摘要：以制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心，針對染色工業(yè)中存在的實時監(jiān)控問題，結(jié)合染色工業(yè)的現(xiàn)狀，首先提出一種企業(yè)生產(chǎn)過程控制和管理的PCS／MES／ERP三層體系結(jié)構(gòu)，然后，以此為基礎，設計了基于生產(chǎn)過程控制和管理于一體的MES系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了九大功能模塊：染色車間集中監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、工藝管理、能耗管理和考核系統(tǒng)、設備管理、作業(yè)人員管理、生產(chǎn)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)接口管理，最后，就MES系統(tǒng)實現(xiàn)問題進行了初步探討．并將MES結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容應用于國內(nèi)一家大型染色生產(chǎn)企業(yè)中． 關鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng)；染色工業(yè)；生產(chǎn)過程控制；企業(yè)管理；生產(chǎn)調(diào)度；生產(chǎn)工藝

Structure design of M ES and its applications in dyeing Industry

（1．College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China 2 Zhejiang Shaoxing Water Group Co．Ltd ，Shaoxing 312000，China） Abstract：With manufacturing execution system （MES）at the core，a mode1 based on the archi—tecture of ERP／MES／PCS iS introduced．It aims at the problem existed in tea1 time monitoring indyeing industry．The structure of MES based on unification of enterprise management and proce—dure contro1 system is designed．The system structure includes nine function modules． They arecentralized supervisory system in dyeing workshop，production task management，scheduling sys—tem ，process managem ent，production energy consum ption management and assessment。equip—m ent management，workers managem ent，production statistic and data interface m anagement． Atthe end of this paper，the implementation of the system is discussed． The structure design hadbeen successfully applied in the M ES of one large dyeing enterprise in the homeland. Key words：manufacturing execution system ；dyeing industry；production process control；enterprise management；production scheduling；production process 0 引 言 　　隨著生產(chǎn)過程控制和信息技術的不斷發(fā)展，利用信息化提升傳統(tǒng)工業(yè)化水平已經(jīng)成為紡織工業(yè)企業(yè)尤其是規(guī)模以上企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢．紡織企業(yè)面對國內(nèi)外激勵市場競爭，如何在競爭中求得生存和發(fā)展，必須采用高新技術來提升企業(yè)的生產(chǎn)能力，減低產(chǎn)品消耗。目前國內(nèi)許多紡織企業(yè)，在不同程度上開展了企業(yè)資源計劃（ERP）管理、企業(yè)客戶關系管理（CRM）、企業(yè)供應鏈管理（SCM）和電子商務管理（EC）等企業(yè)信息化建設，不同程度地實施了產(chǎn)品銷售、采購、庫存、客戶、訂單、財務、運輸?shù)裙芾?，解決了部分企業(yè)內(nèi)部的資源的有效管理和資源的節(jié)省等問題，并從中獲得了效益，但是，進一步的節(jié)能降耗需要從精益生產(chǎn)中獲取。隨著紡織企業(yè)生產(chǎn)裝備的智能化和數(shù)字化，客觀上為紡織企業(yè)進行精益生產(chǎn)提供了條件，并在很大程度上可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制、管理和執(zhí)行的協(xié)調(diào)一致，實時反映車間作業(yè)過程，為企業(yè)快速應變市場提供了一個有效控制的響應機制，同時也為企業(yè)開展大規(guī)模的信息化工程提供的機會和條件．