MES车间调度监控系统软件
2018年12月29日
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制造企业针对生产、库存管理及销售各个环节，实施ERP等管理信息系统，以帮助企业提高运作效率及管理水平。但ERP应用范围被限制在企业计划层，无法对车间级的生产过程进行实时的调度安排，导致生产与计划相互脱节。制造执行系统（ MES系统 ，www.hzjux.com 软件）是位于企业上层生产计划（MRPⅡ/ERP）和底层工业控制之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES系统软件强调制造计划的执行，它在计划管理层和过程控制层之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的鸿沟。
1、基于MES系统软件的生产车间信息系统
针对上述当前制造企业生产管理中普遍存在的问题，通过对MES系统软件功能本质的分析，笔者提出了以下三层结构——企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES系统软件）/过程控制系统（PCS）、两级数据库平台——实时数据库/统计数据库的信息化管理解决方案。
1.1 控制层（PCS）
PCS层主要负责生产过程的自动控制与现场数据的采集与初步分析。以PLC作为过程状态和工艺、质量参数采集的基本单元，以AS-I总线和工业现场总线（ProfiBUS）构成基本网络（含I/O接口模块、传感器、开关、智能仪表、AS-I总线主站、计算机通讯接口程序等）；工业现场总线采用总线拓扑结构（ProfiBUS-DP），总线两端有终端电阻。这样结构使系统具有扩展性，维护方便；高性能的工业控制计算机和对成熟组态软件WinCC的二次开发形成车间现场数据的监控系统。
1.2 执行层（MES系统软件）
MES系统软件层的主要功能是动态的生产调度、生产过程实时监控和现场数据的分析。MES系统软件主要由MES系统软件软件、MES系统软件数据库服务器、MES系统软件调度台、车间作业信息显示屏等构成，采用星型拓扑结构的工业以太网络联接；该网络连接集中于中央节点，便于网络维护和资源配置，当网络中一个节点出现故障时，易于进行隔离检测和维护，不会对其他节点造成很大影响，不会导致整个网络的崩溃，同时网络节点的接线方式也便于系统的监控和管理。
1.3 计划层（ERP）
计划层即企业资源规划层（ERP），ERP层主要进行管理决策与生产计划，重点突出ERP管理平台的建设。目前，适于不同需求的ERP系统已较成熟，可直接用于计划层的信息管理。通过建立企业内部局域网（Intranet），实现计划层内部信息的传输及计划层、执行层之间信息的交互；并通过与互联网（Internet）的连接，建立企业公共信息发布与电子商务的平台。
2、车间监控调度系统设计与开发
MES系统软件层是生产信息化管理方案的核心，即车间监控调度系统。它通过对制造过程的实时监控和动态调度，根据ERP下达的生产计划，利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量的产品。
车间监控调度系统功能包括：从计划管理层获取日生产计划；对生产车间资源的管理，如任务订单、物料与在制品、生产设备、人员等；生产车间作业调度；车间生产过程监控；车间生产过程信息在线统计；主调度终端与各工序终端之间进行消息传递和数据库共享。
2.1 MES系统数据库的建立
数据库结构设计以能够及时、准确、有效地满足系统功能为首要目标。在数据库建立时，需要将各种信息分类和归纳，通过建立不同功能的表和相应字段保障数据信息的完整性和有效性。以下数据库的设计以满足第三范式为标准，并严格遵守参照完整性规则，这里不再赘述。监控调度系统服务器是整个系统的数据交换中心，它的数据库结构和数据内容是系统其他终端模块建立的参照蓝本。根据车间调度系统的功能需要，以及数据实时统计和及时上报管理层的要求，调度系统服务器采用SQL Server7.0数据库，分为统计数据库和实时数据库。
1）统计数据库
统计数据库是面向MES系统软件/ERP层进行功能设计，用于提供MES系统软件/ERP层所需的数据服务。统计数据库保存车间生产调度所需的基本数据信息；需要根据车间的生产布局、生产工艺流程以及产品类型的变化，而进行定期维护和更新。由于统计数据库跨越时间范围大，历史数据需要定期维护和备份。管理层的离线分析查询终端可利用统计数据库中的相应历史数据，进行大时间段的信息统计和查询。
2）实时数据库
实时数据库是面向PCS/MES系统软件层进行功能设计，提供PCS/MES系统软件层所需的数据服务。实时数据库保存过程中检测到的动态信息和临时数据，并进行必要的刷新、汇总与统计，用以车间生产的实时动态调度。实时数据库是调度系统服务器为完成生产过程监控和实时调度功能，而直接操作的数据对象，是调度系统进行实时统计和分析的直接数据源，用于动态保存生产过程信息和监控过程中检测到的质量信息及相应的统计数据，并定时地向统计数据库发送需要备份的信息。
