离散制造MES解决方案

1 项目概述

MES系统是一个企业生产制造环节的核心作业平台。提供从生产订单到产品完工的全部生产活动的优化管理，运用及时、准确的采集信息，指导、启动、响应并记录管理工厂的生产活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的透明度和执行效率。MES不但可以改善设备投资回报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现金流的绩效，更重要有助于企业产品质量的提高和持续改进，以便最大限度的提高客户满意度，提升企业品牌形象和核心竞争力。

一套完整的MES解决方案包括生产数据采集、基础开发平台、业务套件按需选择，包括生产建模、计划调度、生产作业、质量管理、物料管理、设备管理、刀具管理、工装管控、扩展分析应用等业务管理与分析模块。使MES系统与ERP系统和自动化系统实现双向的信息集成，接收ERP下达的车间生产计划，并进行详细作业计划和任务分配，向ERP系统反馈生产、质量等信息，同时通过MES系统实现对生产制造过程信息的实时采集、管理和反馈，进行批次跟踪，实现质量追溯，提高企业的生产效率，改进产品质量，对物料进行管理，对关键设备进行有效监控，并实现生产过程与管理决策的高效集成。

2 设计原则

平台化：基于平台化体系架构的增量迭代系统，从而适应MES项目快速定制和快速开发特性;

持续化：软件的稳定性和低维护成本，以及可持续化发展，满足企业长期使用，轻松升级的要求，是长远化建设合作考虑;

开放性：软件的扩展性和集成性;支持基于软件组装的开发模式，满足企业的不断增长的业务需求;

扩展性：提供高级二次开发扩展到能力，使得企业经过培训自己有能力来配置、开发一些客户化需求，使得系统具有灵活适应性;

一体化：ERP/MES的一体化解决方案，MES遵从ISA-95标准，可以轻松实现ERP/MES的一体化应用;

集成性：MES提供一个数据集成服务，可以轻松实现和第三方系统，包括ERP/SCM等系统进行互动集成，满足企业不断扩展到业务要求。

MES系统充分采用了先进的设计理念，系统内核采用面向对象、组件化设计、多层分布式架构等多项领先的技术，保证了软件的安全性、稳定性、扩展性、可维护性、设计传承性和资源重复利用性。依托先进的SOA技术架构，MES可以方便的同微软OFFICE套件、PDM、ERP等外围进行高度集成。

3 设计目标

结合公司整体发展战略以及信息化建设现状，信息化建设遵循整体规划、分步实施的原则。预计在两年项目周期里完成MES制造执行系统的规划、设计、实施上线工作，完成企业生产管理信息化解决方案的总体目标，实现生产调度、生产过程、设备、物料、质量和人员的全面管理与控制，为企业搭建一个可扩展的生产管理信息化平台，使得生产过程透明化、高效化、柔性化、可追溯化、事中控制、高客户满意度、低成本运行，从而充分提高企业的核心竞争力;

针对上述主要需求,确定本解决方案的总体工作目标如下:

1) 建立生产制造过程实时数据采集和可视化监控的软硬件平台;实现对生产设备运行参数、工况、物流和质量等信息的实时采集、集中监控与闭环反馈,并支持企业的扩展应用。

2) 建立基于实时数据的生产调度模型，以及对制造资源(设备、人员、工具、生产物料)的统一管理与合理配置,实现车间作业计划与调度的优化和动态管理,提高产品制造过程的透明化、均衡化和设备利用率,保证产品的制造周期。

3) 建立制造过程的产品检验模型,实现质量数据(包括加工过程中自动采集的实时数据、常规质量检验的现场数据或历史数据等多数据源)的统计过程控制(SPC),实时监控关键生产质量环节，分析制造过程的质量稳定性和工序能力，为产品质量改进并及时采取相应的措施提供重要依据。

4) 完成公司ERP、MES等主要信息化系统的一体化信息流规划与全面动态集成,在此基础上:

a) 实现产品数据、工艺数据、生产制造及管理数据的完整闭环和基于业务流程的动态共享,以及基于制造规划、作业调度与资源运控一体化流程中相关制造数据的联动;当产品和工艺数据发生变更时,支持制造流程的动态响应和更新。

b) 通过与ERP系统的集成与协同,形成支持中长期与现场实时级生产作业计划的推拉结合计划体系，支持对客户订单的快速响应和对生产异常的有效处理,支持JIT(准时生产)等先进管理模式的应用。