紡織企業(yè)原有的ERP系統(tǒng)大多數(shù)管理靜態(tài)數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)過程不直接關聯(lián)，ERP管理數(shù)據(jù)與車間實時作業(yè)數(shù)據(jù)之間采用手工方式進行傳遞，信息自動化程度不高，大量手工操作和數(shù)據(jù)擺渡，降低了信息傳遞時效，不可避免產(chǎn)生管理漏洞和操作誤差，不利于企業(yè)開展管理和生產(chǎn)過程一體化；不利于企業(yè)領導快速決策．這種半信息化的工作方式，導致了生產(chǎn)和管理信息之間的中間斷層和隔離，上層管理無法實時了解車間實際生產(chǎn)的動態(tài)信息，形成管理和生產(chǎn)各自的信息孤島。因此，為了克服中間的信息“鴻溝”，實現(xiàn)企業(yè)管理和生產(chǎn)一體化已經(jīng)成為現(xiàn)代紡織企業(yè)未來發(fā)展需要。制造執(zhí)行系統(tǒng)也就是在這樣的條件下應允而生。制造執(zhí)行系統(tǒng)l1 （Manufacturing ExecutionSystem，簡稱MES）是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)中制造管理自動化領域的一項重要技術。它定位于企業(yè)上層ERP與底層設備自動控制系統(tǒng)之間的、面向車問作業(yè)層的管理系統(tǒng)，解決企業(yè)信息“鴻溝”問題，加強計劃管理層與底層控制之問的溝通，起到了承上啟下的作用 。 　　目前，國內(nèi)的紡織企業(yè)經(jīng)過幾次的裝備的升級和改造，就裝備本身的加工性能和條件已經(jīng)達到國際先進水平，主要存在的問題是軟件環(huán)境和條件的不足，企業(yè)生產(chǎn)過程控制自動化和管理自動化之間的脫節(jié)，形成不了完成的企業(yè)生產(chǎn)和管理一體化的過程，降低了企業(yè)生產(chǎn)綜合管理能力，不能充分發(fā)揮智能設備在企業(yè)生產(chǎn)管理中的作用。 　　筆者以紡織行業(yè)的染紗企業(yè)為例，依據(jù)染紗企業(yè)ERP系統(tǒng)和染缸控制系統(tǒng)，研究MES的體系結(jié)構(gòu)和功能組成，以及和工藝管理、能源管理、生產(chǎn)調(diào)度、看板管理、集中控制、數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)交換等關系，并將研究結(jié)果應用到大型染紗企業(yè)中。 1 業(yè)務需求 　　根據(jù)規(guī)模以上染紗企業(yè)的調(diào)查分析，這幾年通過企業(yè)信息化建設，基本上實現(xiàn)了ERP管理，關鍵性染紗設備都配備智能化儀器或自動控制系統(tǒng)。為了進一步提高自動化水平需要解決是ERP系統(tǒng)與車問過程控制系統(tǒng)PCS之問實時監(jiān)控的問題，而這一問題的解決，除了需要考慮車間染缸群集中控制以外，還需要考慮集中控制系統(tǒng)與客戶訂單、車間作業(yè)安排、生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)度、工藝流程監(jiān)控、看板管理、物料需求安排、人員安排等生產(chǎn)現(xiàn)場管理和控制。 1．1 項目總體需求 　　依據(jù)現(xiàn)代控制理論和方法，結(jié)合企業(yè)實際情況，運用優(yōu)化控制技術、信息管理技術和數(shù)據(jù)通訊技術，建立起企業(yè)ERP、車間制造執(zhí)行管理（MES）和染缸設備控制（PCS）的三位一體化管理模型，實現(xiàn)多任務、分批次生產(chǎn)作業(yè)在有限資源的約束條件下生產(chǎn)過程控制和管理的智能化，以便提高生產(chǎn)效率，減低車間能源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，最終提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。 1．2 染紗工藝流程 　　以下是染紗基本工藝流程，內(nèi)容主要包括松筒、裝紗、前處理、染色 、后整理，排水、卸紗、脫水、烘干等過程，如圖1所示； [align=center]圖1染紗基本工藝流程 Fig．1 Based techniques flow in dying dyeing industry[/align] 1．3 關鍵性需求 　?。?）通過分析現(xiàn)有的染色工藝，研究和優(yōu)化工藝過程，建立工藝數(shù)據(jù)庫和工藝知識庫。 　?。?）在單臺染缸自動控制系統(tǒng)和集中工藝數(shù)據(jù)庫建設的基礎上，建立染缸車問集中控制系統(tǒng)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的前提下，有效控制能耗，降低成本。 　?。?）在滿足訂單任務的基礎上，研究面向生產(chǎn)車間低能耗的優(yōu)化作業(yè)調(diào)度模型和能耗考核管理模型，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)，建立生產(chǎn)能耗管理系統(tǒng)與作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)單臺設備能耗控制，超標預警、工段和車間作業(yè)的過程的動態(tài)跟蹤和管理。 　