒng)是將生產管理由粗放低效的傳統(tǒng)人工管理方式改進為智能信息化方式，切實實現了企業(yè)生產的提質增效和節(jié)能降耗目標。

1 MES系統(tǒng)平臺設計目標

實現設備關鍵生產環(huán)節(jié)的智能化控制，建立設備運行及維護在線信息平臺，實現設備在線故障診斷預警，實現設備檢修信息化，提高設備的生產能力和綜合效率。

實現生產流程的數字化。建立原料、中間產品，最終產品的全過程質量檢驗識別信息平臺，實現生產流程在線動態(tài)監(jiān)測管理，實現產品全過程質量管理智能追溯。

實現生產管理信息化。建立工藝、質量、分析檢測、能耗等生產管理的信息平臺。

實現生產數據的集中管理與共享標準體系，構建生產統(tǒng)計分析數據平臺，實現調度指揮信息化，實現生產管理在線運營。

2 MES系統(tǒng)在生產企業(yè)信息化系統(tǒng)的部署架構

整個生產企業(yè)的信息化系統(tǒng)劃分為三層，過程控制層、生產執(zhí)行層和企業(yè)管理層。MES作為生產執(zhí)行層的核心系統(tǒng)，在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是企業(yè)生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。

生產信息管理系統(tǒng)的部署架構如圖1所示。

圖1 生產信息管理系統(tǒng)的部署架構示意圖

2.1 過程控制層

過程控制層是各生產線、生產裝置及生產設備通過DCS、PLC等自控系統(tǒng)接入工業(yè)控制網絡，計量儀表、在線檢測儀通過采集網關接入工業(yè)控制網絡。為了保證工業(yè)控制網絡的安全性，使用工業(yè)隔離網關進行安全隔離。過程控制層一方面接受來自生產執(zhí)行層下達的作業(yè)指令和操作指令；另一方面把生產線、裝置、設備及智能儀表、在線檢測儀產生的生產實時數據，通過DCS、PLC等自控系統(tǒng)及采集網關與實時數據庫進行交互。

2.2 生產執(zhí)行層

生產執(zhí)行層是整個生產過程的管控中心，也是生產數據的處理中心。部署在工業(yè)控制網絡上的實時數據庫、報警服務器、MES服務器、關系數據庫、視頻服務器等，一方面負責生產實時數據的存儲、加工與處理，另一方面對整個生產執(zhí)行過程進行管控。生產調度相關部門可以通過SCADA工作站、工程師站、生產調度管理終端等監(jiān)視、控制生產過程，并對異常情況進行及時處理。為了保證生產控制網絡的安全性，使用工業(yè)防火墻與企業(yè)管理網進行安全隔離。生產執(zhí)行層一方面接受來自企業(yè)管理層的訂單任務，另一方面反饋訂單的生產情況。生產執(zhí)行層與企業(yè)管理層主要針對生產、原料、輔助材料、設備、質量、能耗等進行信息交互。

2.3 企業(yè)管理層

企業(yè)管理層是整個企業(yè)資源計劃與協調的中心，部署關系數據庫、Web服務器、ERP服務器、辦公服務器等。對內進行生產資源計劃管理、設備資產管理、原料庫存管理、質量管理等；對外進行客戶關系管理、供應鏈跟蹤管理等。企業(yè)管理網通過防火墻接入因特網，通過手機、Pad等移動終端，實現方便、快捷的遠程及移動辦公。

3 MES系統(tǒng)功能架構

MES系統(tǒng)功能架構見圖2。

圖2 MES系統(tǒng)功能架構示意圖

4 MES系統(tǒng)功能組件模塊設計

4.1 實時數據數據采集與監(jiān)控模塊

將各中控室數據采集至調度中心集中監(jiān)控;對生產線上關鍵設備，如感應爐、精密鑄造爐、霧化制粉設備，臥式高真空熱處理爐等設備聯網通訊，將設備數據傳送至工藝控制室；可實現在線設備監(jiān)測或遠程控制。將各設備的PLC、Scada和DCS系統(tǒng)統(tǒng)一采集至調度中心的ForceControl數據平臺上。調度中心的集中監(jiān)控平臺實現集中的畫面監(jiān)控、報警管理、實時數據顯示和歷史數據存儲。

