详解MES系统集成技术丨MES与ERP、APS、PDMPLM、HR、PCS系统

2023-11-30 爱游戏app官方

  从生产计划的角度来看，ERP处于生产计划的前端，MES处于生产计划的后端。ERP的生产计划是一个基于订单的无限产能计划。MES以执行为导向，考虑约束条件，生成生产物料和生产设备的生产调度，即基于时间的有限产能计划。MES需要获得ERP生成的 粗略 计划作为其计划的来源和基础。在车间任务开始前，MES应该要依据现场任务安排在ERP系统中取料；车间任务完成后，MES需要将完成信息反馈给ERP进行入库登记，由ERP自动关联到相应的订单并进行完成处理，以此来实现计划的闭环控制管理。

  车间工单信息、物料编码基础信息、产品BOM信息、配套加工拣选单信息、物料库存和质量信息、配套文件和配套结果等基础信息存储在ERP中。生产车间的拣选信息、WIP信息、车间完工反馈信息和别的信息存储在MES中。

  (1) ERP系统向MES提供车间生产任务数据，作为MES排产计划的依据。

  (3) ERP系统向MES提供零件拣选的详情信息，以便车间及时了解生产准备情况。

  (4)MES将完工信息和半成品/成品入库信息提交给ERP系统，实现自动入库。

  (5）ERP系统收到MES提供的零件完工信息后，自动反馈到生产计划中，使生产管理人员及时掌握车间的任务进度。

  APS通常用于制定车间作业计划。它是一套基于最优生产原则的生产调度软件。对于高级计划和调度功能，最重要的是基础数据的准确性和业务管理要求的明确性。

  (1) 材料信息：包括生产提前期、采购提前期、最大/最小库存、在手数量、可用数量、在途数量、安全库存、经济批量等。

  (3) 工艺信息：包括工艺路线、备选操作、操作优先级、操作限制关系、操作处理、准备时间、转移时间等。

  (2)加工工艺。MES或其他系统向APS提供工艺规范中要求的内容，至少包括加工工艺、各工序所需的工装工具和其他材料、各工序所需的加工时间和工种、所需的加工设施组（工作中心）、图纸、加工指令和其他辅助内容。

  (3) 库存数据。MES或其他系统为APS提供的信息包括制定计划时的材料库存、可用工具和刀具的库存以及最近计划的可用仓储。

  (4) 设备信息。MES或设备管理系统向APS提供可用的设备容量、时间模型、设备组（工作中心）等内容。

  (5) 工人信息。MES或人力资源管理系统向APS提供每个工人的加工技能、时间模式、团队等信息。

  （1）调度模拟和结果的比较分析：由于APS引擎有大量的调度策略，不同的调度策略会得到不同的调度结果。因此，我们该对不同的调度结果作比较和分析，以获得所需的结果。

  （2）排程结果：下达给车间的排程计划可以详细到某一时间、某一工人在某一设备上加工某一工序、需要配备哪些工装工具和切削工具、要准备哪一些材料和辅助材料。更好的调度结果还包括详细的工序制造说明（FO）。

  PLM是一个管理产品数据和产品研制过程的工具。PLM系统保存了结构化的工艺文件数据。PLM和MES的集成需要保证MES可以依据产品的BOM结构和总生产任务的要求在工艺层面进行生产调度和安排。整合后的主工艺数据包括工艺信息（包括每道工序）、BOM结构、配料表等。

  PLM系统向MES提供的信息包括产品的加工图样、产品的工艺信息、每道工序的作业指导文件等。MES收集生产现场各类数据，为后期产品的生产的基本工艺、产品装配指导等来优化，反馈至设计部门，进行改型、设计变更。

  虽然MES包括一些质量管理功能，但它与质量管理体系的重点不同。质量管理体系是为生产提供品质衡量准则，管理品质衡量准则和相关联的内容。它的准确性是对产品和车间的关键点进行全方位检查。MES主要是针对车间内生产的每个工位和工序的质量跟踪。它的准确性对每个工位和工序的实时性要求更高。