2.2 MES监控调度系统设计
生产监控调度系统采用瘦客户机/服务器（ThinClient/Server）体系结构，将调度系统应用程序的配置、管理、维护和运行都放在调度系统服务器上完成，而Windows终端只作为简化的人机接口界面为用户提供服务，从而极大地增强了系统的集成性和可维护性。
1）监控模块
监控模块主要包括设备状况监控和生产流程监控两个子功能模块。设备状况监控子模块，与系统控制层的PLC终端进行通信，用于对生产系统中各主要加工机床的运行状况进行在线监控。在被监控的设备出现故障时，自动报警。生产流程监控子模块与监控层的Windows终端进行通信，用于对生产系统中各任务的加工进程进行在线监视。
2）用户管理模块
用户管理模块主要对该生产调度系统的用户信息进行管理，包括系统登陆、添加用户、删除用户、修改用户密码、设置用户权限等功能。
3）生产信息管理模块
生产信息管理模块主要包括任务订单管理、物料与在制品管理、生产设备管理和生产人员管理等四个子模块。该模块对实时数据库和统计数据库进行直接的读写操作，各子模块的功能包括对车间相关信息的添加、查询、删除、更新等功能。
4）作业调度模块
作业调度模块主要功能是进行车间的生产调度。该模块即可以采用基于瓶颈分析的启发式算法对整个生产系统进行自动的实时动态的生产调度；也可以由车间调度员，根据自己的经验和对车间生产状况的分析，采用调度模块提供的一些常用的调度规则对各工序分别进行排产。
5）数据统计模块
数据统计模块主要是针对生产系统和生产质量等方面信息的在线统计，如机床利用率、平均在制品库存、加权误期任务数等。该模块可以进行指点时间段内相关信息的统计分析，如Pareto图分析等。长期的统计分析结果可以从管理层统计系统查询获得；短期的统计分析可以统计数据库与实时数据库中的数据作为数据源进行在线数据分析，为确定生产瓶颈和在线生产与质量提供依据。
3、应用实例与效果评估
该生产车间管理信息系统模型作为某电缆厂“ 准时定长制造控制与管理系统”的核心部分，已被成功地应用于该厂的信号电缆生产车间，解决了生产与计划脱节的问题，初步形成了对电缆制造过程的信息化管理模式，加强了生产计划的可执行性，实现了产品质量的过程控制与在制品的信息化管理。缩短了制造周期，任务的平均通过时间（Throughput Time）减少了22%。降低了成品、在制品库存，形成了与按需要生产、准时定长制造相适应的生产调度能力。
4、结语
1、基于MES系统软件的生产车间信息系统
针对上述当前制造企业生产管理中普遍存在的问题，通过对MES系统软件功能本质的分析，笔者提出了以下三层结构——企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES系统软件）/过程控制系统（PCS）、两级数据库平台——实时数据库/统计数据库的信息化管理解决方案。
1.1 控制层（PCS）
PCS层主要负责生产过程的自动控制与现场数据的采集与初步分析。以PLC作为过程状态和工艺、质量参数采集的基本单元，以AS-I总线和工业现场总线（ProfiBUS）构成基本网络（含I/O接口模块、传感器、开关、智能仪表、AS-I总线主站、计算机通讯接口程序等）；工业现场总线采用总线拓扑结构（ProfiBUS-DP），总线两端有终端电阻。这样结构使系统具有扩展性，维护方便；高性能的工业控制计算机和对成熟组态软件WinCC的二次开发形成车间现场数据的监控系统。
1.2 执行层（MES系统软件）
MES系统软件层的主要功能是动态的生产调度、生产过程实时监控和现场数据的分析。MES系统软件主要由MES系统软件软件、MES系统软件数据库服务器、MES系统软件调度台、车间作业信息显示屏等构成，采用星型拓扑结构的工业以太网络联接；该网络连接集中于中央节点，便于网络维护和资源配置，当网络中一个节点出现故障时，易于进行隔离检测和维护，不会对其他节点造成很大影响，不会导致整个网络的崩溃，同时网络节点的接线方式也便于系统的监控和管理。
1.3 计划层（ERP）
计划层即企业资源规划层（ERP），ERP层主要进行管理决策与生产计划，重点突出ERP管理平台的建设。目前，适于不同需求的ERP系统已较成熟，可直接用于计划层的信息管理。通过建立企业内部局域网（Intranet），实现计划层内部信息的传输及计划层、执行层之间信息的交互；并通过与互联网（Internet）的连接，建立企业公共信息发布与电子商务的平台。
2、车间监控调度系统设计与开发
MES系统软件层是生产信息化管理方案的核心，即车间监控调度系统。它通过对制造过程的实时监控和动态调度，根据ERP下达的生产计划，利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量的产品。
