一、背景
制造执行系统( m a n u f a c t u r i n g execution system，简称MES)是美国AMR公司在90年代初提出的，意在加强计划的执行能力，把车间作业的控制系统，通过MES联系起来。AMR将其定义为：“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间的管理信息系统”MES为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息[2]由此可知，MES系统旨在加强生产计划的执行能力，是生产计划和车间作业控制的纽带和桥梁，填补上层通信和底层控制的信息断层。
虽然杭州卷烟厂经过多年的内部信息化建设建立了以ERP为中心的信息化管理系统，但是各部门之间的系统都是独立的，这就造成了信息的封闭，而且数据缺乏准确性和实时性。因此杭州卷烟厂迫切需要实现系统集成，资源整合以及信息共享，建立从物料管理，生产监控，质量管理到出货管理的通畅的信息流，实现卷烟生产过程的全过程监控与追溯。在这个形势下，杭州卷烟厂于2008年启动MES(manufacturing execution system，制造执行系统)，已经于2012年上半年进行项目验收。下文将结合杭州卷烟厂MES项目，从设计模型，设计原则，功能模块以及平台技术等角度来分析此项目和系统功能。
二、MES的功能模块
2.1 系统架构
MES系统处于上层的ERP系统和下层的自动化管控系统之间，因此，MES能够获取包括制丝管控系统、卷包数字化管理系统、物流管控系统、质量检测设备和动力能源系统等在内的自动化管控系统的数据，并能对这些数据进行分类、管理和分析，实时、准确的生产数据采集并实现集成应用是MES得以成功的重要基础。通过对数据集的分析，能够指导生产设备的各种操作，同时可以把分析结果传递给信息管理层，MES在烟草行业中的应用已越来越多。通过对生产过程数据与工艺标准数据的比对分析，可以产生出包括生产、质量、设备、绩效、质量、消耗等在内的相关报表，通过统计分析，达到改进质量标准、优化生产组织，降低生产原辅料消耗，降低过程中的半成品库存，以及提高设备备件利用率的各种目标。如图1系统层级图所示，MES接收ERP计划产量，PDM的工艺标准，来指导卷烟厂生产执行操作，然后将执行结果反馈给ERP和PDM，形成整个生产的闭环。
杭州卷烟厂卷烟的工艺流程大体上分为制丝和卷包两个流程，制丝过程包括切片，切丝，混丝三大过程，卷包过程包括卷接和包装两个主要程序，制丝过程为流水作业过程，卷包过程属于离散型作业，各机组都有独立的卷接和包装设备。制丝和卷包有各自的集中控制系统，分别为制丝集控和卷包数采。系统间详细流程图如图2所示，MES从ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划系统)接收杭州卷烟厂卷烟生产订单生成作业计划，同时接收PDM(Product Data Management，产品数据管理)的工艺标准，质量标准，物料主数据和BOM,生成作业执行计划，指导杭州卷烟厂制丝集控，卷包数采，动力能源和物流系统的执行，根据采集的过程数据反馈，将计划执行结果等数据反馈给ERP， 关闭生产订单。
2.2 功能模块
MES主要由主数据管理、生产管理、工艺质量管理、设备管理、车间管理、实时监控、批次管理、动力能源以及用户管理等九大功能模块组成，以生产执行、工艺质量管理和设备管理三大模块为主，其它六个模块为辅，实现了将上层的计划及时准确的传达给车间生产控制现场，并把车间生产控制现场的生产数据及情况实时的反馈给计划层，从而实现对整个生产过的统一指挥与调度。下面着重介绍生产管理，工艺质量管理，设备管理和主数据管理等与生产密切相关的四个模块。
(1) 生产管理
生产管理的主要功能是生产计划的调度， 它是ERP生产计划的延伸和发展，它能使制丝计划自动的分解生产工单，通过人工调整和下发，使生产现场能及时准确地进行生产作业，系统需要保证卷烟成品的供应，满足市场供货的需求。MES中生产计划调度的详细流程图如图3所示，结合杭州卷烟厂的实际设备情况，本模块主要分了制丝生产调度、制丝生产执行、卷包生产调度和卷包生产执行四个功能点。
a) 制丝调度
制丝调度主要是根据成品烟丝需求以及高架库和远程库的库存情况，在用户选择预约物料时自动推算出所需物料的数量，并能在预约物料不够的情况下给出替代方案，为了增加灵活性，还可以通过手动编辑来修改替代方案。根据各产线的产能设计、工艺逻辑和生产计划生成详细的作业工单。
b) 制丝执行