?。?）研究生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和企業(yè)的ERP系統(tǒng)集成，建立上下兩層數(shù)據(jù)接口的規(guī)范，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和管理一體化。 2 MES結(jié)構(gòu)設計 　　在開展MES項目之前，很多企業(yè)的信息化建設項目和車間設備技術改造項目基本上是獨立運行的，很少聯(lián)合．現(xiàn)在需要考慮如何實現(xiàn)企業(yè)兩者之間的聯(lián)合和一體化的問題．難度自然是可以想象．一方面原有系統(tǒng)要保持運行，另一方面需要考慮車間實施MES系統(tǒng)后，對原有系統(tǒng)的提出新的要求，升級改造，新舊系統(tǒng)之間接口，尤其在數(shù)據(jù)采集規(guī)范、接口和集中通訊等參數(shù)和性能等協(xié)調(diào)問題，相應增加了設計復雜度，在進行系統(tǒng)設計之前，需要仔細分析和評估可能存在的風險，設計到位，確保設計后的新系統(tǒng)能順利完成任務[5]． 　　由于染紗車問生產(chǎn)過程涉及到訂單、原料、顏料、工藝、配方、染缸、作業(yè)安排、調(diào)度、質(zhì)量監(jiān)控、供排水、蒸汽等方面控制和管理問題，實際上是一種多任務、多批次的復雜的控制和管理系統(tǒng)．分析設計需要采用系統(tǒng)工程的設計思想和方法進行指導，在把握總體目標的前提下，研究各子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和定位，然后，進一步考慮項目之間的內(nèi)在關系，形成一個完整的大系統(tǒng)．本文基于這種思想提出了“三層體系構(gòu)架（PCS／MES／ERP）”的集成設計方法和技術，來解決染色工業(yè)中的現(xiàn)場控制和管理的問題。 2．1 MES總體結(jié)構(gòu)設計 　　針對染紗企業(yè)的業(yè)務需求和實際生產(chǎn)情況，考慮到企業(yè)內(nèi)部已經(jīng)建立的ERP系統(tǒng)和染缸的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，提出了以染缸生產(chǎn)過程控制和管理技術為核心的MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其核心部分主要以PCS，MES和ERP三大部分所組成的一體化結(jié)構(gòu)。在體系構(gòu)架上，設計位于頂層是企業(yè)ERP系統(tǒng)，主要實現(xiàn)功能是企業(yè)內(nèi)部資源管理，與本系統(tǒng)發(fā)生密切關系的是生產(chǎn)計劃模塊；位于中問層是MES系統(tǒng)，主要實現(xiàn)功能是接受上層計劃指令，組織車間作業(yè)、優(yōu)化調(diào)度作業(yè)流程，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，下達作業(yè)任務；位于下層是PCS系統(tǒng)，主要實現(xiàn)功能是生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，屬于設備級的控制，主要任務完成工藝要求的生產(chǎn)過程，并提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的自動化采集和發(fā)送，實現(xiàn)與執(zhí)行層之問的溝通．染紗工業(yè)屬于典型的流程工業(yè)，其中染缸的控制涉及到電、水、蒸汽的控制、工藝控制，以及污水排放控制．以下是三層體系構(gòu)架設計圖，如圖2所示． [align=center]圖2 PCS／MES／ERP三層體系構(gòu)架 Fig．2 The three layer architecture of ERP／M ES／PCS[/align] 2．2 MES結(jié)構(gòu)設計 　　MES結(jié)構(gòu)主要以“三層體系構(gòu)架（PCS／MES／ERP）”的集成為核心進行設計，使其貫穿于整個染紗企業(yè)內(nèi)部的業(yè)務管理和車間生產(chǎn)流程中．下圖3為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖． [align=center]圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Fig．5 The structure chart of system[/align] 2．2．1 過程控制系統(tǒng)（Processing Control System：PCS） 　　過程控制系統(tǒng)是現(xiàn)場操作層，染色車間一般有幾十臺到上百臺的染缸需要集中控制．為了實現(xiàn)一體化設計，需要將單臺染缸的PCS控制系統(tǒng)和復雜的中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，并要求支持以太網(wǎng)絡的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在MES和PCS系統(tǒng)之間進行傳輸．