车间监控调度系统功能包括：从计划管理层获取日生产计划；对生产车间资源的管理，如任务订单、物料与在制品、生产设备、人员等；生产车间作业调度；车间生产过程监控；车间生产过程信息在线统计；主调度终端与各工序终端之间进行消息传递和数据库共享。
2.1 MES系统数据库的建立
数据库结构设计以能够及时、准确、有效地满足系统功能为首要目标。在数据库建立时，需要将各种信息分类和归纳，通过建立不同功能的表和相应字段保障数据信息的完整性和有效性。以下数据库的设计以满足第三范式为标准，并严格遵守参照完整性规则，这里不再赘述。监控调度系统服务器是整个系统的数据交换中心，它的数据库结构和数据内容是系统其他终端模块建立的参照蓝本。根据车间调度系统的功能需要，以及数据实时统计和及时上报管理层的要求，调度系统服务器采用SQL Server7.0数据库，分为统计数据库和实时数据库。
1）统计数据库
统计数据库是面向MES系统软件/ERP层进行功能设计，用于提供MES系统软件/ERP层所需的数据服务。统计数据库保存车间生产调度所需的基本数据信息；需要根据车间的生产布局、生产工艺流程以及产品类型的变化，而进行定期维护和更新。由于统计数据库跨越时间范围大，历史数据需要定期维护和备份。管理层的离线分析查询终端可利用统计数据库中的相应历史数据，进行大时间段的信息统计和查询。
2）实时数据库
实时数据库是面向PCS/MES系统软件层进行功能设计，提供PCS/MES系统软件层所需的数据服务。实时数据库保存过程中检测到的动态信息和临时数据，并进行必要的刷新、汇总与统计，用以车间生产的实时动态调度。实时数据库是调度系统服务器为完成生产过程监控和实时调度功能，而直接操作的数据对象，是调度系统进行实时统计和分析的直接数据源，用于动态保存生产过程信息和监控过程中检测到的质量信息及相应的统计数据，并定时地向统计数据库发送需要备份的信息。
2.2 MES监控调度系统设计
生产监控调度系统采用瘦客户机/服务器（ThinClient/Server）体系结构，将调度系统应用程序的配置、管理、维护和运行都放在调度系统服务器上完成，而Windows终端只作为简化的人机接口界面为用户提供服务，从而极大地增强了系统的集成性和可维护性。
1）监控模块
监控模块主要包括设备状况监控和生产流程监控两个子功能模块。设备状况监控子模块，与系统控制层的PLC终端进行通信，用于对生产系统中各主要加工机床的运行状况进行在线监控。在被监控的设备出现故障时，自动报警。生产流程监控子模块与监控层的Windows终端进行通信，用于对生产系统中各任务的加工进程进行在线监视。
2）用户管理模块
用户管理模块主要对该生产调度系统的用户信息进行管理，包括系统登陆、添加用户、删除用户、修改用户密码、设置用户权限等功能。
3）生产信息管理模块
生产信息管理模块主要包括任务订单管理、物料与在制品管理、生产设备管理和生产人员管理等四个子模块。该模块对实时数据库和统计数据库进行直接的读写操作，各子模块的功能包括对车间相关信息的添加、查询、删除、更新等功能。
4）作业调度模块
作业调度模块主要功能是进行车间的生产调度。该模块即可以采用基于瓶颈分析的启发式算法对整个生产系统进行自动的实时动态的生产调度；也可以由车间调度员，根据自己的经验和对车间生产状况的分析，采用调度模块提供的一些常用的调度规则对各工序分别进行排产。
5）数据统计模块
数据统计模块主要是针对生产系统和生产质量等方面信息的在线统计，如机床利用率、平均在制品库存、加权误期任务数等。该模块可以进行指点时间段内相关信息的统计分析，如Pareto图分析等。长期的统计分析结果可以从管理层统计系统查询获得；短期的统计分析可以统计数据库与实时数据库中的数据作为数据源进行在线数据分析，为确定生产瓶颈和在线生产与质量提供依据。
3、应用实例与效果评估
该生产车间管理信息系统模型作为某电缆厂“ 准时定长制造控制与管理系统”的核心部分，已被成功地应用于该厂的信号电缆生产车间，解决了生产与计划脱节的问题，初步形成了对电缆制造过程的信息化管理模式，加强了生产计划的可执行性，实现了产品质量的过程控制与在制品的信息化管理。缩短了制造周期，任务的平均通过时间（Throughput Time）减少了22%。降低了成品、在制品库存，形成了与按需要生产、准时定长制造相适应的生产调度能力。
4、结语
车间调度监控系统处于车间生产信息系统的执行层，起到连接管理层与控制层的承上启下的作用，是整个车间生产信息系统的核心部分。本文所设计的基于 MES系统软件 的生产车间信息管理系统，充分考虑系统的集成性、可扩展性与可重构性；所开发的车间监控调度系统，实现了车间的现场调度、生产过程控制、在线质量控制，以及对生产过程中“非常规信息”（设备故障等）的控制与管理，加强了制造计划的可执行性。
原文网址：http://www.hzjux.com/xinwenzixun/MESxitongruanjianzixun/601.html
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