制丝执行是将作业工单发送给制丝集控系统，以及高架库系统、糖香料厨房系统等配套系统，使系统按作业工单进行作业，生产结束后，对制丝集控系统、高架库系统和糖香料厨房系统的生产结果进行统计，以报表的形式展示给终端用户。在作业过程中，可根据实时监控情况对生产工单进行暂停、继续运行以及中止等操作，操作人员对未下发生产的作业工单可以进行修改。
c) 卷包调度
卷包调用主要根据从ERP计划生成喂丝机工单和卷包机生产工单。
d) 卷包执行
与制丝执行类似，卷包执行也是将作业工单下发给高架库系统和卷包数采系统，高架库系统根据喂丝机工单将相应的成品烟丝量发送至对应的喂丝机台，喂丝机将烟丝输送至相应的卷接包机组。通过MES的生产管理功能保证了批次任务之间的相互衔接和上下游工序的执行，并且能够实现生产计划层与生产车间控制现场的及时沟通。
(2) 工艺质量管理
质量管理主要是根据ISO9000质量管理体系的要求，建立快速、高效、全过程的质量反馈、质量处理和质量跟踪机制。本模块根据主数据管理模块的工艺质量标准，对生产过程中的数据进行检验分析，以确保产品的质量。通过检验批次的建立能实现生产数据的追踪和管理，并能把生产过程中的异常数据反馈到生产现场，从而能够对生产进行及时的调整与改进。并能对某些数据进行报警提示，使得用户可以更快的发现问题，制定解决措施，进一步保证产品质量。
本模块的另一个重要功能是过程质量评测，过程质量评测是对某个周期内生产的牌号根据《浙江中烟生产过程质量测评方案》的标准进行评测，如工段、工序段以及工序的NY值和 值以及工艺质量参数的DPMO值、Q值、均值和方差。
(3) 设备管理
设备管理包括设备润滑、设备维护保养以及设备维修及停开机。系统能自动提醒需要周期性维护的设备，使设备能及时的得到保养和维护。统计设备维修情况，对设备在维护、保养以及停机检修的开始时间、停机时长、停机原因等信息进行统计，用户通过报表可以清晰的得到备件耗用情况，设备运行效率和故障分析统计等信息。
(4) 主数据管理
MES从PDM得到BOM生效规则和工艺质量参数等数据，并对各数据提供查询、新建、生效和归档等功能，保证生产按照相应的工艺标准进行生产。
三、平台技术
杭州卷烟厂MES系统的开发平台为罗克韦尔自动化的FactoryTalk ProductionCenter平台。该平台可以将生产中的流程抽象成不同的对象，从而为开发提供了方便，对于数据库表的操作也是通过对象来完成，减少了开发的难度，而且该平台能使MES与企业的其它应用系统及底层设备高效的集成。FactoryTalk Production Center平台是一个关键任务平台，特别针对于需要进行实时生产管理的工业型应用。该平台可以保证实时生产数据和企业管理信息(如ERP、PDM等)的同步，也能保证意外情况下车间生产的持续运转。
FactoryTalk Production Center平台采用的3 层J2EE架构， 可以独立于Windows、Solaris或者Linux操作系统运行，并支持当前主流的数据库平台。该平台可灵活配置适用于各种类型复杂的工厂企业，满足工厂级或者企业级应用要求。生产和质量管理构成了FactoryTalk Production Center的核心平台，可以灵活地创建复杂的实时生产环境，帮助企业跟踪和提高产品质量，实时监控生产速度和控制损耗，从而提高企业管理能力，有效缩短生产周期。
FactoryTalk Production Center平台同时支持Java和http/https客户端程序和脚本，可同时适用于高速和缓慢的网络及便携式设备。利用FactoryTalk面向服务的架构(SOA)，可以非常容易地与其他支持FactoryTalk的应用软件和硬件共享信息资源，也可以轻松地实现与第三方系统的数据共享。
FactoryTalk Production Center平台是一个推进制造业走向成熟的企业级信息解决方案，它将每天的生产数据自动记录并进行转换，将设备资产、生产资源、供应商和质量信息与跟踪机制相结合，以实现真正可视化与完善的制造过程控制。
四、结束语
杭州卷烟厂MES目前很好的支持了全配方生产模式，进行了分组加工生产模式的系统测试。MES是制造过程中的上层计划和下层生产现场之间的纽带和桥梁，把ERP、PDM等计划层和制丝集控系统、高架库系统、糖香料厨房系统以及卷包数采系统等底层控制系统连接起来，通过信息的准确、快速下达和生产数据的及时反馈，避免了生产过程中的信息孤岛。通过MES的实施，将会把卷烟厂的各个系统采集的数据实现集中，实现生产制造的精细化、柔性化，提高了烟草行业生产的现代化、信息化和管理水平，真正实现以信息化促进工业化的整体目标。在全球化竞争的今天，帮助企业在竞争日益激烈的国际市场上取得竞争优势。
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