  质量管理系统向MES提供品质衡量准则信息，实时呈现工位和工序的合格质检结果。MES将关键点的质量检验结果提供给质量管理系统。

  MES包括一些设备管理功能，但设备管理系统的功能更全面。设备管理系统存储了设备的基础信息和各种计划信息。设备基础信息最重要的包含设备台账信息、设备正常运行情况、日常检查、保养、维修程序信息、设备技术精度信息等；计划信息最重要的包含各种保养计划、维修计划、润滑计划等。

  MES提供给设备管理系统的信息最重要的包含操作执行信息、生产调度信息、设备状态信息和设备正常运行信息。通过对这一些信息的统计分析，我们大家可以获得设备管理的决策信息，如设备故障频率、设备产能数据等。

  人力资源管理系统为MES人员提供基础信息、岗位信息、技能信息和技能等级。MES反馈给人力资源系统的信息主要是生产线人员的精细化考勤数据和排班数据，从而清楚地了解生产线人员的工作状态和技能状况，为企业人员绩效统计分析提供基础信息。

  MES向过程控制管理系统PCS提供执行指令，PCS反馈执行结果以及MES需要实时收集的过程参数和设备性能参数。

  过程控制管理系统PC或数据采集与监控系统SCADA将反馈设备编号、设备状态、设备正常运行参数、任务数、成品数、生产的全部过程信息等信息给MES。

  MES系统集成方法最重要的包含API函数调用、中间件技术和基于XML的信息集成。这些集成方法一般适用于MES与其他软件系统的集成。

  封装是指对象的属性和操作方法同时被封装在定义对象中。操作集用于描述模块的可见外部接口，以确保对象的接口独立于对象的内部表达。作用于对象的操作集的接口是对象的唯一可见部分。用户无法看到对象的内部结构，但能够最终靠调用来使用该对象。封装后，系统集成能够最终靠接口调用有效实现。典型的调用方式包括基于API的函数调用方式，如JDBC/ODBC API等。

  API在系统集成中被普遍的使用，很多软件本身就有API接口。两个应用系统中的数据通过它们之间的应用适配器的接口进行传输，以此来实现集成。这种方法适用于异构系统之间的信息集成。图1为基于API的MES系统集成模型，通过API接口、数据传输和通信实现MES信息集成。

  直接集成模式就是两个系统直接对各自数据库做相关操作，并交换数据。要实现这种集成模式一般将MES系统的数据存放在其他系统的数据库中，实现两个系统的数据库的真正共享。这种方法对于开发一套整体的企业信息系统是最好的，因为这种集成的紧密度比较高，但这种方法并不适合在几个成熟的商业软件之间进行系统集成，而现今大多数企业是直接采用商业软件的，这也是此方法的局限性。

  数据复制应用在同构的数据库中，保持数据在不同数据模型中的一致性。数据复制中，要建立不同数据模型中数据转化和传输的机制及关系，以屏蔽不同数据模型间的差异。在此基础上，将数据从源数据库中抽取和导入到目标数据库中，采用数据复制方式，实现系统集成。

  数据聚合是一种将多个数据库和数据库模型聚合成为一种统一的数据库视图的方法，聚合的过程可以看成构建一个虚拟数据库的过程，而此虚拟数据库包含了多个实际存在的数据库。这个构建的过程对于处于数据库以外的应用层的各具体应用的用户来说是完全透明的，用户都能够访问数据库的通用方法访问企业中任何相连的数据库。但是对公司中存在的多种异构数据源而言，有时难以构建一个良好的通用接口来访问所需的数据。

  中间件集成模式最重要的包含通过中间文件、中间数据库、XML数据流和消息中间件将各种系统与MES系统集成。

  （1）MES系统与其他系统的集成是通过中间文件实现的。MES系统所需的其他系统文件能制作成适合MES系统数据格式或统一格式的文件，通过访问中间文件库实现系统集成。

