一、MES设计原则与目标

作为车间信息管理技术的载体，MES在实现生产过程的自动化、智能化、网络化等方面发挥着巨大的作用。MES处于企业级的资源计划系统和工厂底层的控制系统之间，是提高企业制造能力和生产管理能力的重要手段。MES相关设计原则如下：

1.成本控制

MES的规划应本着节约成本、高效率和低能耗的原则，减少对不必要的硬件或软件的购买和使用，确保MES在使用过程中不会造成附加成本的产生。

2.目标一致性

MES的体系架构必须要结合企业的实际需求而构建，与实际需求相吻合，减少不必要功能的使用，控制成本，尽量避免增加使用人员的工作量或复杂度。MES的最终目的是提高生产效率、产品质量，降低工作难度等。

3.整体性和扩展性

正确规划企业所需要的应用系统，确定各应用系统之间的界限和相互联系，尤其要关注在不同阶段实施的应用系统之间的衔接关系。信息系统关系到企业生产经营的方方面面，它们共同构成一个有机的整体，因此在制订总体规划时，应考虑各个部门对信息系统的需求。随着信息技术的发展、企业内外部环境的变化，总体规划需要相应的调整。要求总体规划具备良好的扩展性，可以根据需要增加或者减少子系统而对整体不会产生负面影响。

4.系统安全性

采用多层结构的访问机制，数据库层只接受业务逻辑层的访问，任何用户都不可能直接访问数据库，从而保证了数据的安全性。MES的任何用户都必须经过系统权限验证，在访问系统的过程中，用户还要接受模块、功能、记录多级权限的控制，不可访问授权范围之外的数据。

5.可维护性

网络的普及性使MES物理网络的维护更加容易，系统需支持以太网的数据传输方式。MES的定制化界面的开发需采用可以共享工具且有助于创建混合语言的解决方案，这使得MES人机界面的开发变得更加容易、方便，而且具有良好的调试性和可读性。另外MES的开发伴随着相关人员的专业培训，这些培训既包括基本知识和操作业务的培训，也包括基本开发的培训，以确保后期的可维护性。

6.稳定性

MES必须保持一定的稳定性，为了达到这个需求，MES的开发需要经过详细严格的测试流程。内部测试：一般包括模块测试、集成测试和系统测试三个部分。模块测试主要针对生产信息管理系统中各功能模块进行测试，在各模块编码结束后进行。在生产信息管理系统实施过程中，多个模块可同时进行模块测试，内部接口的模块需与接口模块同时测试。集成测试是基于模块测试的测试，在进行集成测试之前将生产信息管理系统各功能模块组装到一起，对生产信息管理系统进行整体测试。系统测试是将软件放在整个计算机环境下，包括软硬件平台、某些支持软件、数据和人员等，在实际运行环境中进行一系列的测试。系统测试的目的是通过与系统的需求定义作比较，发现软件与系统的定义不符合或者矛盾的地方。外部测试：针对生产信息管理系统和外部系统的每一个数据接口，由双方的工程人员互相配合进行，主要的目的是测试数据接口的稳定性、正确性和完整性等。

MES的项目目标是通过信息可视化和流程规范化，提高制造过程透明度，强化生产控制和响应速度，构筑可持续改善的准时工厂，构建企业执行层生产信息系统的通用平台，如图1－18所示。MES通过定义通用的模型和响应术语，为能够更好地与企业的其他业务系统协同工作提供有益的参考。

图1-18　MES的项目目标

二、MES硬件支撑环境

MES硬件支撑环境是需要纳入数字化制造系统以及数字化生产线的整体架构下进行规划的。

MES硬件支撑环境

数字化制造系统是以数字化硬件环境为支撑的，综合利用网络化技术和计算机技术，实现数字化制造相关业务信息和过程管理的支撑系统，该系统涵盖设备层的数字化控制、车间层的数字化制造执行、企业层的数字化集成管理等，支持制造企业信息流、物料流和控制流的集成与协同运行。数字化制造系统涉及硬件支撑环境以及软件集成应用两个方面：硬件方面包括数字化加工和装配设备、物料存储与输送系统、检测与监控设备以及计算机网络控制设备；软件方面包括CAPP、PDM、ERP、MES、DNC等系统。

数字化生产线是实现快速响应制造的基础。采用顶层集成控制的形式，建立数字化加工设备的底层网络，实现数控程序的传输和集中管理，实现对设备状态和运行状况的测试监控。通过与车间生产管理系统的集成，达到对数控程序从设计到调试加工的一体化管理，以及设备状态和运行信息对车间生产管理系统支持的目的。