c) 支持在制造作业现场(车间)对产品、工艺、质量、作业等相关图纸、文档和技术文件的在线实时浏览与全关联查询。

d) 支持实现产品全生命周期的生产和质量数据追溯和多视图查询,并可通过报表中心灵活定制各类分析统计报表,为企业管理者提供决策信息支持。

5) 配合企业制定MES系统规范化管理流程和信息化岗位职责,形成信息化环境下生产管理与制造执行过程的规范化管理机制。

4 系统架构

为解决企业应用问题，力控科技以精准管理为理念，研制了通用制造执行系统基础开发平台产品—FinforWorx。力控FORCECON产品家族中以FinforWorx平台为核心构成了一个基于组件式的MES平台开发框架，该框架主要完成MES系统中的数据层、服务层、存储层、配置端、可视化层的系统配置与集成，FinforWorx平台形成的框架包括系统服务、工程模型、报表工具、可视化组件等，可以根据用户或工作角色、系统权限配置、系统风格配置和工具集配置来自定义门户。

FinforWorx 平台的数据层主要完成从各类、实时数据库、关系数据库等数据源中将实时数据、静态数据集成到平台关系数据库中，提供基于工厂模型的业务和实时数据服务，为管理驾驶舱提供可视化服务。数据存储层支持结构化和非结构化的数据的存储等。

FinforWorx平台本身集成了丰富的图形分析组件，包括报表，报警，趋势，柱状图，饼图等，使可视化层的工程开发更为快捷，界面显示更加直观。

系统架构图

5 系统功能

以FinforWorx平台为核心，根据典型行业特征，开发行业应用套件，构建MES系统，可以为决策者提供有力的依据来优化生产资源和满足企业决策需要。应用套件着重于实现对生产过程的管理，使工厂能够对生产过程做出快速响应，减少无附加价值的生产活动，并发现影响质量的重要原因，进而提升生产效率和质量，使生产过程处于透明、可控的良性生产状态。它能为企业用户提供经济参数和工厂运行性能参数，并可方便地进行高级的报告生成和分析。基于该平台构建制造执行系统，在保障系统的高可靠性、高可扩展性及高效性的同时，可有效缩短项目周期。

业务架构图

在业务应用套件中，MES系统可分成多个层次。

生产过程控制层：

生产监控系统由分布在各装配区域、各机加工线的监控计算机、逻辑控制器、报警器、LED看板构成，这些监控终端提供动态的监控画面、报警信号、过程信息来反映生产设备的运转状态及其相关数据，操作人员通过监控计算机可以完成如下监控操作：

设备运行状态及报警的监控

质量状况及报警监控

车间生产物料的监控

生产信息监控

生产进度监控

报表、看板展示

业务处理层：

负责整个车间生产有机要素(人、机、料、法、环)的全部运作管理服务，包括：

生产建模：实现车间生产物料(零部件、成品)的制造要素的完整建模，包括人、机、料、法、环五要素;这个模型将是每个生产订单一个规程，用来指导和约束生产，另外通过功能使得物理工厂建立一个逻辑模型。

计划调度：负责接收ERP下达的生产指令或导入的手工生产计划，并进行计划调整和排产、车间计划模拟、计划监控调度、计划分析;是整个MES系统的心脏，用来驱动生产现场的执行和辅助业务流程执行;

现场作业：负责生产工位的作业任务的处理，包括作业受理、数据采集、完工、转序处理，是系统核心模块，也是系统执行力的表现;

质量管理：负责车间生产过程质量检验，包括质量控制、质量检验(自动、手动)、质量SPC分析与监控、质量报警及异常处理、质量追溯。

物料管理：负责管理车间范围内全部物料物流过程，包括：缺料报警、用料防错和采集、补料、物料配送转移、统计报表;

设备管理：负责设备在车间范围内全生命周期管理，包括：设备保养、监控、报警、履历表、OEE分析、统计报表;

绩效管理：汇总并整合制造运行数据，提供关键绩效分析报告，包括生产绩效管理、质量绩效管理、库存绩效管理、维护绩效管理等。

优化分析层：

优化调度：根据业务实际，建立业务模型，运用粒子群算法、BP神经网络等高级算法，支持生产仿真、优化排产、智能调度、辅助决策等高级应用。

智能分析：创建生产管理各个环节的业务统计、分析报表、业务数据盘、关键性能指标KPI分析，通过数据监控整个生产运作的性能。

系统集成服务层：

在MES信息化项目里面，可能涉及到MES与其它信息化系统(如ERP)的一体化集成，保证整个系统信息化高效工作;