  （2）通过中间数据库集成模式。建立中间数据库，实现共享数据格式的统一定义，通过访问中间数据库提取数据，实现其他系统与MES系统的信息集成。这种集成模式的重点是多数据库集成技术的应用，更适合于自主开发和实施完整的ERP/MES系统。

  （3）通过面向消息的中间件的集成模式。Mom（Message Oriented Middleware）是指利用高效可靠的消息传递机制进行独立于平台的数据交换，并在数据通信的基础上实现分布式系统的集成。通过提供消息传递和消息队列模型，它可以扩展分布式环境中进程间的通信，并支持多种通信协议、语言、应用程序、硬件和软件平台。目前，流行的mom中间件产品有IBM的MQSeries、BEA的message Q等。消息中间件适用于任何需要网络通信的系统。它负责建立网络通信的通道，发送数据或文件。面向消息的中间件的一个及其重要的作用是实现跨平台运行，为不同操作系统上的应用软件集成提供服务。

  图2显示了由美国政府资助的niip-smart联盟提出的基于对象请求代理（ORB）的MES系统集成参考模型。Orb是一个在对象之间建立客户服务器关系的中间件。通过orb，客户能很容易地使用服务器对象的方法，无论服务器是在同一台机器上还是利用互联网访问。Orb拦截调用，然后负责寻找一个对象来实现请求，传递参数和方法，最后返回结果。客户端不必须了解到对象在哪里，用什么语言实现，他的操作系统是什么，以及其他与对象接口无关的东西。

  XML是可扩展标记语言（extensible markup language）的缩写，它是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。XML的关键特点是它作为不同应用数据交换的通用格式。在XML 技术出现之前，为了将某一数据源的数据转换到各个不同的目标数据源中去，只能在每个应用系统中都实现一次数据分析处理。数据解析只是在两个点到点的系统之间产生作用，而无法用于其他系统中。而XML作为一种对数据格式进行描述的通用元语言标准，目前来看是跨平台的数据集成的最佳解决方案。XML在MES系统集成实践中得到普遍应用，例如在MES 与ERP 等系统的集成中，采用XML能够使不同数据库的数据通过XML数据流进行集成。

  基于XML的Web Services技术为基于Web的MES系统集成提供了理想的解决方案。简单地讲，Web service 就是一个应用程序，它向外界暴露出一个可以通过Web进行调用的API，而XML正是Web services平台中表示数据的基本格式。图3所示为基于Web Services的MES系统集成架构。

  ERP、CAPP和DNC系统有不同的数据存储和展示格式。不同的系统由于其使用级别和涉及的数据不同，其软件结构也不同，可能是异构系统。本架构采用基于Web服务的平立技术，实现MES与上述应用系统的集成。Web服务是完全独立于平台的。它定义了网络上应用程序之间的通信，与每个应用程序的底层实现无关，从而屏蔽了不同系统的底层实现细节。不同的系统提供统一的调用接口，MES与各系统之间集成的底层接口被封装成Web服务。例如，MES系统能通过网络调用封装了DNC接口的网络服务。相反，DNC也可以调用MES的Web服务。它们通过网络相互调用，关系是平等的。MES系统和DNC系统是Web服务的客户和服务器，客户和服务器通过soap协议相互通信。在客户端，两个系统以XML格式交换信息。它们将其内部数据格式转换为XML数据格式，并通过数据交换封装接口发送请求。在收到XML格式的数据后，他们也通过数据交换封装接口将收到的XML数据解析成他们的内部格式。同样地，MES系统可以与网络服务平台上的其他系统集成。

  作为制造业车间综合生产信息管理的最佳解决方案，MES系统为生产管理信息的实现提供了统一的、平台化的数据集成平台。同时，MES数据集成平台也为MES系统集成高效的车间生产管理提供了有力的支持，特别是为流程工业的MES/PCS数据集成提供了有力的支持。