下面主要从底层控制和环境的角度，对其中的分布式数控系统、底层状态监控与执行信息采集系统、自动物料输送与存储设备、数字化监测设备等进行重点介绍。

1.分布式数控系统

分布式数控系统（Distributed Numerical Control，DNC）作为实现生产指令向现场延伸的具体体现技术，已经在制造企业得到了广泛的应用，DNC采用一台计算机控制若干台数控（Computer Numerical Control，简称CNC）机床，使各机床数控系统能够完成各自的操作，其主要功能包括：

（1）NC程序的上传和下载：其中NC（Numerical Control，数字控制）程序的下载是DNC系统的基本功能。

（2）制造数据的传送：除NC程序的上传和下载功能之外，DNC系统还具有PLC数据传送、刀具指令下载、工作站指令下载等功能。

（3）NC程序管理：如实现基于中央集中的NC程序库在线管理等。

（4）与其他系统进行通信：通过企业网络系统可方便地实现DNC系统与企业其他信息系统（如MRPⅡ、CAPP、CAM系统等）的相互通信。

2.底层状态监控和执行信息采集系统

底层状态监控与执行信息采集是实现数字化、精细化管理的关键。主要体现在是三个方面：一是机床状态数据采集与监控系统；二是刀具预调和监控装置；三是生产任务执行现场信息的采集。

（1）机床状态数据采集与监控系统。

MDC（Manufacturing Data Collection，MDC）即制造数据采集，一般通称为机床监控。MDC通过现今的软硬件采集技术对数控设备进行实时、自动、客观、准确的数据采集，实现生产过程的透明化管理，并为制造执行系统提供生产数据的自动反馈。许多制造企业数字化车间基础DNC系统的成功应用，构建了数字化车间的网络基础，从根本上改变了以前程序手动传输、分散管理的局面。MDC作为数字化车间的第一步，是DNC系统的有机延伸，可以为企业进行科学的量化管理提供决策依据。同时，MDC提供的生产数据对MES也非常重要，MES系统只有及时获取知识任务执行情况，形成生产的闭环处理，才能使计划更准确、更科学。因此，MDC是MES成功实施的有力保障，是数字化车间实施中的关键技术之一。

①MDC采集的信息：主要包括机床开机还是关机状态、机床处于加工／停机／故障状态、主轴功率水平、故障报警号、故障开始时间／故障解除时间、单个工件的平均加工时间／最长时间、最短时间等。

②MDC用到的手段：MDC针对不同的机床有不同的采集方案，可大致分为带网卡机床、加硬件机床、辅助采集三种方式。

对高端带网卡的机床，如Fanuc Siemens 840D／Heidenhain等，不用添加任何硬件，即可获取刀具的坐标信息（包括绝对坐标、相对坐标、剩余移动量等）、转速和进给速度、报警号／报警内容、机床运行状态（包括编辑状态、自动运行状态、MDI（Manual Data Input）状态、试运行状态还是在线状态加工等）、主轴功率等。

对不支持网卡采集的机床，需增加硬件进行数据采集，如机床的实时状态（开机、关机等）、机床的工作状态（运行、空闲还是故障状态）、机床的开机时间、关机时间、运行时间、空闲时间、机床故障开始时间、故障消除时间、工件的加工开始时间、加工结束时间、工件最长加工时间、最短加工时间、平均加工时间等信息。

（2）刀具预调和监控装置。

刀具预调装置是数控机床以外预调刀具尺寸的精密仪器，是数字化制造系统必备的刀具准备设备，它适用于加工中心和数控机床等数字化设备的刀具准备，可节省辅助时间，充分发挥主机的作用和效率。刀具监控装置是现代自动化加工系统不可缺少的在线监测仪器。因为刀具磨损、破损是引起数字化制造设备中断加工过程的首要因素，一般制造企业的贵重或大型数控机床都需要配备刀具的监控装置。目前生产中可用的刀具监控装置有切削力监控、功率／电流监控、声发射监控和噪声监控等类型。

①切削力监控采用的力传感器一般安装在刀架或刀杆上，依据切削力变化监测刀具磨损和破损情况。

②功率／电流监控是利用主轴电动机或进给电动机的功率或电流变化计算出切削力的变化，来检测刀具磨损和破损情况。生产中可采用交、直流互感器，也可采用霍尔功率计或分流分压器等。

③声发射监控是利用刀具断裂或变形时以弹性波形式释放的能量，检测刀具的声发射值的变化，判断刀具是否出现破损。一般情况下，声发射传感器安装在刀架或刀柄上，但也可安装在冷却液喷管上。当刀具破损时，声发射信息通过刀杆或冷却液传播到传感器，经放大和滤波处理后，判断刀具是否出现破损。