主要實現(xiàn)的控制功能：主缸和副缸的溫度控制、精確的浴比控制、轉(zhuǎn)速控制、PH 值控制、多路進水、洗水、排水、監(jiān)控、工藝、網(wǎng)絡通訊等．系統(tǒng)可以實時監(jiān)測染缸的各種工作狀態(tài)，包括啟動、停機、暫停、進排水和蒸汽、參數(shù)、報警等；實現(xiàn)MES系統(tǒng)對下位的PCS控制器的參數(shù)整定。 2．2．2 制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing ExecutionSystem ：MES） 　　MES是主要面向車間層的制造執(zhí)行管理．關鍵性設計包括兩個方面，一是對來自ERP的生產(chǎn)管理信息進行細化、分解，并將來自計劃層操作指令，經(jīng)過工藝優(yōu)化、作業(yè)調(diào)度，將加工工藝和參數(shù)傳遞給底層控制層，而底層控制層嚴格按照工藝要求進行程序化生產(chǎn)；二是采集染缸的溫度、液位、運行設備和儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實時監(jiān)控底層設備的運行狀態(tài)，為MES提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，編排作業(yè)進程，優(yōu)化調(diào)度作業(yè)流程。 　　研究以節(jié)約能源和生產(chǎn)能力最大化為目標的生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度策略，向生產(chǎn)過程控制器下達控制指令和優(yōu)化的工藝參數(shù)，控制染缸的開啟、停止、供水、排水、升降溫度等過程，集中控制車間生產(chǎn)作業(yè)過程（PCS）．并實時檢測水、電、蒸汽、溫度、壓力和液位等生產(chǎn)狀態(tài)指標，動態(tài)跟蹤整個生產(chǎn)過程．對異常和意外事件或能源的超標等現(xiàn)象，實施故障報警和超標預警．染缸投運后，MES實時監(jiān)控車間染缸群體的運行狀態(tài)，實時上傳現(xiàn)場運行參數(shù)，并在看板上直觀顯示各種工藝過程的運行情況，并將運行結(jié)構(gòu)反饋到上層的ERP系統(tǒng)中，為企業(yè)領導者的生產(chǎn)決策提供依據(jù)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制和管理。 2．2．3 企業(yè)資源管理系統(tǒng)（Enterprise ResourcesPlanning：ERP） 　　企業(yè)資源管理系統(tǒng)是企業(yè)物流、信息流、資金流的集成管理系統(tǒng)，主要以企業(yè)資源計劃與控制為核心，強調(diào)有限資源的充分利用，發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益．根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)能力，通過合理安排生產(chǎn)計劃和車間作業(yè)流程，控制最小的庫存量，優(yōu)化人力資源的配置，按需組織生產(chǎn)，提高企業(yè)生產(chǎn)能力，節(jié)省有限資源，為企業(yè)創(chuàng)造管理效益。 　　在本設計系統(tǒng)中主要考慮根據(jù)客戶所制訂的生產(chǎn)計劃與車間實際的作業(yè)安排之間的協(xié)調(diào)和響應，在滿足客戶需求的條件下，實現(xiàn)能源節(jié)約。 3 MES在染色工業(yè)中的應用 　　根據(jù)MES總體結(jié)構(gòu)設計的要求，將系統(tǒng)分為九大功能模塊，分別是染缸集中監(jiān)控系統(tǒng)、車間作業(yè)管理、染色工藝管理、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、染缸設備管理、作業(yè)人員管理、能源考核管理、車間生產(chǎn)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)通訊接口．系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。 　?。?）車間集中監(jiān)控制系統(tǒng)：由監(jiān)控中心主機、通訊集線器和幾十臺染缸控制器組成，系統(tǒng)以主機為中心形成多機通信網(wǎng)絡，利用工業(yè)以太網(wǎng)連接ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng) ．主機向每個控制器發(fā)送生產(chǎn)工藝和接收控制器傳送的運行數(shù)據(jù)，控制器既可以聯(lián)網(wǎng)運行，又可以脫離主機獨立控制染缸．染缸控制器以P89C51RD2XX單片機為核心，這是一種功能先進的單片機，外置有A／D，D／A 轉(zhuǎn)換電路和抗干擾監(jiān)視器，使控制器的電路隔離性能更好、抗干擾性能更強．該控制器除了具有染缸所需的各種控制功能之外，還具有很強的數(shù)據(jù)通訊功能，能方便實現(xiàn)接收主機傳送的生產(chǎn)工藝，并向的主機發(fā)送運行數(shù)據(jù)。 　　