一、背景
制造執行系統( m a n u f a c t u r i n g execution system，簡稱MES)是美國AMR公司在90年代初提出的，意在加強計劃的執行能力，把車間作業的控制系統，通過MES聯系起來。AMR將其定義為：“位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間的管理信息系統”MES為操作人員、管理人員提供計劃的執行、跟蹤及所有資源(人、設備、物料、客戶需求等)的當前狀態信息[2]由此可知，MES系統旨在加強生產計劃的執行能力，是生產計劃和車間作業控制的紐帶和橋梁，填補上層通信和底層控制的信息斷層。
雖然杭州卷煙廠經過多年的內部信息化建設建立了以ERP為中心的信息化管理系統，但是各部門之間的系統都是獨立的，這就造成了信息的封閉，而且數據缺乏準確性和實時性。因此杭州卷煙廠迫切需要實現系統集成，資源整合以及信息共享，建立從物料管理，生產監控，質量管理到出貨管理的通暢的信息流，實現卷煙生產過程的全過程監控與追溯。在這個形勢下，杭州卷煙廠于2008年啟動MES(manufacturing execution system，制造執行系統)，已經于2012年上半年進行項目驗收。下文將結合杭州卷煙廠MES項目，從設計模型，設計原則，功能模塊以及平臺技術等角度來分析此項目和系統功能。
二、MES的功能模塊
2.1 系統架構
MES系統處于上層的ERP系統和下層的自動化管控系統之間，因此，MES能夠獲取包括制絲管控系統、卷包數字化管理系統、物流管控系統、質量檢測設備和動力能源系統等在內的自動化管控系統的數據，并能對這些數據進行分類、管理和分析，實時、準確的生產數據采集并實現集成應用是MES得以成功的重要基礎。通過對數據集的分析，能夠指導生產設備的各種操作，同時可以把分析結果傳遞給信息管理層，MES在煙草行業中的應用已越來越多。通過對生產過程數據與工藝標準數據的比對分析，可以產生出包括生產、質量、設備、績效、質量、消耗等在內的相關報表，通過統計分析，達到改進質量標準、優化生產組織，降低生產原輔料消耗，降低過程中的半成品庫存，以及提高設備備件利用率的各種目標。如圖1系統層級圖所示，MES接收ERP計劃產量，PDM的工藝標準，來指導卷煙廠生產執行操作，然后將執行結果反饋給ERP和PDM，形成整個生產的閉環。
杭州卷煙廠卷煙的工藝流程大體上分為制絲和卷包兩個流程，制絲過程包括切片，切絲，混絲三大過程，卷包過程包括卷接和包裝兩個主要程序，制絲過程為流水作業過程，卷包過程屬于離散型作業，各機組都有獨立的卷接和包裝設備。制絲和卷包有各自的集中控制系統，分別為制絲集控和卷包數采。系統間詳細流程圖如圖2所示，MES從ERP(Enterprise Resource Planning，企業資源計劃系統)接收杭州卷煙廠卷煙生產訂單生成作業計劃，同時接收PDM(Product Data Management，產品數據管理)的工藝標準，質量標準，物料主數據和BOM,生成作業執行計劃，指導杭州卷煙廠制絲集控，卷包數采，動力能源和物流系統的執行，根據采集的過程數據反饋，將計劃執行結果等數據反饋給ERP， 關閉生產訂單。
2.2 功能模塊
MES主要由主數據管理、生產管理、工藝質量管理、設備管理、車間管理、實時監控、批次管理、動力能源以及用戶管理等九大功能模塊組成，以生產執行、工藝質量管理和設備管理三大模塊為主，其它六個模塊為輔，實現了將上層的計劃及時準確的傳達給車間生產控制現場，并把車間生產控制現場的生產數據及情況實時的反饋給計劃層，從而實現對整個生產過的統一指揮與調度。下面著重介紹生產管理，工藝質量管理，設備管理和主數據管理等與生產密切相關的四個模塊。
(1) 生產管理
生產管理的主要功能是生產計劃的調度， 它是ERP生產計劃的延伸和發展，它能使制絲計劃自動的分解生產工單，通過人工調整和下發，使生產現場能及時準確地進行生產作業，系統需要保證卷煙成品的供應，滿足市場供貨的需求。MES中生產計劃調度的詳細流程圖如圖3所示，結合杭州卷煙廠的實際設備情況，本模塊主要分了制絲生產調度、制絲生產執行、卷包生產調度和卷包生產執行四個功能點。
a) 制絲調度
制絲調度主要是根據成品煙絲需求以及高架庫和遠程庫的庫存情況，在用戶選擇預約物料時自動推算出所需物料的數量，并能在預約物料不夠的情況下給出替代方案，為了增加靈活性，還可以通過手動編輯來修改替代方案。根據各產線的產能設計、工藝邏輯和生產計劃生成詳細的作業工單。
b) 制絲執行