④噪声监控是以传声器作为传感器接收切削区的噪声信号，利用特殊音频识别方法提取刀具工况的噪声信号，实现对刀具磨损和破损的监控。

（3）生产任务执行现场信息采集装置。

生产任务执行信息采集主要回答正在生产什么产品，已经生产了多少件，以及产品的质量信息等问题。生产任务执行信息的采集一般综合应用条码、终端机、触摸屏等装置，并通过与MES系统的集成实现制造执行过程的综合管控。生产执行信息采集一般通过人工操作的形式实现。(www.daowen.com)

3.自动物料输送和存储设备

对于大批量的生产组织形式，生产过程一般采取自动化的物料运送与存储设备。数字化制造系统的物料输送与存储设备是在生产全过程中担负运输、存储和装卸物料的自动化设备。与传统的物流设备相比，数字化制造系统的物流设备的突出特点是自动化程度高、由计算机管理、整体集成和系统性强。

（1）自动化输送设备是物流系统中起“流动”作用的重要设备，其主要功能是装卸和搬运物料，把生产各环节合理地衔接起来。目前比较适合数字化制造系统应用的自动化输送设备有三种：传送带、运输小车（有轨和无轨）和搬运机器人。

（2）自动化存储设备的主要功能是把生产过程中的毛坯、在制品、成品、工具和配套件等暂时保存起来。数字化制造系统中的物料存储设备主要有三种：自动化仓库、托盘站和物料进出站。

4.数字化检测设备

检测和监控的数字化是数字化制造系统高效、正常运行的基础支撑，虽然不同的生产系统对检测与监控的内容和精确度要求不同，但是检测和监控设备的服务对象一般都集中于工件、刀具、加工设备、工件运储系统及工作环境等方面。下面重点对工件自动检测设备进行描述。

（1）在线检测装置。

在线测量装置可以实现在加工过程中对工件加工质量的自动检测任务。在生产过程中，一般情况下测量装置均安装在机床上，以实时测量的结果补偿控制机床运行。常见的在线测量方式分为两种：不停机测量和停机测量。不停机测量的常用测量装置有摩擦轮式、光电式和气动式，多用于大批量生产时精密磨削加工过程中的定尺寸测量。停机测量多属于工序间在线检测或者加工后在线检测，这种测量装置多数是可以安装在数控机床主轴或者刀架上的三维测量头，由数控机床的控制计算机直接控制测量。这种测量方法可以依据测量结果直接进行机床和刀具补偿，这样既节省了工件重新安装和运输时间，又避免了工件安装误差。需要说明的是，采用三维测量头虽然不需要单独购买测量机，但是在线测量会损失机床的加工时间，所以常用于单件、小批量的复杂精密零件加工过程中的测量。

（2）线外测量装置。

对于制造企业而言，其工件种类和测量内容繁多，一般都需要配备功能丰富、易于扩展的计算机数控坐标测量机。坐标测量机通常实现三个坐标测量，可以自动检测工件尺寸误差、形状误差和轮廓形状误差，并能自动提供误差修正补偿值。企业可以根据测量效率和柔性等方面的特殊需要，为坐标测量机配备回转工作台、托盘交换系统和测量头交换系统等附件。

（3）其他数字化测量装置。

服务于批量生产的数字化测量装置的类型很多，按工件的测量表面分为内表面测量装置、外表面测量装置、平面测量装置、齿形测量装置及曲面测量装置等。例如，光电塞规可以准确测试孔径尺寸，孔的圆度、锥度、圆柱度，喇叭口，腰鼓肚和孔内局部凹凸等；圆度仪可以精密测量圆度、同心度、同轴度、平面度、垂直度、轴线直线度、跳动和波度；轮廓测量仪可将测得的工件轮廓以数字量存入存储器中，并能显示工件轮廓、计算选定轮廓段的圆弧半径、两圆弧中心距、两直线间夹角、直线的倾角、两点间坐标差和距离等几何参数。

三、MES软件体系架构

1.生产中特殊框架条件

MES软件体系架构

为了能够简单且安全地获得生产过程中所有必要的数据，在开发MES系统时，应当考虑生产中的特殊框架条件。不同于在办公室使用的IT系统，MES系统在人机工程学方面必须提高要求，以便在恶劣的生产环境中，工人可以无误地操作MES系统。简单而易于理解的操作对话是高水平的接受MES系统的一个强制性要求，否则很难成功地实施MES系统。

同样，应该注意在生产中恶劣的环境条件，如污垢、喷雾、蒸汽和油雾等。对这些恶劣条件不敏感的工业计算机是必需的，计算机选择适当的保护方式和健壮的用户界面，如触摸屏或键盘膜或其他合适的配件，如条形码扫描仪或RFID阅读器。