MES系统提供了一个开放的集成层，通过SOA架构来实现和ERP的集成关系，从而满足企业一体化解决方案的要求。

至此，我们基本勾划了MES系统的业务功能轮廓，系统的核心部分是生产管理服务层的相关服务的提供。

从信息化系统整体架构角度，除业务套件外，还包括采集服务层、系统UI应用层。

设备采集服务层：

信息门户集成平台基础的设备采集服务完成现场生产数据的采集，通过对设备实时数据(如机床开关机时间、加工零件开始/结束时间、加工坐标信息、F/S值、报警信息、机床效率统计、主轴负载、其它自动测量数据等)的采集和管理服务，为MES生产管理层提供了生产现场数据。

系统UI应用层：

负责处理系统服务于用户的操作交互工作，包括权限、数据访问、业务操作，并且用户UI(C/S客户端、BS的工厂门户)是可以扩展的，可以很方便的插入新的功能，良好的用户访问层可以很好的提高用户体验，用户或者管理员可以做一些简单的二次开发，包括系统配置，用户界面接配置、报表设计等功能，从而提升系统的应用价值。

6 系统产品设计

信息门户集成平台(FInforWorx)

力控科技以精准管理为理念，研制了通用制造执行系统基础开发平台产品FinforWorx。MES系统采用力控智能生产信息门户集成平台FinforWorx搭建企业的管理平台，该平台为企业提供生产动态管理驾驶舱、实时决策调度、设备动态管理、生产预警、能源管理等生产应用来持续不断的改善生产过程，以达到改善企业生产管理的目的。

力控智能生产信息门户集成平台完全是模块化设计，提供基础的工厂数据建模和各类丰富的分析组件，该平台可分为采集层、数据层、web服务层、web前端等，从而为企业智能制造的动态生产管理提供数据分析、诊断、展示的门户平台。针对节能降耗领域的管控中心建设可提供横向和纵向能源分析、能源诊断、能源审计、能源设备诊断等管理功能。

智能生产信息门户集成平台功能包括：

生产设备管理：包括：生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理、设备维护管理等。

计量器具管理：包括：计量器具台账、计量器具检定管理等。

生产计划管理：包括：产品产能管理、计划排产管理等。

生产报表管理：包括：生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报、生产完成情况统计报表等。

生产调度管理：包括：生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等。

能源管理：包括：能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本，及能源统计分析等。

生产过程监控，包括：生产工艺流程图、能流图等。

关键的绩效指标KPI展示、统计过程控制分析SPC等

设备运行效率OEE管理等

平台特点：

智能化：多层面、多视角的智能化生产过程主要因素分析和辅助决策支持

通用性：提供可视化建模工具，可依据行业特点对工业过程核心要素进行高效建模，使系统具备可配置的能力

高扩展性：自定义功能模块能快捷的以松散耦合的方式介入到消息总线，并能利用系统提供的基础服务

高性能：对大规模的事件处理，服务能够多点部署，任意扩充服务节点到新部署的物理服务器中，能够在服务器集群中自动进行业务负载平衡

高可靠性：整个系统的基础服务节点支持集群架构，在保障事务完整性的情况下，支持在线的故障转移

企业级实时历史数据库(pSpace)

本系统需要记录大量的具有时间特征的监控数据，针对数据的读取、归档、查询和分析做综合展示，本项目采用不依赖于任何关系数据库的实时历史数据库软件。企业级实时历史数据库软件运行于数据库服务器，数据库服务器可根据要求设定集群冗余(磁盘阵列)，实时历史库软件支持集群冗余方式。

实时数据库系统软件实现实时采集生产过程装置数据并连续进行存储并统计，数据在存储时根据每个数据点设定的压缩比参数进行存储。该软件可对(系统项目)实现网络化的生产监视和数据分析，使(系统项目)能够实时掌握下属生产企业的安全生产状况。

力控企业级实时数据库pSpace是一个高性能、高吞吐能力、可靠性强、跨平台的实时/历史数据库系统，可以用于采集、压缩、存储、加工、分析等任何带有时间特性的生产信息，pSpace提供全系列的工业通讯接口及ERP业务接口，实现生产监控到调度管理的完美整合。能极大地提高企业的智能化及决策的精度和速度。

多平台的支持能力可运行于Windows以及RedHat、Ubuntu、CentOS等多种Linux操作系统。

企业级实时历史数据库pSpace产品特性与指标

支持在线连续存储，并达到30万条记录/秒的存储速度。

企业级实时历史数据库单台服务器应可以支持100万点的数据点。

数据压缩率可高达40:1(50:1);

数据库单客户端单点查询速度20万条记录/秒。

实时历史数据库1000个客户端并发查询，每秒应可达2万条记录。

实时库应稳定支持256客户端并发查询。

平台软件(eForceCon)