制絲執行是將作業工單發送給制絲集控系統，以及高架庫系統、糖香料廚房系統等配套系統，使系統按作業工單進行作業，生產結束后，對制絲集控系統、高架庫系統和糖香料廚房系統的生產結果進行統計，以報表的形式展示給終端用戶。在作業過程中，可根據實時監控情況對生產工單進行暫停、繼續運行以及中止等操作，操作人員對未下發生產的作業工單可以進行修改。
c) 卷包調度
卷包調用主要根據從ERP計劃生成喂絲機工單和卷包機生產工單。
d) 卷包執行
與制絲執行類似，卷包執行也是將作業工單下發給高架庫系統和卷包數采系統，高架庫系統根據喂絲機工單將相應的成品煙絲量發送至對應的喂絲機臺，喂絲機將煙絲輸送至相應的卷接包機組。通過MES的生產管理功能保證了批次任務之間的相互銜接和上下游工序的執行，并且能夠實現生產計劃層與生產車間控制現場的及時溝通。
(2) 工藝質量管理
質量管理主要是根據ISO9000質量管理體系的要求，建立快速、高效、全過程的質量反饋、質量處理和質量跟蹤機制。本模塊根據主數據管理模塊的工藝質量標準，對生產過程中的數據進行檢驗分析，以確保產品的質量。通過檢驗批次的建立能實現生產數據的追蹤和管理，并能把生產過程中的異常數據反饋到生產現場，從而能夠對生產進行及時的調整與改進。并能對某些數據進行報警提示，使得用戶可以更快的發現問題，制定解決措施，進一步保證產品質量。
本模塊的另一個重要功能是過程質量評測，過程質量評測是對某個周期內生產的牌號根據《浙江中煙生產過程質量測評方案》的標準進行評測，如工段、工序段以及工序的NY值和 值以及工藝質量參數的DPMO值、Q值、均值和方差。
(3) 設備管理
設備管理包括設備潤滑、設備維護保養以及設備維修及停開機。系統能自動提醒需要周期性維護的設備，使設備能及時的得到保養和維護。統計設備維修情況，對設備在維護、保養以及停機檢修的開始時間、停機時長、停機原因等信息進行統計，用戶通過報表可以清晰的得到備件耗用情況，設備運行效率和故障分析統計等信息。
(4) 主數據管理
MES從PDM得到BOM生效規則和工藝質量參數等數據，并對各數據提供查詢、新建、生效和歸檔等功能，保證生產按照相應的工藝標準進行生產。
三、平臺技術
杭州卷煙廠MES系統的開發平臺為羅克韋爾自動化的FactoryTalk ProductionCenter平臺。該平臺可以將生產中的流程抽象成不同的對象，從而為開發提供了方便，對于數據庫表的操作也是通過對象來完成，減少了開發的難度，而且該平臺能使MES與企業的其它應用系統及底層設備高效的集成。FactoryTalk Production Center平臺是一個關鍵任務平臺，特別針對于需要進行實時生產管理的工業型應用。該平臺可以保證實時生產數據和企業管理信息(如ERP、PDM等)的同步，也能保證意外情況下車間生產的持續運轉。
FactoryTalk Production Center平臺采用的3 層J2EE架構， 可以獨立于Windows、Solaris或者Linux操作系統運行，并支持當前主流的數據庫平臺。該平臺可靈活配置適用于各種類型復雜的工廠企業，滿足工廠級或者企業級應用要求。生產和質量管理構成了FactoryTalk Production Center的核心平臺，可以靈活地創建復雜的實時生產環境，幫助企業跟蹤和提高產品質量，實時監控生產速度和控制損耗，從而提高企業管理能力，有效縮短生產周期。
FactoryTalk Production Center平臺同時支持Java和http/https客戶端程序和腳本，可同時適用于高速和緩慢的網絡及便攜式設備。利用FactoryTalk面向服務的架構(SOA)，可以非常容易地與其他支持FactoryTalk的應用軟件和硬件共享信息資源，也可以輕松地實現與第三方系統的數據共享。
FactoryTalk Production Center平臺是一個推進制造業走向成熟的企業級信息解決方案，它將每天的生產數據自動記錄并進行轉換，將設備資產、生產資源、供應商和質量信息與跟蹤機制相結合，以實現真正可視化與完善的制造過程控制。
四、結束語
杭州卷煙廠MES目前很好的支持了全配方生產模式，進行了分組加工生產模式的系統測試。MES是制造過程中的上層計劃和下層生產現場之間的紐帶和橋梁，把ERP、PDM等計劃層和制絲集控系統、高架庫系統、糖香料廚房系統以及卷包數采系統等底層控制系統連接起來，通過信息的準確、快速下達和生產數據的及時反饋，避免了生產過程中的信息孤島。通過MES的實施，將會把卷煙廠的各個系統采集的數據實現集中，實現生產制造的精細化、柔性化，提高了煙草行業生產的現代化、信息化和管理水平，真正實現以信息化促進工業化的整體目標。在全球化競爭的今天，幫助企業在競爭日益激烈的國際市場上取得競爭優勢。
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