（2）工藝管理系統(tǒng)：染紗工藝是企業(yè)生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品技術準備的重要組成部分，工藝設計不但影響產(chǎn)品的染紗周期，而且對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本起到至關重要得作用．提高企業(yè)工藝標準化水平和工藝管理水平，縮短工藝技術準備周期，提高工藝設計效率．系統(tǒng)需要建立工藝標準數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化工藝模型，進行工藝配方管理．按照原料和工藝要求，建立工藝配方數(shù)據(jù)庫．提供染色工藝編制，工藝知識管理，快速建立染紗工藝數(shù)據(jù)，縮短工藝設計時間，消耗、工作量等進行分類統(tǒng)計，生成各類統(tǒng)計報表，內(nèi)容包括日、月、季度、年產(chǎn)量、能源（水、電、蒸汽）、工作量等。 　?。?）車問作業(yè)和調(diào)度管理：主要實現(xiàn)功能是接受生產(chǎn)訂單、安排作業(yè)任務、實施生產(chǎn)調(diào)度、控制工藝流程，確保產(chǎn)品質(zhì)量．根據(jù)染色企業(yè)的規(guī)模和任務需要，吸收看板管理（JIT）、約束理論（TOC）、敏捷制造、智能制造等生產(chǎn)管理的思想，選擇優(yōu)化作業(yè)安排和調(diào)度策略，實現(xiàn)面向車間生產(chǎn)過程的敏捷化管理。 　?。?）車間染缸管理：染缸設備管理主要是以染缸的狀態(tài)管理為目的，設備屬性主要有靜態(tài)和動態(tài)特性：設備靜態(tài)屬性主要包括染缸的基本信息，規(guī)格、型號、生產(chǎn)單位、容量、使用年限等屬性；設備動態(tài)屬性主要包括訂單信息、客戶信息、加工信息、運行狀態(tài)、運行時問、開始時問和預估的結(jié)束時問等．利用設備的動態(tài)信息可以實現(xiàn)車間的看板管理，通過看板可以直觀了了解到車問全部染缸的運行狀態(tài)，及時了解訂單執(zhí)行情況。 　　（5）作業(yè)人管理：車問作業(yè)人員管理主要包括出勤、作業(yè)考核、計薪酬，工作績效、培訓，以及車問作業(yè)人員的安排、班次管理。 　　（6）能源考核管理：根據(jù)車間總能耗（水、電、蒸汽）、典型染缸能源檢測，以及生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)和工藝過程信息，依據(jù)軟測量方法和數(shù)據(jù)模型，計算單臺染缸的能耗．在此基礎上，計算車問作業(yè)能耗，實施能源超標報警，建立以車間產(chǎn)量與綜合能源消耗比重（產(chǎn)能比）為考核指標體系，實施能源考核管理。 　?。?）生產(chǎn)統(tǒng)計：車問班組日產(chǎn)量、原料日報表、單臺染缸和車問能源消耗報告等。 　?。?）數(shù)據(jù)接口：為了實現(xiàn)企業(yè)ERP、車問MES和染缸PCS控制系統(tǒng)的集成，需要建立統(tǒng)一業(yè)務流程規(guī)范和數(shù)據(jù)標準，并確定數(shù)據(jù)交換方式和流向．MES／PCS系統(tǒng)接口采用標準的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議（RS485）或轉(zhuǎn)換為標準協(xié)議的方法，將生產(chǎn)現(xiàn)場的若干PCS控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通訊．主要實現(xiàn)方法是通過一個“通訊集線器或網(wǎng)關”實現(xiàn)若干臺PCS控制器與MES之間數(shù)據(jù)通訊、保存，實現(xiàn)集中控制和管理．ERP／MEs系統(tǒng)接口可以采用關系數(shù)據(jù)庫和XML技術，將ERP的生產(chǎn)計劃、工藝要求數(shù)據(jù)與MES車伺作業(yè)計劃實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換。 4 結(jié) 論 　　在分析染紗企業(yè)信息化現(xiàn)狀的基礎上，對染紗企業(yè)的MES系統(tǒng)進行了總體的規(guī)劃和設計，以染色企業(yè)為例提出了一種ERP／MES／PCS三層結(jié)構(gòu)體系的設計思想，并在一家大型的染色企業(yè)中得到成功應用，較好地解決了染色企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程和管理的問題，實現(xiàn)了染缸的集中監(jiān)控、生產(chǎn)作業(yè)管理、生產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化、工藝管理、能源管理、崗位管理、人員管理和數(shù)據(jù)通訊管理等功能，達到了企業(yè)生產(chǎn)過程和管理的一體化，提高企業(yè)的生產(chǎn)管理能力，為企業(yè)帶來良好的社會和經(jīng)濟效益． 參考文獻： [1] 李文輝．制造執(zhí)行系統(tǒng)（MEs）的應用與發(fā)展口]．蘭州理工大學學報，2006，32（2）：50—54． [2] 易繼鍇．智能控制技術[M]．北京：北京工業(yè)大學出版社，1999． [3] 王樹青．先進控制技術及應用EM]．北京：化學工業(yè)出版社，2001． [4] 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