本系统SCADA采用力控SCADA平台软件eForceCon V5.0，该平台是以分布式区域实时数据库为核心，分布式实时数据库技术可以保证生产数据精确输出并完成可视化，实时数据库无限的分层结构可使大型企业信息尽收眼底。力控SCADA平台组态软件具有灵活的系统应用架构，可以自由构建不同规模的应用，满足用户对企业信息化的多样性要求，用户在此基础上可以灵活的构建适合企业应用的解决方案。

eForceCon具备分布式的数据源管理模式，可视化人机交互界面无需编程，直接通过远程数据源的组态方式就能与远程数据库进行信息交互，完成生产监控、查询、曲线分析等各项功能。

SCADA平台功能特性如下说明：

-支持以分布式实时数据库为系统核心的一体化软件平台，具备开放、集成、面向对象的开发环境，系统开发人员可方便使用。

-支持客户端/服务器(C/S)和B/S(“瘦”网络客户端)架构，不同网络节点以分布式的数据源管理方式来进行信息交互。

-具备软冗余、硬冗余及双工热备冗余模式。

-具备稳定、灵活架构及扩展能力，可支持超过万点的通讯点数,灵活可靠,易于扩展, 客户端的添加不影响整体系统的性能，

-具有完整的报警管理能力, 支持ISA18.2的报警标准，可支持多级报警管理、声光等报警输出以及参数在线调整等功能。

-提供部署服务器，可管理、编辑、监控远程节点工程及平台状态。

-可提供编程语言供用户使用，支持用户自定义函数的开发。

-支持用户自定义功能和二次开发组件，可以集成第三方插件及可执行程序。

-支持大分辨率的窗口图形显示，提供基于面向对象的模板化的可视化开发工具。

-支持将C/S客户端完整发布到Web上，Web容器支持第三方插件发布。

-软件开发出的工程应具备项目文件备份功能，并且应支持工程文件口令保护。

-支持使用用户，权限，优先级，安全区的方式为用户提供安全验证。

7 应用案例

天虹纺织集团

天虹纺织集团创始於1997年，是全球最大的包芯棉纺织品供应商之一，专门致力于高附加值时尚棉纺织品的制造与销售，目前已成为全国棉纺织行业竞争力10强企业。

天虹中国总部位于上海，产业布局以长江三角洲为中心区域的地区延伸。目前在江苏的徐州、泰州、南通，浙江的浦江以及越南的同奈省拥有12个相生产基地。集团拥有55亿元人民币的资产规模，年营业额达到54.72亿元。公司占地面积132.2万平方米，工业厂房面积55.2万平方米。目前拥有80万纱锭及900台喷气织机的生产能力。其中超过60%的产能用于制造氨纶弹力棉纺织产品，雇佣12925名员工。

实施MES以及APS系统的基本目标是：在不增加作业成本甚至降低成本的前提下，缩短平均产品的生产周期(CyleTime)。主要架构图如下：

湖南红太阳光电

湖南红太阳光电科技有限公司系中国电子科技集团公司第四十八研究所全资子公司，公司主要以开发建设太阳能光伏制造装备为核心，生产延伸至拉晶、铸锭、切片、电池片生产、组件封装、应用产品和新型储能材料在内的高新技术产业项目。公司拥有完整的光伏产业链，是我国少数几个拥有光伏全系列生产能力的企业之一。

光伏电池生产企业正面临着国际市场低迷带来的挑战和压力。日益激烈的市场竞争，要求光伏电池生产企业在降低成本的同时，缩短供货时间，增加供货品种，提高产品质量。面对这些挑战，光伏电池生产企业必须改善内部生产管理，提高制造资源的使用效率。因此，对于光伏电池生产企业的管理者来说，一个实时的、有效的，并能和ERP管理系统、MRP系统、SCM系统、PDM系统紧密配合的制造执行管理系统是必不可少的。

红太阳电池片生产线主要分为六大工序(制绒、扩散、二次清洗、PECVD、丝网印刷、测试分选),设备控制器及控制软件的通讯和数据采集，将设备生产过程中设备运行状态、设备远程生产数据进行集中管控，并实现数据调度、过程监控、设备远程操作等。

数据采集系统可以针对设备关机、空闲、加工时间等各种条件下的设备状态进行统计与展示。对单台设备及工段设备进行数据采集后，并按用户自定义的时间周期进行统计分析设备开机率、实际工作效率、设备负荷曲线，并能自动生成多种形式的统计报告和饼状图或柱状图等图表。

实施的功能模块主要包括：