此外，流动性需求越来越大。因为MES系统随时随地可使用，所以在宽大的车间或很难到达的仓储位置里，应投入使用移动采集设备。使用采集设备不仅作为一个区域或一组终端，而且也可以在同一总线上分配多个终端，例如一个终端直接分配给一台设备的配置。

2.MES的IT体系架构

IT体系结构确定了如何使用硬件、软件和网络构成基础设施，使用哪些IT组件，如何构建IT系统之间的接口。除此之外，提出了企业使用哪些标准的问题：优先使用哪些操作系统？使用哪些数据库系统？如何在系统之间实现通信？这意味着，在开发MES系统之前，应该认真研究，是否满足个性化的IT基础设施的众多需求。

因此，良好的MES应无缝连接到现有的IT环境，每个授权的用户可以从标准客户端上访问MES系统里的相关功能服务。

MES系统中典型的IT体系结构如图1－19所示。中心部件是MES系统的服务器，它被集成到现有的网络，且被安装上了所谓的生产数据库。在这个数据库里，不仅存储了原始数据，而且也存储了所有采集到的实际数据。因为与待处理数据的数据调整和使用客户端的数目变化很大，所以通过MES服务器的设计，给出了相应的MES系统可扩展性。现有的或将建立的数据安全机制和部件考虑了根据数据的重要性来存储MES数据。

图1-19　MES系统中典型的IT体系结构

实际的MES系统的应用，是以MES操作中心（实际总览、评估和计划功能等）在标准计算机上应用的，这些计算机用于大多数的经理办公室、生产控制、维护、控制、人力资源、质量保证、生产调度和管理部门。通过MES操作中心，一方面可以显示、计算或更改相关的数据，另一方面，也提供给用户共享的功能和评估。

为了获得设备和工作地的数据，还使用可选的工况数据终端、工业个人计算机或配有相应附件的标准计算机（条形码扫描仪、读卡器及打印机等）。通过与MES服务器的在线通信，可以检查数据输入的合理性。当输入有错误时，立即显示给操作者。如果在线连接终端，脱机模式将自动激活，数据被存储在本地MES系统终端。如果恢复连接到服务器，缓存的数据将自动地传送到数据库。

3.MES功能结构

在ISO／IEC 62264标准中，制造运行管理（Manufacturing Operations Management，MOM）被描述成四类不同性质的主要范畴：生产运行管理、维护运行管理、质量运行管理和库存运行管理，图1－20所示为这四大范畴之间及其与车间外部的交互全景，构成了整个工厂的制造运行管理模型。可以看出，MOM是以生产运行管理为主线展开的，其他三个范畴以及车间外的管理模块（如订购单处理、成本核算、研究开发等）都是为生产管理提供支持的。

图1-20　制造运行管理模型

MOM中针对生产运行管理的八大活动是：生产资源管理、产品定义管理、详细生产调度、生产分派、生产执行管理、生产跟踪、生产数据采集和生产绩效分析，其活动模型如图1－21所示。

（1）生产资源管理：提供关于完成制造产品生产周期所需的一切软、硬件资源信息，包括人员、物料、设备及工艺规范等，向业务管理系统（如ERP）报告当前有哪些资源可用。

（2）产品定义管理：从ERP中获取生产产品的定义信息，包括产品的工艺设计、操作规范等，确保生产的产品符合工艺规格。

图1-21　生产管理运行活动模型

（3）详细生产调度：根据业务系统下达的生产订单，基于人员、设备、物料和当前生产任务的情况，完成生产顺序（排产）和生产时间（排程）的分配。

（4）生产分派：按照生产作业计划分解成作业任务后派发给人员或者设备，启动生产过程，并控制工作量。

（5）生产执行管理：保证分派的作业任务得以完成。对于全自动化设备，由生产控制系统（PCS）执行；对于人工或半自动生产过程，需要通过扫码、视觉检测等方式确认任务完成，同时还要负责生产过程的可视化。

（6）生产跟踪：跟踪生产过程（包括物料移动、过车段的启停时间等）、归纳信息包括①人员、设备和物料；②成本和绩效分析结果；③产品谱系、向业务系统报告做了什么和生产了什么。

（7）生产数据采集：从PCS采集传感器读数、设备状态、事件等数据；通过键盘、触摸屏、扫码枪等方式采集人工输入、操作工动作等数据。

（8）生产绩效分析：用产品分析、生产分析和过程分析等手段对数据进行分析，确认生产过程并不断进行完善优化。

MES的功能结构一般遵循ISO／IEC 62264标准定义的生产运行管理、库存运行管理、质量运行管理和设备运行管理范畴中的主要管理活动进行设计，在此结构框架下，MES开发商可以结合企业和产品生产特征及需求等，定制额外的功能模块，从而满足企业的生产管理需求。

系统设计说明书