4.2 能源管理模塊

主要針對產品單耗指標以有其它能源管理基本功能模塊?，F有的待計量和管理的能耗測點主要為單點儀表，按照50臺考慮。需要在車間部署足夠數量的串口服務器，串口服務器通過RS232/485將能耗表計設備接入，并轉換為以太網接口，接入現場的工業(yè)交換機（車間級工控網絡已部署）通過光纖將數據傳輸至調度中心的服務器上。

現場能源表計→Moxa串口服務器→現場交換機→光纖→調度中心交換機→數據服務器。

4.3 設備管理模塊

設備臺賬管理需人工錄入，如設備廠家品牌、型號、采購年限、投運時間、數量、位置、責任班組以及設備易損件信息。

設備運行監(jiān)控包括：停開機時間（可分日、月、年等）、停開機次數頻率、設備負荷狀況、設備故障記錄、設備故障簡單預警等。

設備檢修及維保計劃包括：設備故障檢修或正常維護檢修計劃生成→下發(fā)檢修計劃→派工單走流程 檢修班組執(zhí)行檢修→檢修記錄和結果回饋。

設備巡檢點檢由智能手持終端通過掃描完成，可生成巡檢路線圖。

4.4 質量管理模塊

目前分析化驗工作貫穿在整個生產流程的各個環(huán)節(jié)，質量管理的第一步必須先建設LIMS（實驗室信息管理系統(tǒng)）。工作方式為各個車間根據工藝需要，人工取樣、送樣；實驗室完成化驗分析后，再由各個工藝車間來獲取實驗報告單。除了時效性較差外，整體流程管理稍顯混亂。同時目前沒有統(tǒng)一的LIMS數據平臺，實驗結果只是以紙質和電子文件兩種方式保存。沒有實現數據統(tǒng)一存儲、數據共享、數據關聯和數據分析功能。為實現實驗數據對生產的優(yōu)化，本項目建立一個完善的LIMS管理系統(tǒng)。

4.4.1 將現有的所有試驗儀器設備統(tǒng)一管理

首先對已有資產進行編號。必須通過數據接口實現試驗設備統(tǒng)一的數據庫管理。可通過RS232/485和以太網接口實現儀器的數據采集。對于已經自帶上位機的試驗儀器，可以考慮通過訪問其上位機的文件系統(tǒng)實現試驗數據文件的采集和共享。這樣所有的數據可以在一個統(tǒng)一的數據庫平臺上實現存儲和分發(fā)。

4.4.2 對每一單實驗室工作采用作業(yè)制（Jobs）

每一個作業(yè)工單須完整記錄：本次作業(yè)工單編號，以及本編號對應的是xx車間xx性質的化驗送檢，由xx人負責送樣；預計在yy時間內完成實驗分析，結果返回；本次實驗結果的審批分別由X→Y→Z兩級（或者實際更多的）審批流程完成；實驗結果返回給xx車間的aa人員。除了簽字確認的紙面實驗報告外，實驗報告還應支持PC在線查詢。同時所有數據還應完整地記錄在數據庫中，以便后期數據分析、比對和追查。

4.4.3 實驗數據與生產過程控制數據實現聯動

實驗數據反饋給生產車間后，生產車間根據實驗報告對生產過程控制參數進行了哪些調整（自動采集反饋或人工反饋）？調整后的生產過程運行參數又發(fā)生了哪些變化（自動采集）？這些數據與實驗數據統(tǒng)一分析，關聯后進行數據挖掘。通過配合打碼與掃描方式完成質量管理模塊，并從現有LIMS系統(tǒng)調取數據反饋給對應車間，與質量管理相關聯，形成閉環(huán)。最后再返回去指導生產，實現質量管理的高級階段。

5 MES系統(tǒng)選型

5.1 FInfoWorx平臺

MES平臺軟件介紹在企業(yè)信息化系統(tǒng)結構中居于信息管理與生產調度層，針對具有MES特征及其它工廠信息化應用，配合使用其他產品，為MES及生產調度系統(tǒng)行業(yè)的整體信息化提供解決方案。