  MES的关键是实现整个生产过程的优化。它需要在生产过程中收集大量的实时数据，及时处理实时事件。由于这些数据产生于各种底层设备，如生产设备、检测设备、物流设备等，直接导致了数据源的多样性和复杂性，如PLC、DCS、RFID、PDA等数据源。这些数据源可能有不同的数据协议格式。如果不对数据进行分类，统一数据格式，MES系统直接与PC层进行交互，会使MES对PC层的支撑环境产生更大的依赖性，导致应用系统与集成环境之间缺乏良好的开放性和可移植性。同时，也很难解决异质信息和异质环境的集成问题，这将影响MES系统的整体运行效率，因此，基于数据平台的MES数据集成技术应运而生。MES数据集成平台提供了统一的数据访问接口和数据存储格式，为上述问题提供了最佳解决方案。

  通过使用RTDP实时数据库，MES数据集成平台使MES系统实现了对生产现场数据的实时采集、整理、分析、报警生成、事件记录、时间同步、历史存档、管理和维护，实现了覆盖全厂的一体化生产管理。

  （1）数据通信功能。MES数据集成平台集成了OPC、DDE、ODBC等数据集成接口，使MES系统可以方便地将底层自动工业控制系统、监控软件、应用软件和各种数据库中的各方面生产数据集成到MES数据集成平台中；同时，还可以快速、及时地将生产指令从上层发布到下层。

  （3）网络监控和重新连接。为了保证数据的正常传输，MES数据集成平台通过RTDB实时数据库实现了对生产信息网络和控制网络的实时监控和自动重联。当车间信息网络出现故障时，MES数据集成平台可以及时提示或报警；当网络恢复时，可以检测并自动重连。

  （4）在线数据维护和查询。为了保证数据的连续性，MES数据集成平台提供在线维护功能，并可根据用户的不同需求提供数据查询和配置功能。

  （5）数据安全保障。由于MES系统位于连接上下两层的信息枢纽，MES数据集成平台需要与上下两层的控制系统和互联网相连，MES系统中的信息关系到企业的生产信息，必须保证数据传输的安全性。因此，MES数据集成平台建立安全机制，绝对防止非授权操作，保证整个信息系统的安全。

  MES数据集成平台为MES系统的生产信息管理提供了一个统一的集成平台，为制造业智能工厂的搭建提供了一个支撑平台。

  MES中PCS层所采集的生产数据具有以下特点：①海量数据采集。这种数据集成在采集范围和数据规模上都很庞大。实时数据集成。这种数据集成是面向实时计算、实时分析和实时应用的，数据是及时的，因为记录和存储的延迟会导致应用错误甚至失败。③ 复杂的数据源。这种数据集成往往要考虑到复杂的数据源类型、异构网络接口等因素。④对于多种应用的数据集成，其集成目标往往面临ERP、MES甚至控制系统的应用。

  因此，支持MES系统的数据集成平台具有以下特点：①通过数据平台可以实现不同应用系统之间的数据共享和应用集成。数据平台为MES中的其他模块提供了统一的集成环境，便于应用开发和集成。数据库可以及时接受大量的实时现场数据，有效整合异构的控制系统，提供分布式数据服务。采用高性能的数据归档系统，有效地收集、存储和检索任何基于时间的生产相关信息。③提供数据透明度。基于平台的数据集成可以大大简化开发工作。MES的开发者可以直接面向数据集成平台进行开发，而无需考虑底层数据的结构或通信模式。所有这些工作都由数据集成平台来完成。④通过统一的OPC接口实现数据的双向传输和可靠连接。OPC接口是目前工业控制软件中广泛使用的一种技术。凭借其开放性和可靠性，它已经成为国际标准，并得到了广泛的应用。各个自动化厂家的产品都能够最终靠OPC接口实现无缝连接。

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