采用與FORCECON產品家族其它成員共同來提供智能制造整體方案，智能生產信息門戶集成平臺——FInfoWorx平臺包含構架門戶系統(tǒng)的基本管理功能，如用戶管理、資源角色管理、數據角色管理、資源管理、組織機構、菜單管理、模塊管理及元數據管理等。支持將第三方信息系統(tǒng)集成到平臺中，從而形成完整的工廠智能解決方案。

FinforWorx平臺完全是模塊化設計，提供基礎的工廠數據建模和各類豐富的分析組件，該平臺可分為采集層、數據層、Web服務層、Web前端等，從而為企業(yè)智能制造的動態(tài)生產管理提供數據分析、診斷及展示。針對節(jié)能降耗領域的管控中心建設可提供橫向和縱向能源分析、能源診斷、能源審計及能源設備診斷等管理功能。

FinforWorx平臺是基于J2EE開發(fā)規(guī)范，面向SOA架構集成的一個基礎的開發(fā)和運行平臺，它負責提供應用系統(tǒng)開發(fā)過程中的所需的各項基礎技術組件，并在應用系統(tǒng)的運行期提供安全、穩(wěn)定的運行支持，為適配各行業(yè)定制化系統(tǒng)，提供一個通用的、統(tǒng)一的技術解決方案。

信息門戶集成平臺如圖3所示。

圖3 信息門戶集成平臺示意圖

5.2 FInfoWorx平臺產品架構

FInfoWorx為用戶定制化系統(tǒng)提供了一個可視化的開發(fā)平臺。提供了動態(tài)、靈活、快速的開發(fā)功能模塊，包含動模型設計、流程設計、報表設計、頁面組態(tài)設計、SSO單點登錄等組件化管理模式。MES平臺軟件（FInfoWorx）內部架構如圖4所示。

圖4 MES平臺軟件（FInfoWorx）內部架構圖

FInfoWorx信息化平臺分為數據采集層、消息總線層、消息處理層、數據處理層、統(tǒng)一數據訪問接口服務、應用支撐服務、系統(tǒng)服務、表現層服務。

數據采集層：采集驅動可以根據采集API實現對不同數據源的采集，目前平臺已支持pspace6的采集功能。

消息總線（JMS消息總線）：平臺采用強勁開源的ActiveMQ中間件作為消息總線，支持JMS1.1和J2EE1.4規(guī)范。

消息處理層：用于對消息總線上的消息進行數據轉換，還原為原始數據結構的信息過程；平臺支持接收端的API。

數據處理層：用于接收到訂閱的數據后進行數據分類處理功能，可以對訂閱的實時數據通過統(tǒng)一接口推送到前端，也可以進行數據永久性存儲；同樣客戶端支持接收處理API，供開發(fā)個性化的數據處理功能。

統(tǒng)一數據訪問接口：支持對結構化數據、實時數據、文件等數據進行訪問；前端各個應用都可以通過數據訪問統(tǒng)一接口對數據進行訪問。

應用支撐層：支持上層各業(yè)務應用系統(tǒng)所依賴的各種環(huán)境，主要包括：安全控制引擎、組件引擎、報表引擎、工作流引擎及SSO單點認證系統(tǒng)等，為上層定制個性化業(yè)務系統(tǒng)而服務。

系統(tǒng)服務層：用于定制開發(fā)和集成的各種個性化的業(yè)務系統(tǒng)。

表現層：平臺支持靈活的頁面表現形式，可以對各個頁面進行靈活的組合及發(fā)布，可以構建個性化的頁面。

6 結語

MES是一個基于組件化的企業(yè)智能制造管理平臺，也是企業(yè)構建兩化融合解決方案的重要開發(fā)平臺和工具。它可以為企業(yè)提供生產動態(tài)管理、實時決策調度、設備動態(tài)管理、生產預警、能源管理等生產應用，構建一個精準、高效、智能的Web企業(yè)生產調度指揮與在線運營管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)人工生產方式管理粗放、低率、低下的瓶頸問題，實現了企業(yè)的提質增效和節(jié)能降耗目標。MES系統(tǒng)生產管理技術在智能制造領域具有廣泛的推廣應用價值。